太陽能煙囪熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化模擬研究

【摘要】：我國是個人口和制造業(yè)大國，在經(jīng)濟全球化的背景下處于整個產(chǎn)業(yè)鏈的中低端。到目前為止，我國經(jīng)濟持續(xù)增長的很大份額是建立在高額能源消耗的基礎(chǔ)上的。日益嚴重的高能耗、高污染的現(xiàn)狀迫使我國需要改變能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展可再生能源。太陽能煙囪熱氣流發(fā)電是利用太陽輻射加熱集熱棚內(nèi)空氣、在重力和煙囪的作用下形成向上的熱氣流，從而推動透平系統(tǒng)發(fā)電的一種新的太陽能熱發(fā)電技術(shù)。太陽能煙囪熱氣流電站具有運行維護簡單，零排放，不需要水源，可晝夜持續(xù)發(fā)電等優(yōu)點。 本論文著力于用熱力學(xué)知識對太陽能煙囪熱氣流電站內(nèi)部的傳熱流動進行理論分析；用CFD軟件ANSYS-Fluent對發(fā)電系統(tǒng)的運行進行數(shù)值模擬；對系統(tǒng)內(nèi)空氣的密度模型，電站結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，蓄熱層的溫度分布等進行了模擬和優(yōu)化，得到了下列一些有意義的結(jié)論： （1）對太陽能煙囪熱氣流電站內(nèi)的空氣密度提出了可壓縮理想氣體、不可壓縮理想氣體兩種全浮力模型、和Boussinesq近似浮力模型，并在同工況下分別進行了模擬計算，對各密度模型下的空氣密度分布進行了對比，得出在中小規(guī)模太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)空氣可壓縮性所造成的系統(tǒng)誤差非常小,為減少數(shù)值模擬時的計算量，可以不考慮系統(tǒng)內(nèi)部表壓分布的變化對空氣密度的影響，直接采用Boussinesq近似浮力模型進行模擬計算。 （2）對太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的運行機理做了深入的研究。理論分析了系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)參數(shù)和外部條件對系統(tǒng)運行性能的影響，給出了各參數(shù)間的關(guān)系式。以西班牙原型電站為物理模型，用CFD軟件模擬計算了空載條件下不同太陽輻射及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)下系統(tǒng)內(nèi)的流場、溫度場、壓力場、煙囪速率和最大系統(tǒng)抽力等參數(shù)。并對西班牙原型電站的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。 （3）對太陽能煙囪熱氣流電站的蓄熱體進行了理論分析。對蓄熱體內(nèi)部不同深度的溫度隨太陽輻射的變化進行了初步的數(shù)值模擬。計算表明，用沙子等材料鋪成的蓄熱體有良好的熱慣性，其不僅維持電站晝夜連續(xù)發(fā)電，也縮小了系統(tǒng)晝夜電力輸出的峰谷差。 【關(guān)鍵詞】：太陽能熱氣流發(fā)電 空氣可壓縮性影響 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TM615
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 引言8-9
• 1 概述9-28
• 1.1 世界能源問題及可再生能源的開發(fā)利用9-13
• 1.1.1 世界能源問題9-10
• 1.1.2 可再生能源的開發(fā)利用10-13
• 1.2 太陽能概況及太陽能發(fā)電技術(shù)13-19
• 1.2.1 世界及我區(qū)太陽能資源13-15
• 1.2.2 開發(fā)太陽能的優(yōu)點15-17
• 1.2.3 太陽能利用現(xiàn)狀17-18
• 1.2.4 太陽能發(fā)電技術(shù)18-19
• 1.3 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電技術(shù)19-27
• 1.3.1 熱氣流發(fā)電的原理19-20
• 1.3.2 熱氣流發(fā)電的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-26
• 1.3.3 熱氣流發(fā)電特點26
• 1.3.4 改進措施26-27
• 1.4 課題目的、內(nèi)容和意義27-28
• 2 太陽能煙囪熱氣流發(fā)電技術(shù)的理論研究28-50
• 2.1 概述28
• 2.2 系統(tǒng)內(nèi)部不同區(qū)域的熱力學(xué)過程28-34
• 2.2.1 集熱棚內(nèi)29-30
• 2.2.2 渦輪機組內(nèi)30-33
• 2.2.3 煙囪內(nèi)33-34
• 2.2.4 外界環(huán)境下34
• 2.3 系統(tǒng)的熱力學(xué)循環(huán)理論34-36
• 2.3.1 理想的熱力學(xué)循環(huán)過程34-35
• 2.3.2 實際的熱力學(xué)循環(huán)過程35-36
• 2.4 熱氣流的循環(huán)效率36-40
• 2.4.1 熱氣流的實際循環(huán)效率36-37
• 2.4.2 熱氣流的理想循環(huán)效率37-40
• 2.5 系統(tǒng)的太陽能利用率40-42
• 2.6 系統(tǒng)的煙囪效應(yīng)42-50
• 2.6.1 煙囪內(nèi)的相對壓力分布43-45
• 2.6.2 煙囪的抽吸力45-47
• 2.6.3 最大輸出功率和最大效率47-48
• 2.6.4 系統(tǒng)的實際運行參數(shù)48-50
• 3 不同浮力模型下對電站熱氣流數(shù)值模擬的誤差分析50-59
• 3.1 概述50-51
• 3.2 計算模型建立51-58
• 3.2.1 物理模型51
• 3.2.2 數(shù)學(xué)模型51-52
• 3.2.3 結(jié)果分析52-58
• 3.4 本章小論58-59
• 4 結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬優(yōu)化59-73
• 4.1 概述59
• 4.2 模型的建立59-61
• 4.2.1 物理模型59-60
• 4.2.2 數(shù)學(xué)模型60-61
• 4.3 集熱棚離地高度的模擬優(yōu)化61-65
• 4.4 透平區(qū)域流道的模擬優(yōu)化65-67
• 4.5 集熱棚半徑的模擬優(yōu)化67-70
• 4.6 煙囪半徑的模擬優(yōu)化70-71
• 4.7 煙囪高度的模擬優(yōu)化71-73
• 5 蓄熱體的模擬分析73-80
• 5.1 概述73
• 5.2 模型的建立73-76
• 5.2.1 物理模型73-74
• 5.2.2 數(shù)學(xué)模型74-75
• 5.2.3 定解條件75-76
• 5.3 模擬結(jié)果及分析76-79
• 5.4 本章小結(jié)79-80
• 結(jié)論80-82
• 參考文獻82-87
• 在學(xué)研究成果87-88
• 致謝88

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