山體導流塔太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)傳熱及流動特性研究

【摘要】：本文提出了一種依托山體向陽坡面地形建造的山體導流塔太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng),并通過理論分析和數(shù)值計算研究了系統(tǒng)的傳熱及流動特性及其影響因素,主要包括： 對山體導流塔太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)不同區(qū)域熱力過程進行了分析,建立系統(tǒng)理想熱力循環(huán)、實際熱力循環(huán)。推導出系統(tǒng)集熱棚、豎直導流塔(煙囪)、渦輪機及發(fā)電機組之間的能量轉換機理,并將分析結果與常規(guī)臥式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)進行比較。得到斜坡傾角對于集熱棚集熱效率具有重要影響,當斜坡傾角比當?shù)鼐暥冉切?-10°時斜坡集熱棚獲得的太陽輻射最大,此時,集熱棚的集熱效率最高,同時,由于斜坡集熱棚兼做導流塔,斜坡傾角的增大能夠有效地降低豎直導流塔有效高度；在青島(北緯35°附近)地區(qū),斜坡傾角為25°時,單位面積集熱棚獲得太陽輻射能最大；集熱棚面積及豎直煙囪高度不變情況下,系統(tǒng)功率隨著斜坡傾角的增大先增大后減小,當斜坡傾角為30°時,系統(tǒng)功率最大；系統(tǒng)效率對著斜坡傾角(山體高度)的增大而增大；研究了相同規(guī)模下兩種系統(tǒng)的效率及功率變化,結果表明：相同集熱棚面積、相同煙囪高度下,具有合適斜坡傾角的山體導流塔太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的功率及效率要高于常規(guī)臥式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng),并且系統(tǒng)規(guī)模越大,差距越明顯。 利用Fluent軟件對空載條件下山體導流塔太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)進行傳熱及流動數(shù)值模擬,得到系統(tǒng)的速度場、壓力場、溫度場分布,并與相同條件下常規(guī)臥式太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)各流場進行比較,驗證理論推導的正確性。探討透平的安裝位置,針對怎樣提高山體導流系統(tǒng)發(fā)電功率及效率,研究了集熱棚半徑、豎直導流塔高度、形狀等對系統(tǒng)傳熱及流動特性的影響,結果表明,這些因素對系統(tǒng)內傳熱及流動特性都有重要影響,因此在對系統(tǒng)進行設計時要統(tǒng)籌考慮各種因素對系統(tǒng)性能的影響。 建立包含蓄熱層的山體導流塔太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型,并對蓄熱層—集熱棚—煙囪進行數(shù)值計算,結果表明：蓄熱層對于系統(tǒng)發(fā)電連續(xù)性具有重要作用。白天,蓄熱介質獲得太陽輻射能,同時,蓄熱介質通過蓄熱層表面向流道內的空氣傳遞能量,太陽輻射充足時,蓄熱層的存在對系統(tǒng)流動特性影響不大,但到了夜間,蓄熱層表面向空氣介質傳遞的能量成為主要的能量來源,使得夜間空氣依然能夠保持一個比較不錯的流動速度,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)工作。隨著時間推進,蓄熱層儲存熱量慢慢達到某個飽和狀態(tài),系統(tǒng)夜間的流動狀態(tài)也會趨于穩(wěn)定。在本文建立的模型當中,厚度為0.2m的蓄熱層比厚度為0.1m的蓄熱層蓄熱效果要好,能夠使系統(tǒng)氣流速度在夜間保持在8m/s。 【關鍵詞】：山體導流塔 太陽能熱氣流電站 數(shù)值模擬 傳熱及流動 蓄熱層
【學位授予單位】：青島科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 1 緒論12-27
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 我國能源現(xiàn)狀12-13
• 1.1.2 可再生能源開發(fā)利用及能源發(fā)展趨勢13-14
• 1.2 太陽能的利用14-18
• 1.2.1 太陽能的戰(zhàn)略地位14-15
• 1.2.2 太陽能利用特點15-16
• 1.2.3 太陽能利用方式16-18
• 1.3 傳統(tǒng)太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)18-22
• 1.3.1 構想的提出18-19
• 1.3.2 太陽能熱氣流發(fā)電的優(yōu)勢19-21
• 1.3.3 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)研究現(xiàn)狀21-22
• 1.4 山體導流塔式太陽能熱氣流發(fā)電技術22-24
• 1.4.1 山體導流塔式太陽能熱氣流發(fā)電技術原理22-23
• 1.4.2 山體導流塔式太陽能熱氣流發(fā)電技術研究現(xiàn)狀23-24
• 1.4.3 山體導流塔式太陽能熱氣流發(fā)電技術特點24
• 1.5 課題的提出24-27
• 1.5.1 課題研究背景24-25
• 1.5.2 課題研究內容25-26
• 1.5.3 課題研究意義26-27
• 2 山體導流塔太陽能熱氣流電站的理論分析27-42
• 2.1 系統(tǒng)不同區(qū)域熱力學分析27-32
• 2.1.1 集熱棚27-29
• 2.1.2 煙囪效應29-30
• 2.1.3 渦輪機及發(fā)電機組30-32
• 2.2 熱力循環(huán)過程分析32-33
• 2.2.1 理想熱力循環(huán)過程分析32
• 2.2.2 實際熱力循環(huán)過程分析32-33
• 2.3 系統(tǒng)能量平衡33-35
• 2.4 計算結果分析35-39
• 2.4.1 斜坡傾角對集熱棚吸收太陽輻射能的影響35-36
• 2.4.2 斜坡傾角對豎直導流塔高度的影響36-37
• 2.4.3 斜坡傾角對系統(tǒng)輸出功率及效率的影響37-39
• 2.5 山體導流塔系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的比較39-41
• 2.6 本章小結41-42
• 3 電站系統(tǒng)傳熱及流動特性數(shù)值計算42-64
• 3.1 輻射模型42-46
• 3.1.1 輻射特性42-44
• 3.1.2 FLUENT中輻射模型44-45
• 3.1.3 太陽加載模型45
• 3.1.4 太陽計算器45-46
• 3.2 物理模型46-47
• 3.3 數(shù)學模型47-50
• 3.3.1 瑞利數(shù)48-49
• 3.3.2 質量守恒方程49
• 3.3.3 動量守恒方程49
• 3.3.4 能量守恒方程49
• 3.3.5 標準k-ε湍動能方程49-50
• 3.4 數(shù)值計算50-53
• 3.4.1 前處理50-51
• 3.4.2 邊界條件51-52
• 3.4.3 參數(shù)設定52-53
• 3.5 結果分析53-62
• 3.5.1 結果驗證53
• 3.5.2 系統(tǒng)斜坡傾角的確定53-55
• 3.5.3 系統(tǒng)速度場、溫度場、壓力場分析55-57
• 3.5.4 透平安裝位置分析57-58
• 3.5.5 結構參數(shù)對系統(tǒng)傳熱及流動特性影響58-61
• 3.5.5.1 集熱棚半徑對系統(tǒng)傳熱及流動特性影響58-60
• 3.5.5.2 煙囪參數(shù)對系統(tǒng)傳熱及流動特性影響60-61
• 3.5.6 山體導流塔系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)比較61-62
• 3.6 本章小結62-64
• 4 蓄熱層—集熱棚—煙囪數(shù)值模擬64-74
• 4.1 概述64
• 4.2 蓄熱層內傳熱及流動數(shù)學模型64-66
• 4.3 蓄熱層邊界條件66-67
• 4.4 結果分析67-72
• 4.4.1 穩(wěn)態(tài)分析68-70
• 4.4.2 非穩(wěn)態(tài)分析70-72
• 4.5 本章小結72-74
• 5 總結與展望74-77
• 5.1 主要結論及創(chuàng)新點74-75
• 5.1.1 主要結論74-75
• 5.1.2 創(chuàng)新點75
• 5.2 展望75-77
• 參考文獻77-81
• 致謝81-82
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文82-83

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