立式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)溫壓耦合自然對流傳熱特性研究

【摘要】：本文對立式集熱板太陽能熱氣流電站系統(tǒng)進(jìn)行了能量平衡分析，并推導(dǎo)出系統(tǒng)的壓差、內(nèi)部能量平衡關(guān)系以及能量轉(zhuǎn)換效率的相關(guān)計(jì)算公式；綜合考慮溫度和壓力對系統(tǒng)內(nèi)空氣的影響，計(jì)算得到煙囪內(nèi)空氣密度與溫度和壓力的關(guān)系式即空氣密度隨高度的變化情況。通過研究，得到以下結(jié)論：①煙囪流道的進(jìn)出口的壓強(qiáng)差隨著煙囪的高度的增加和煙囪的進(jìn)出口的溫差的增大而增加；②煙囪流道內(nèi)的空氣吸收的太陽輻射能使其溫度升高，密度降低；另一方面，隨著煙囪高度的增加，壓強(qiáng)越來越小，煙囪流道內(nèi)的空氣受壓力的影響，密度也隨之降低，在兩者共同作用下，空氣的密度隨著煙囪高度的增加在不斷降低；隨著太陽輻射強(qiáng)度的增加，空氣密度降低更加明顯；③系統(tǒng)在白天和夜晚的傳熱機(jī)理不同。白天，太陽輻射通過玻璃蓋板進(jìn)入系統(tǒng)，一部分加熱煙囪流道內(nèi)的空氣，一部分被蓄熱層吸收儲存起來。夜晚，沒有太陽輻射，蓄熱層將白天吸收的熱量傳遞給煙囪流道內(nèi)的空氣以及外界環(huán)境，使得系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。 對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的過程中，當(dāng)設(shè)定邊界條件時(shí)，充分考慮流道內(nèi)空氣的流動(dòng)狀況，利用UDF編程工具對密度與溫度和壓力的關(guān)系式及密度隨高度的變化關(guān)系式進(jìn)行編程，并導(dǎo)入FLUENT中，力求準(zhǔn)確的描述系統(tǒng)中各參數(shù)的變化情況。通過此方法得到系統(tǒng)內(nèi)的壓力場、溫度場和速度場，并將其與恒空氣密度模型的數(shù)值模擬結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：當(dāng)考慮溫度和壓力對空氣密度影響的情況時(shí)得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值的誤差為28%，而之前所做模擬的誤差為41%，當(dāng)考慮溫度和壓力對空氣密度影響的情況時(shí)得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值更加吻合，因此立式集熱板太陽能熱氣流系統(tǒng)實(shí)際是在溫壓耦合的狀態(tài)下運(yùn)行的。 利用該方法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)傳熱與流動(dòng)特性的影響分析，得到以下結(jié)論：隨著煙囪高度和集熱板寬度的增加，系統(tǒng)性能更加優(yōu)良；在空氣層厚度較薄時(shí)，流道內(nèi)溫度隨著空氣層厚度的增加而增加，當(dāng)空氣層厚度達(dá)到一定值時(shí)再繼續(xù)增加，流道內(nèi)空氣溫度逐漸下降，即空氣層厚度存在一個(gè)最佳值。 煙囪形狀也是影響系統(tǒng)性能的因素之一，本文對煙囪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，將原來矩形通道改進(jìn)為漸縮型通道，并利用數(shù)值計(jì)算的方法對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：改進(jìn)后的煙囪通道其壓差和溫差均大于改進(jìn)前的的煙囪通道，溫差增大了約4K，煙囪流道內(nèi)空氣的速度明顯高于改進(jìn)前的模型，為之前模型的175%。由于空氣所具有的能量通過透平機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，空氣速度越大所具有的能量越多，可以轉(zhuǎn)換為更多的電能增大系統(tǒng)的功率，因此若采用漸縮型煙囪通道將優(yōu)于矩形的煙囪通道。 【關(guān)鍵詞】：太陽能 熱氣流電站 溫壓耦合 漸縮流道 UDF編程
【學(xué)位授予單位】：青島科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 符號說明11-13
• 1 緒論13-24
• 1.1 全球能源現(xiàn)狀及所面臨的問題13-15
• 1.1.1 能源危機(jī)13-14
• 1.1.2 可再生能源的開發(fā)及利用14-15
• 1.2 太陽能利用技術(shù)15-17
• 1.2.1 太陽能利用特點(diǎn)16
• 1.2.2 太陽能利用現(xiàn)狀16-17
• 1.3 太陽能熱氣流電站17-19
• 1.3.1 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢18
• 1.3.2 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀18-19
• 1.4 立式集熱板太陽能熱氣流電站19-21
• 1.4.1 立式集熱板太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)特點(diǎn)20
• 1.4.2 立式集熱板太陽能熱氣流電站的研究現(xiàn)狀20-21
• 1.5 課題的提出21-24
• 1.5.1 課題研究背景21-22
• 1.5.2 課題研究內(nèi)容22
• 1.5.3 課題研究意義22-24
• 2 立式集熱板太陽能熱氣流電站理論分析24-38
• 2.1 立式集熱板太陽能熱氣流電站的結(jié)構(gòu)24-25
• 2.2 系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)理25-30
• 2.2.1 系統(tǒng)的壓差26-27
• 2.2.1.1 系統(tǒng)的進(jìn)出口壓差26
• 2.2.1.2 系統(tǒng)的總壓力差26-27
• 2.2.2 溫壓耦合情況下流道內(nèi)空氣密度變化情況27-30
• 2.3 系統(tǒng)的能量分析30-34
• 2.3.1 系統(tǒng)在白天情況下的能量平衡分析31-33
• 2.3.2 系統(tǒng)在夜晚情況下的能量平衡分析33-34
• 2.4 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率34-37
• 2.5 本章小節(jié)37-38
• 3 電站系統(tǒng)傳熱及流動(dòng)特性數(shù)值計(jì)算38-59
• 3.1 系統(tǒng)模型的建立39-43
• 3.1.1 輻射模型39
• 3.1.2 物理模型39-40
• 3.1.3 數(shù)學(xué)模型40-43
• 3.2 UDF 編程43-44
• 3.3 數(shù)值計(jì)算44-46
• 3.3.1 前處理44
• 3.3.2 邊界條件的設(shè)定44-45
• 3.3.3 參數(shù)的設(shè)定45-46
• 3.4 系統(tǒng)速度場、溫度場、壓力場分析46-49
• 3.4.1 系統(tǒng)速度場的分析46-47
• 3.4.2 系統(tǒng)溫度場的分析47-48
• 3.4.3 系統(tǒng)壓力場的分析48-49
• 3.5 結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)傳熱及流動(dòng)特性影響49-55
• 3.5.1 煙囪高度對系統(tǒng)性能的影響50-52
• 3.5.2 集熱板寬度對系統(tǒng)性能的影響52-53
• 3.5.3 空氣層厚度對系統(tǒng)性能的影響53-55
• 3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析55-57
• 3.7 本章小結(jié)57-59
• 4 系統(tǒng)改進(jìn)59-66
• 4.1 概述59
• 4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的數(shù)值模擬59-63
• 4.2.1 模型建立59-60
• 4.2.2 系統(tǒng)速度場、溫度場、壓力場分析60-63
• 4.3 改進(jìn)后結(jié)果比較63-65
• 4.4 本章小結(jié)65-66
• 5 總結(jié)與展望66-69
• 5.1 主要結(jié)論66-67
• 5.2 展望67-69
• 參考文獻(xiàn)69-73
• 致謝73-74
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文74-75

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