太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)傳熱問題的數(shù)值分析

郭朋華,王元,李景銀

(西安交通大學(xué)流體機(jī)械及工程系, 710049, 西安)

太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)傳熱問題的數(shù)值分析

郭朋華,王元,李景銀

(西安交通大學(xué)流體機(jī)械及工程系, 710049, 西安)

為了揭示輻射換熱、太陽輻照度以及渦輪壓降對太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)性能的影響規(guī)律,基于系統(tǒng)內(nèi)部能量傳遞機(jī)制的理論分析,通過合理選擇邊界條件,在充分考慮各種氣象因素影響下的系統(tǒng)內(nèi)部多種熱效應(yīng)耦合的數(shù)值計算中引入了離散坐標(biāo)輻射模型、太陽載荷模型及渦輪模型,以解決目前數(shù)值研究中物理模型及邊界條件選擇時需要明確的問題。以西班牙示范電站為原型,對太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部的流動換熱行為進(jìn)行了詳細(xì)的三維數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與西班牙示范電站的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,二者具有良好的一致性。模擬結(jié)果表明:集熱棚內(nèi)的輻射換熱對棚內(nèi)溫度分布有重要影響,在數(shù)值模擬中不能忽略,否則會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部換熱行為完全背離真實的換熱過程;集熱棚覆蓋層與外界環(huán)境對流、輻射換熱造成的熱量損失是系統(tǒng)內(nèi)的主要熱損失;渦輪壓降對系統(tǒng)性能也會產(chǎn)生顯著影響。

太陽能煙囪;數(shù)值分析;輻射換熱;集熱棚效率;渦輪壓降

自1982年在西班牙Manzanares建成世界上第一座太陽能煙囪示范電站以來[1],太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)已成為太陽能大規(guī)模利用的研究熱點之一,它以空氣為工質(zhì),無需水資源,在太陽能資源豐富、水資源匱乏的干旱、半干旱地區(qū)具有極其廣闊的應(yīng)用前景[2-4]。

太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)傳熱主要通過建立集熱棚一維熱平衡方程進(jìn)行熱力分析和計算[5-9],這種方法操作簡便,但需要對系統(tǒng)進(jìn)行大量的假設(shè),也無法得到詳細(xì)的流場和溫度場信息。隨著計算機(jī)性能及數(shù)值計算方法的發(fā)展,數(shù)值模擬廣泛應(yīng)用于太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的研究[10-12],目前的研究主要集中在二維數(shù)值模擬。由于太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)流動和傳熱模型較為復(fù)雜,尤其是涉及到多種地理、氣象因素(太陽輻射、風(fēng)速、環(huán)境溫度)影響下多效應(yīng)的耦合(導(dǎo)熱、對流、輻射)時,各種物理模型的選擇及邊界條件確定中有許多問題需要明確。

1 系統(tǒng)內(nèi)能量的傳遞過程

如圖1所示,太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱棚、風(fēng)力渦輪、煙囪和蓄熱層組成。集熱棚是一個利用溫室效應(yīng)制成的巨大的空氣加熱器,主體受力結(jié)構(gòu)一般為鋼支架,在其上覆蓋著玻璃或者塑料薄膜等半透明材料,這種材料對太陽光的短波輻射有較高的穿透比,可以阻隔地面的長波輻射,從而使棚內(nèi)空氣加熱、棚內(nèi)空氣密度下降得以實現(xiàn)。集熱棚中央是一個高達(dá)數(shù)百甚至上千米的煙囪,利用煙囪內(nèi)、外空氣的密度差形成強大的抽力,從而驅(qū)動安裝在煙囪底部的風(fēng)力渦輪運轉(zhuǎn)發(fā)電。在晚上及陰雨天,地面蓄熱層釋放熱量,繼續(xù)為集熱棚內(nèi)空氣加熱,保證電站持續(xù)運行。

圖1 太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)模型

圖2為集熱棚內(nèi)能量的傳遞過程示意圖。集熱棚上表面吸收、反射和透射太陽輻射,大部分太陽輻射穿透集熱棚后被地面吸收。地面吸收的能量S2通過對流換熱傳遞給棚內(nèi)空氣,通過輻射換熱傳遞給集熱棚覆蓋層,通過導(dǎo)熱向地下傳遞,因此地面蓄熱層的熱平衡方程為

(1)

圖2 集熱棚內(nèi)能量的傳遞過程示意圖

集熱棚材料對太陽短波輻射的穿透比很大,但是對地面的長波輻射穿透比很小,所以集熱棚覆蓋層除了吸收小部分太陽輻射外,其主要能量來自與地面間的輻射換熱。集熱棚覆蓋層吸收的能量一部分通過對流換熱傳遞給棚內(nèi)空氣,另一部分通過與環(huán)境空氣的對流換熱及對天空的長波輻射損失掉,因此集熱棚覆蓋層的熱平衡方程為

S1+hr,pc(Tp-Tc)=

hc,f(Tc-Tf)+hr,cs(Tc-Ts)+hc,a(Tc-Ta)

(2)

集熱棚覆蓋層和地面蓄熱層與棚內(nèi)空氣的對流換熱量即為棚內(nèi)空氣的吸熱量,其熱平衡方程為

(3)

定義Qcoll為集熱棚內(nèi)空氣吸收的熱量,Qsolar為系統(tǒng)內(nèi)總的太陽入射能量,Pt為渦輪的輸出功率,則集熱棚效率和系統(tǒng)效率可分別定義為

(4)

(5)

2 數(shù)值模型

2.1 物理模型

西班牙示范電站是迄今為止建造成功的規(guī)模最大的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng),其實驗數(shù)據(jù)具有一定的代表性和權(quán)威性,是進(jìn)行計算驗證的理想對象,該電站的主要參數(shù)如表1所示。

為減少阻力損失,集熱棚出口與煙囪的連接處采用光滑過渡,風(fēng)力渦輪在過渡段出口、距離地面9 m處。根據(jù)西班牙示范電站的實驗數(shù)據(jù)[13],地下0.5m處的土壤溫度不存在實際性的波動,Pretorius等研究也得到類似的結(jié)論[14],因此本文蓄熱層厚度為2 m。模型的網(wǎng)格劃分在Fluent的前處理軟件Gambit中完成,為了便于劃分,將整個系統(tǒng)分為蓄熱層、集熱棚、煙囪及煙囪和集熱棚之間的過渡轉(zhuǎn)換段,且均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。轉(zhuǎn)換段氣流從水平方向變成豎直方向時,通流面積變化較大,該段氣流的速度、壓力及溫度的梯度較大。渦輪安裝在轉(zhuǎn)換段,該區(qū)域為整個系統(tǒng)的核心,因此轉(zhuǎn)換段的網(wǎng)格需進(jìn)行加密處理,整個計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分見圖3,網(wǎng)格總數(shù)達(dá)150萬,滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。

表1 西班牙太陽能煙囪示范電站主要的參數(shù)

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分

2.2 計算模型和邊界條件

由于集熱棚頂通常使用半透明材料,而在Fluent提供的幾種輻射模型中只有離散坐標(biāo)輻射模型(DO)可以處理半透明壁面,可以提供灰?guī)Ｐ蛠碛嬎惴腔逸椛?因此本文選擇DO輻射模型來模擬集熱棚內(nèi)的輻射換熱。

對于太陽輻射,以往的文獻(xiàn)中通常將透射的太陽輻射以給定地面熱流密度或者土壤內(nèi)熱源的方式來處理[10,12,15]。本文采用Fluent提供的太陽能加載模型來模擬太陽輻射。該模型可根據(jù)太陽位置向量和照射參數(shù)將太陽輻射處理成射線,并應(yīng)用于用戶指定的邊界上,然后通過進(jìn)行面與面之間的遮蔽分析,來確定計算區(qū)域內(nèi)被遮擋的部分,從而計算出入射太陽輻射在邊界上產(chǎn)生的熱流,該熱流將加載到能量方程的源項。由于渦輪內(nèi)的流場不是本文的研究對象,所以采用Fluent提供的壓降模型來模擬渦輪,該模型將渦輪視為一個無限薄的圓盤,通過渦輪的壓降可指定為常數(shù)或者是通過渦輪氣流速度的函數(shù)。

集熱棚進(jìn)口和煙囪出口采用壓力邊界條件,為了消除進(jìn)、出口壓差在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的自然對流,進(jìn)、出口處的壓力均設(shè)置為0 Pa。在蓄熱層的底面,溫度不會隨環(huán)境溫度的日變化出現(xiàn)波動,此處設(shè)置為恒溫邊界條件;集熱棚頂為對流和輻射換熱邊界條件,對天空的長波輻射可通過天空當(dāng)量溫度[16]獲得,即

(6)

太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的邊界條件設(shè)置

3 結(jié)果與討論

3.1 數(shù)值模型驗證

由數(shù)值模擬得到的系統(tǒng)輸出功率與西班牙示范電站的實驗數(shù)據(jù)[17]對比如圖4所示。由圖4可以看出,數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。數(shù)值模擬得到的輸出功率在總體上略高于實驗結(jié)果,主要由兩方面原因:其一,本文采用的是穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,在給定的太陽輻射條件下,集熱棚覆蓋層、棚內(nèi)空氣及地面蓄熱層均已達(dá)到了該工況下的熱平衡,而實際土壤存在熱慣性,因此數(shù)值模擬的預(yù)測結(jié)果偏高;其二,實驗電站的集熱棚內(nèi)存在大量的鋼架支撐結(jié)構(gòu),其會產(chǎn)生一定的阻力損失,為了便于建模和計算,數(shù)值模擬中忽略了這些鋼架結(jié)構(gòu)的影響。綜上分析,本文提出的數(shù)值模型完全適用于太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的模擬計算。

圖4 系統(tǒng)輸出功率的數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比

3.2 輻射換熱對集熱棚內(nèi)溫度分布的影響

在以往的太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究中,集熱棚被視為普通的日光溫室,即忽略了棚內(nèi)的輻射換熱。實際的集熱棚工作過程并不等同于一般的日光溫室,集熱棚中部的高大煙囪會使得集熱棚不再是一個密閉空間。在煙囪抽力的作用下,空氣不斷地從集熱棚四周進(jìn)入棚內(nèi),加熱后的空氣最終通過煙囪排放到大氣中。因此,在太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)中,集熱棚覆蓋層對地面長波輻射的阻隔作用成為集熱棚實現(xiàn)加熱功能的重要組成部分。根據(jù)傳熱學(xué)的基本理論,對于表面溫度為幾十?dāng)z氏度的表面散熱,對流換熱量與輻射換熱量具有相同的數(shù)量級,必須同時予以考慮[18]。

(a)忽略棚內(nèi)輻射換熱

(b)考慮棚內(nèi)輻射換熱

為了研究輻射換熱對模擬結(jié)果的影響,本文將考慮輻射換熱前后的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比。以太陽輻射強度為600W/m2為例,考慮輻射換熱前后的集熱棚內(nèi)溫度分布如圖5所示。由圖5可以看出,未考慮輻射換熱時,集熱棚內(nèi)的氣流溫度明顯高于考慮輻射換熱后的結(jié)果,尤其是地面溫度,未考慮輻射換熱時最高溫度達(dá)到了400K,在實際中顯然是不可能的。Pastohr等的數(shù)值研究認(rèn)為,這種不自然的高溫是由定常計算引起的[10],而從圖5的對比中可以看到這是數(shù)值模擬中地面輻射換熱被忽略的結(jié)果。

太陽輻射強度為600W/m2時,考慮輻射換熱前后集熱棚頂?shù)臏囟确植既鐖D6所示。由圖6可以看出,考慮輻射換熱后,集熱棚頂?shù)臏囟让黠@高于未考慮輻射換熱的情況。通過與圖5對比可知,當(dāng)忽略棚內(nèi)輻射換熱時,集熱棚頂溫度普遍低于棚內(nèi)的空氣溫度。這是因為集熱棚頂?shù)臒崃恐饕獊碜耘飪?nèi)空氣的對流換熱和一小部分的太陽輻射。考慮輻射換熱后,受地面輻射的影響,集熱棚頂溫度顯然會高于棚內(nèi)空氣溫度,此時集熱棚頂不僅不會從棚內(nèi)空氣吸收熱量,反而會將一部分熱量傳遞給空氣。

(a)忽略棚內(nèi)輻射換熱

(b)考慮棚內(nèi)輻射換熱

輻射換熱對集熱棚集熱效率的影響如圖7所示。由圖7可以看出,當(dāng)考慮棚內(nèi)輻射換熱時,在不同輻照強度下得到的集熱棚集熱效率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于考慮輻射換熱時的情況。西班牙示范電站的實驗數(shù)據(jù)中,集熱棚的集熱效率均在30%左右,顯然考慮輻射換熱后的數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果更加吻合。這是因為忽略棚內(nèi)輻射換熱背離了實際傳熱過程而導(dǎo)致不正確的溫度分布所致。由圖5和圖6還可以看出,當(dāng)未考慮地面與集熱棚覆蓋層之間的輻射換熱時,地面溫度過高,集熱棚頂溫度過低。在太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)中,由于通過集熱棚頂?shù)臒崃繐p失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過地面的熱量損失而忽略輻射換熱,使得集熱棚頂?shù)臒崃繐p失會被大大低估,從而導(dǎo)致集熱棚效率的預(yù)測值偏高。

圖7 輻射換熱對集熱棚的集熱效率的影響

3.3 渦輪壓降對系統(tǒng)性能的影響

利用Fluent軟件的壓降模型可以為渦輪指定一系列的壓降,以此研究壓降對系統(tǒng)性能的影響。本文模擬中給定的渦輪壓降間隔為20Pa,太陽輻射強度分別設(shè)定為200、400、600、800W/m2。

(a)對速度的影響

(b)對溫升的影響

不同太陽輻射下渦輪壓降對煙囪入口處氣流速度和溫升的影響如圖8所示。由圖8可以看出:當(dāng)太陽輻射強度不變時,隨著渦輪壓降的增加,渦輪對氣流的阻塞效應(yīng)增強,系統(tǒng)需要更大的抽力來推動渦輪做功,因此氣流速度逐漸降低;隨著氣流速度的降低,氣流在集熱棚內(nèi)停留的時間延長,吸收的熱量更多,因此溫升逐漸增大。由圖8還可看出,當(dāng)渦輪壓降恒定時,隨著太陽輻射強度的增加,系統(tǒng)的入射能量增加,氣流速度和溫升均顯著增大。

當(dāng)太陽輻射強度為600W/m2時,改變渦輪壓降可以得到集熱棚內(nèi)的熱損失,如圖9所示。由圖9可以看到,不論何種壓降,通過集熱棚頂?shù)臒釗p失總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過地面的熱損失。當(dāng)渦輪壓降逐漸增大時,通過集熱棚頂和通過地面的熱損失均逐漸增加。這是因為當(dāng)渦輪壓降增大時,渦輪對氣流的阻礙效應(yīng)增強,系統(tǒng)流量減小,集熱棚內(nèi)空氣溫度升高,集熱棚內(nèi)、外溫差增大,從而導(dǎo)致熱損失增加。因此,集熱棚覆蓋采用雙層玻璃會大大降低集熱棚頂?shù)臒釗p失,提高集熱棚的集熱效率。

圖9 不同渦輪壓降下集熱棚的熱損失

圖10 不同渦輪壓降下的系統(tǒng)性能

太陽輻射強度為600W/m2時,改變渦輪壓降后的系統(tǒng)性能如圖10所示。隨著渦輪壓降的增加,系統(tǒng)各部分的熱損失增大,集熱棚的集熱效率逐漸下降。但是,由于渦輪壓降增加會引起流量減小,使得通過煙囪出口的動能損失大大降低,因此系統(tǒng)總效率逐漸上升,在壓降為120Pa時達(dá)到最大值。繼續(xù)增大渦輪壓降,煙囪產(chǎn)生的抽力部分用來驅(qū)動渦輪,但剩余部分并不足以克服系統(tǒng)內(nèi)的流動損失。

4 結(jié) 論

本文建立了太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)值模型,并對其內(nèi)部的傳熱問題進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明,集熱棚內(nèi)的輻射換熱是其內(nèi)部傳熱過程的重要組成部分,不能忽略,否則會導(dǎo)致集熱棚內(nèi)溫度分布背離實際的溫度分布。渦輪壓降對系統(tǒng)性能也有重要影響,隨著渦輪壓降的增大,煙囪內(nèi)的氣流溫升逐漸增大,集熱棚內(nèi)的熱損失逐漸增大,集熱棚效率下降。由于煙囪內(nèi)氣流速度減小,出口的余速損失減小,系統(tǒng)效率逐漸提高。此外,對集熱棚內(nèi)的熱損失分析發(fā)現(xiàn),通過集熱棚頂表面的對流換熱及長波輻射的損失是系統(tǒng)內(nèi)的主要熱損失。

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(編輯 苗凌)

NumericalAnalysisofHeatTransferinSolarChimneyPowerPlant

GUO Penghua,WANG Yuan,LI Jingyin

(Department of Fluid Machinery and Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The research was conducted to investigate the influences of the radiation heat transfer, solar radiation and turbine pressure drop on the performance of a solar chimney power plant.The comprehensive 3D numerical simulations were carried out to examine the heat transfer process in a Spanish prototype.The heat losses in the system were considered in the numerical simulations incorporating the radiation model, solar load model and turbine model and the experimental data for the Spanish prototype were used to verify the simulations.The results show that the radiation heat transfer plays an important role in the heat transfer process inside the collector and the heat loss from the collector roof to the ambient is the major heat loss in the system.In addition, the collector efficiency decreases while the system efficiency gradually increases when the turbine pressure drop increases under the constant solar radiation condition.

solar chimney; numerical analysis; radiation heat transfer; collector efficiency; turbine pressure drop

10.7652/xjtuxb201403019

2013-05-16。

郭朋華(1986—),男,博士生;王元(通訊作者),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國家自然科學(xué)基金資助項目(11272252,51276137);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目。

時間: 2013-12-19

O121.8;G558

:A

:0253-987X(2014)03-0102-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131219.1121.002.html