01 研究背景

太陽能煙囪發(fā)電廠(SCPP)以低成本的方式利用太陽輻射能發(fā)電，不使用化石燃料，也不排放溫室氣體。發(fā)電系統(tǒng)由三個部分組成：集熱器、渦輪發(fā)電機和煙囪?？諝庠诩療崞髦斜魂柟饧訜幔捎跓峥諝獗壤淇諝廨p，被加熱的空氣會沿著由集熱器和煙囪構成的路線向上流動?；诩療崞鳒囟壬仙鸬目諝饷芏炔钭鳛轵?qū)動力，煙囪利用熱空氣產(chǎn)生動能（空氣對流）和勢能（渦輪機中的壓降），空氣對流動能通過煙囪入口處的渦輪發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能。

本案例旨在設計一種新的煙囪幾何結構，并使用CFD技術來測試SCPP的發(fā)電效率。案例設計了一種恒定直徑的煙囪塔，塔筒在出口處擴張?；趦煞N情況，研究不同的出口外擴角對發(fā)電效率的影響。第一種情況，使用土壤作為集熱器的儲熱系統(tǒng)；第二種情況，使用土壤和埋伏的水管作為集熱器的儲熱系統(tǒng)。

02 方法介紹

1.?發(fā)電站幾何模型

煙囪高200米，直徑10米，集熱器直徑244米，深度5米。在集熱器上方有透明罩和地面之間的2米的間隙，因此煙囪出口高度將增加2米。這些尺寸參數(shù)適用于兩種電廠模型，一種僅由地面土壤作為存熱系統(tǒng)（SCPP1），另一種配備了額外的介質(zhì)存熱系統(tǒng)（SCPP2）。根據(jù)不同的煙囪出口外擴角度和電廠模型，確定若干不同的研究方案如表1所示。

2. 數(shù)字模型與邊界條件

2.1邊界條件

邊界條件由阿爾及利亞西南地區(qū)的天氣條件定義，太陽輻照為熱源，輻射強度如圖2所示。

集熱器入口的相對靜壓力為零，入口溫度為大氣溫度：

集熱器（或儲能層）的底部溫度變化較小，因此邊界條件可以設置為恒溫條件。土壤深度5米處的溫度一般可以取300K，底面?zhèn)鳠嵯禂?shù)計算公式為：

t=0為午夜，

集熱器的透明罩透射率

煙囪壁面設置為絕熱且無滑移：

對于第二種電廠模型，由于水介質(zhì)層的厚度很?。?.1m）且被封閉在固定區(qū)域內(nèi)，因此只考慮熱傳導。

03 數(shù)值方法與驗證

本研究的數(shù)值模擬使用CDF仿真軟件與syrthes耦合。為了驗證數(shù)值代碼的準確性，使用Manzanares電站的實驗數(shù)據(jù)進行了對比，結果如圖3、圖4和圖5所示，曲線1表示實驗數(shù)據(jù)，曲線2表示計算結果。結論認為，與在Manzanares電站獲得的實驗數(shù)據(jù)的比較證明了數(shù)值模型是可以被認為是有效的。

04?結論分析

第一種儲熱系統(tǒng)只由土壤組成(SCPP1)；第二鐘儲熱系統(tǒng)除了土壤部分外，還有一個10cm厚的水管層，覆蓋于集熱器的整個表面。圖6展示了煙囪平均流體速度的單日演變。速度的變化規(guī)律與太陽輻射的變化規(guī)律相同。煙囪入口流速在白天的最大速度出現(xiàn)在土壤儲熱系統(tǒng)(SCPP1)的情況下；另一方面，夜間的最大速度出現(xiàn)在土壤與水管組成的儲熱系統(tǒng)(SCPP2)的情況下。

然而，對于氣流輸送的能量功率（圖7），SCPP2的輸送功率效果明顯更好，因為它允許工廠在日落后還能長時間保持更高功率運行。這樣可以提高發(fā)電效率，如圖8所示。

下面的結果展示了第一種電廠模型下（僅土壤作為儲熱介質(zhì)）對煙囪出口進行改造所獲得的結果。改造的部分為在煙囪的出口處安裝一個2米長的延伸部分，具有可變的外擴角度的功能。不同的出口通過外擴夾角來表示。圖9展示了煙囪入口的平均流速，隨著白天太陽輻射的出現(xiàn)，速度有規(guī)律地上升到最大值，然后再隨著太陽高度變化而減少到最小值。煙囪出口外擴角分別為10°和20°時速度最大；外擴角為40°時速度最小。

由于集熱器溫度的升高，空氣密度的下降，使空氣通過煙囪上升流動。在整個系統(tǒng)中存在的熱空氣柱通過集熱器的入口和煙囪的出口與大氣連接。煙囪內(nèi)部的熱空氣被推到煙囪出口排入大氣，對應地就會在集熱器入口處吸入冷空氣。當煙囪出口管道形狀設置外擴角度在之間時，由于熱氣流密度比周圍空氣小，外擴角促進了熱氣流的膨脹，因此增加了煙囪出口的流速，從而增加了流量和入口流速。

在使用額外的水管層作為儲熱介質(zhì)的情況下，由于部分太陽輻射能被儲存在水層上，因此白天時被用來加熱氣流的能量更少。與SCPP1相比，在儲熱系統(tǒng)吸收更多熱量后，白天的空氣速度更小，而夜間更高。

根據(jù)圖10的結果，發(fā)電量也隨著太陽輻射的變強而增加。煙囪出口外擴角為10°和20°時功率最高；和速度類似，外擴角為40°時功率最小。然而，在相同的配置下，SCPP2卻提供最多的電能。當外擴角分別為10°和20°并配備了額外的水儲熱層(SCPP2)時，發(fā)電站當天產(chǎn)電最多。雖然SCPP2的白天的最大功率降低約10%，但在低輻射或不存在輻射時（比如夜間，從下午06點到第二天上午09點），電站的發(fā)電的性能顯著提高（約100%）。

圖11展示了系統(tǒng)發(fā)電效率。值得注意的是，SCPP1最高功率的情況（=和=）也對應了最高的發(fā)電效率。在SCPP2的同樣條件中，當系統(tǒng)處于低輻射或不存在輻射情況時，發(fā)電效率相比SCPP1提高了近50%，但在白天下降了大約不到20%。

05?總結

本案例對太陽能煙囪電廠自然對流作用下的湍流流動進行了數(shù)值研究。這項研究的目的是使用CFD技術評估阿爾及利亞南部地區(qū)的太陽能煙囪發(fā)電廠在當?shù)貧庀髼l件下可以產(chǎn)生的電力。對結果的分析表明：

• 電力生產(chǎn)與太陽輻射強度直接相關；

• 太陽能煙囪發(fā)電廠(SCPP)可全天運行，使用額外的儲熱介質(zhì)可以提高夜間產(chǎn)生的電力能力；

• 幾何上的煙囪出口外擴角也能提高電廠的性能：在10°到20°之間的外擴角是熱力學上最有效的配置；

• 結合這兩種優(yōu)化措施，能使系統(tǒng)發(fā)電效率得到提升，雖然在白天降低了近20%，但是在低輻射或不存在輻射的黑夜時，發(fā)電性能提高了近100%。

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