用于聚光和聚風一體化發(fā)電的聚風罩風場研究*

章佳鋒，官成鋼，聶晶，王雙保，趙彥立，劉文

（1.華中科技大學光電國家實驗室，武漢 430074；2.華中科技大學光學與電子信息學院，武漢 430074）

用于聚光和聚風一體化發(fā)電的聚風罩風場研究*

章佳鋒1，官成鋼1，聶晶1，王雙保2，趙彥立1，劉文1

（1.華中科技大學光電國家實驗室，武漢 430074；2.華中科技大學光學與電子信息學院，武漢 430074）

本文基于反射式聚光技術，在國內外首次提出了一種綜合利用太陽能和風能發(fā)電的一體化設計，并利用商用計算機輔助設計分析軟件ANSYS Workbench研究用于反射式聚光和水平軸聚風一體化發(fā)電的聚風罩。該聚風罩集碟形聚光和環(huán)形聚風功能于一身，來流風速3 m/s時，聚風后環(huán)形風場的功率可比原來提升58.9%，平均風功率密度是原來的2.26倍，可以有效降低風電機組的啟動風速和切入風速。

聚光；聚風；風電；ANSYS Workbench；Fluent

聚光型光伏發(fā)電的一個關鍵是聚光元件，依照光學原理可以分為折射式和反射式兩種。目前折射式聚光元件普遍采用菲涅爾透鏡的形式，但折射式的光損耗比較大，所以實際聚光型光伏發(fā)電設備的光電轉化效率只有25%～30%[4]，聚光型高效電池的效能未能得到充分發(fā)揮。而碟形反射式聚光技術的光損耗比折射式要低得多[5]。因此采用碟形反射式聚光技術，完成科技部“十二五”規(guī)劃目標，技術上完全可行。不僅如此，采用大面積碟形反射式聚光技術還為我們進一步綜合利用太陽能和風能創(chuàng)造了條件。本文提出了一種風光互補發(fā)電技術設計。它一方面利用碟形反射鏡實現(xiàn)聚光，另一方面通過碟形反射鏡對風的繞流作用，在反射鏡的外圍用一個風筒將來自反射鏡繞流的風收集起來，實現(xiàn)聚風的效果。風力發(fā)電機發(fā)電量主要取決于風速，發(fā)電量和風速的三次方成正比。該設計巧妙地利用了碟形太陽能反射鏡的風阻效應，在局部將風速放大。因為根據(jù)動量守恒原理：M1V1=M2V2，氣流橫截面變小時，流速就會加大。風電機組發(fā)電量還與扇葉面積成正比，根據(jù)能量守恒原理，該設計可以有效地捕獲幾乎全部吹到反射鏡上的風能，并且不影響反射鏡的聚光效果。太陽能與風能共享一套跟蹤系統(tǒng)，事半功倍。白天約8個小時系統(tǒng)自動跟蹤太陽，用于太陽能發(fā)電，其他16個小時以及陰雨天，系統(tǒng)自動捕捉風能，將可再生能源的利用率最大化。

1 聚風發(fā)電的理論基礎[6,7]

風能是流動的空氣所蘊含的動能。根據(jù)動能公式，質量為m(kg)，以速度v(m/s)流動的空氣團所含動能可由下式給出，單位為J：

運動空氣的功率，即風功率，是動能的流動速率，單位為W：

如果令ρ為空氣密度(kg/m3)， A為風場截面積(m2)，那么風功率又可以表示為：

風功率密度是指氣流垂直流經(jīng)單位面積的風功率，單位為W/m2，可用下式表達：

在風力發(fā)電領域里，空氣的馬赫數(shù)一般小于0.3，可以不考慮空氣的壓縮性。所以空氣密度ρ由氣溫和大氣壓來決定的，這里1個大氣壓，15℃的狀態(tài)下，空氣密度為1.225kg/m3。風功率和掃風面積成正比，并且和風速的三次方成正比。

增大掃風面積和風速是可以有效提高風功率的兩個措施。而在自然情況下，風速被認為是自然參數(shù)，不容易控制。所以目前市面上絕大部分風電機組都是通過增大風輪的旋轉直徑來提高風電機組的功率輸出。但是本文選擇人為增大風速來提高風電機組的功率輸出。

2 反射式聚光與水平軸聚風一體化發(fā)電的優(yōu)勢分析

太陽光在地球表面的平均輻照功率密度約為1000W/m2，而目前的晶體硅太陽能電池片的產(chǎn)業(yè)平均效率低于20%[8]，在不考慮其他損耗的情況下，1m2電池片的電功率輸出不到200W。

晶體硅電池片92倍聚光條件下的效率約為27.6%[3]，那么1m2空間面積的電功率為

三節(jié)砷化鎵電池片在418倍聚光條件下的效率約為43.5%[3]，那么1m2的空間面積的電功率為

1m2空間面積在聚光晶體硅電池片下的輸出電功率高出常規(guī)一平方米晶體硅電池片的34%，而電池片用量卻只不到后者的1.1%，約0.0109m2。三節(jié)砷化鎵電池片的輸出電功率是常規(guī)的2.11倍，并且用量更少，僅約0.0024m2。如果電池片為正方形的話，那么其邊長還不到5cm。

如果風場的年平均風速為3m/s，風速聚風比達到1.5倍，那么聚風后1m2的風場功率為

比原來提高3.375（=1.53）倍。風場功率以風速提升倍數(shù)的三次方提升，這是比較可觀的一種技術。

如果把以上聚光和聚風兩者技術應用于同一套系統(tǒng)，它們就能共享同一套跟蹤裝置，更進一步節(jié)省資源和成本。如圖 1所示，專利“反射聚光單元、太陽能風能一體發(fā)電單元及其系統(tǒng)[9]”提出了一種實現(xiàn)方式，將碟式聚光和水平軸聚風有機融合，實現(xiàn)互補發(fā)電。

本文將提出另一種新的實現(xiàn)方式，使聚風效果更加出色，并對主要部件聚風罩作流體仿真分析，研究其流場特性。

3 模型建立與分析

本文的研究工作基于ANSYS Workbench 14.0平臺中的Fluent流體分析模塊完成。ANSYS Workbench以項目流程圖的方式，將各種數(shù)值模擬方法繼承到一個統(tǒng)一的平臺中，進而完成不同軟件之間的無縫連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和共享。ANSYS Workbench提供了DesignModeler幾何建模模塊，不僅具備出色的CAD參數(shù)化建模能力，還能與主流CAD軟件（Pro/E、Creo parametric、CATIA、UG等）進行對接，并進行參數(shù)傳遞。ANSYS Workbench提供的設計探索模塊Design Exploration，能利用幾何模型、網(wǎng)格控制、材料屬性和操作條件中的參數(shù)實現(xiàn)自動優(yōu)化仿真。

3.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

用于模擬仿真的模型圖如圖2所示，為簡化問題，先不考慮聚風罩的離地高度，不考慮放在聚風罩前面的聚光太陽能電池及其支架，也不考慮聚風罩外環(huán)部分和中心部分之間的連接件，將聚風罩直接置于均勻的風場中。風場為直徑13.1m，長13.3m的圓柱體，聚風罩前沿距風場入口4m，距出口8m，風場直徑為聚風罩的5倍。

如圖3所示，聚風罩由兩部分構成，分別是外圍圓環(huán)形的風筒和中心圓形碟式聚光器，兩者之間的環(huán)形區(qū)域為風道。風筒入口直徑為2.2m，風道寬度為0.5m，風道截面積為2.67m2。

網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格加膨脹層。其中四面體網(wǎng)格1010859個，三角面網(wǎng)格2168572個，節(jié)點262423個。整個流場的網(wǎng)格如圖4所示。

3.2 邊界條件設定

本次三維模型的數(shù)值模擬計算采用基于壓力和絕對速度方程的三維穩(wěn)態(tài)求解器，粘性模型采用標準k-ε模型，動量采用二階迎風離散格式，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法。

圖1 反射式聚光與水平軸聚風一體化發(fā)電的一種實現(xiàn)方式

圖2 仿真模型圖

圖3 聚風罩結構圖

圖4 整個流場的網(wǎng)格圖

風場入口設為速度進口（velocity－inlet），風場出口設為壓力出口（pressure－outlet），風場側面和聚風器表面設為墻面（wall）。壓力出口的表壓（Gauge Pressure）設為0Pa。速度進口的風速大小設為參數(shù)，初始值定位3m/s，風向垂直于進口壁面。后續(xù)風速變化定位：2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s 、8m/s、 9m/s、 10m/s、 11m/s、12m/s。

3.3計算結果分析

將各種風場風速的數(shù)值模擬計算收斂結束后，利用后處理程序CFD－Post觀察風場經(jīng)過聚風罩時的流態(tài)圖，讀取風道內最大風功率，并對這些數(shù)據(jù)進行整理分析。

各種風場風速的數(shù)值模擬計算結果見表1。來流風速3m/s時，聚風罩入口風功率為62.84W，而聚風后環(huán)形風道內的最大風功率為99.84W，比原來提升58.9%。由式（4）可以算得該風速下入口的風功率密度為16.538W/m2。又由于環(huán)形風道的平均風功率密度為37.393W/m2，于是平均風功率密度是原來的2.26倍，可以有效降低風力機的啟動風速和切入風速風功率。

表1中功率提升幅度在7.7%～58.9%不等，說明聚風效果與來流風速有關，或者說這種結構的聚風罩并不能對所有風速產(chǎn)生理想的聚風效果，可以根據(jù)實際需要優(yōu)化聚風罩結果，使最理想的聚風效果出現(xiàn)在期望的風速區(qū)間內。

根據(jù)上面計算得出的數(shù)據(jù)，可以畫出風道內最大風功率和聚風罩入口風功率與風場風速的關系圖，如圖6所示。

表1 各種風場風速的數(shù)值模擬計算結果

圖5 風功率與風場風速的關系圖

圖6 風場進口風速3m/s時整個風場的流態(tài)圖

圖7 風道內風功率最大截面的風速云圖

從圖5中可見，粗實線為聚風罩入口的風功率與風場風速的關系，由于是根據(jù)公式理論計算所得，所以該曲線明顯呈三次方上升。粗長虛線為風道內最大風功率與風場風速的關系，顯然風道內的最大風功率較入口處都有不同程度的提高，可見聚風罩具有良好的聚風效果。細短虛線為風道內的最大風功率曲線的多項式擬合曲線，可以清晰地看到該曲線的增長趨勢，并且趨勢大于三次方。

圖6為風場進口風速3m/s時整個風場的流態(tài)圖，中心風場經(jīng)由圓形碟式聚光面繞流后進入風道，與風道內原有的風場融合，而在聚風罩后面又形成一個環(huán)形漩渦，產(chǎn)生局部低壓，使風道內的風速得以提升。

圖7為風道內風功率最大截面的風速云圖。結合圖6和圖7不難發(fā)現(xiàn)，由于圓形碟式聚光面繞流使風道內的風速呈由內到外逐漸升高的趨勢分布，而這種分布更有利于提供大力矩給風電機組。

4 結論與展望

本文提出一種集碟形聚光和環(huán)形聚風功能于一身的聚風罩，經(jīng)商用計算機輔助設計分析軟件ANSYS Workbench研究表明，該聚風罩已具備良好的聚風效果，來流風速3m/s時，聚風后環(huán)形風場的功率可比原來提升58.9%，平均風功率密度是原來的2.26倍。

后續(xù)需要解決的問題主要有：優(yōu)化模型參數(shù)，使結構變得更加緊湊；優(yōu)化風筒外表面結構，實現(xiàn)風向標功能；在模型中加入聚光光伏電池及相應支架，確認其對整個風場的影響，并作相應的改進；研究聚風罩的風筒入口面積與風道面積之比與聚風效果的關系。

[1] REN21. Renewables 2011 Global Status Report[R]. Paris. REN21 Secretariat, 2011.

[2] REN21. Renewables 2012 Global Status Report[R]. Paris. REN21 Secretariat, 2012.

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Flow Field Research on Wind Concentrating Shield for Power Generation
with Focusing Sunlight and Gathering Wind

Zhang Jiafeng1, Guan Chenggang1, Nie Jing1, Wang Shuangbao2, Zhao Yanli1, Liu Wen1
(1. Wuhan National Laboratory For Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, china;
2. School of Optics and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Based on the reflective concentrating technology, an integrated design is firstly proposed for the comprehensive utilization of solar and wind power generation at home and abroad. And with the commercial computer-aided design and analysis software ANSYS Workbench, a wind concentrating shield is researched which is used to integrate the power generation of focusing sunlight with reflection-type condenser and gathering wind with horizontal axis concentrator. Gathered the function of dish focusing sunlight and ring gathering wind, it makes the power of ring wind field increase 58.9% than original and the average wind power density become 2.26 times, when the speed of incoming flow is 3 m/s. And the start-up wind speed and cut-in wind speed can be reduced effectively.

focusing sunlight; gathering wind; wind power; ANSYS Workbench; Fluent

攝影：張國和

TK8

A

1674-9219(2013)02-0092-05

0 引言

武漢東湖開發(fā)區(qū)3551項目和華中科技大學武漢光電國家實驗室創(chuàng)新基金支持項目。池效率超過35%”列入計劃。

2012-11-28。

章佳鋒（1984-），男，碩士研究生，主要從事聚光太陽能發(fā)電和聚風風力發(fā)電的研究。

王雙保（1972-），男，博士，副教授，主要從事光電功能材料與器件方向的研究。

隨著能源短缺的日益顯現(xiàn)以及環(huán)境保護成為全世界的共識，近年來可再生能源技術和應用取得了長足發(fā)展，特別在風能和太陽能兩個領域[1,2]。其中具有低能耗、低成本特點的新一代高效聚光型光伏發(fā)電技術越來越受到世界各國的高度關注，該技術路線的主要優(yōu)點是效率高。2011年，

國外采用聚光和多結光伏技術已經(jīng)將太陽能光伏電池的光電轉化效率提高到43.5%[3]，并且還有很大的潛在提升空間。另外，從能源回收角度來看，傳統(tǒng)晶硅光伏技術需要3年左右的能源回收時間，而聚光光伏技術則只需要半年左右的能源回收時間。2011年5月科技部發(fā)布的《太陽能發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》，已經(jīng)明確將“掌握高倍聚光太陽電池及應用技術，建成年產(chǎn)能5 MW的中試線，電