太陽能煙囪發電系統內傳熱問題的數值分析

郭朋華,王元,李景銀

(西安交通大學流體機械及工程系, 710049, 西安)

太陽能煙囪發電系統內傳熱問題的數值分析

郭朋華,王元,李景銀

(西安交通大學流體機械及工程系, 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電系統性能的影響規律,基于系統內部能量傳遞機制的理論分析,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內部多種熱效應耦合的數值計算中引入了離散坐標輻射模型、太陽載荷模型及渦輪模型,以解決目前數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,對太陽能煙囪發電系統內部的流動換熱行為進行了詳細的三維數值模擬,并將數值模擬數據與西班牙示范電站的實驗數據進行了對比,二者具有良好的一致性。模擬結果表明:集熱棚內的輻射換熱對棚內溫度分布有重要影響,在數值模擬中不能忽略,否則會導致系統內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境對流、輻射換熱造成的熱量損失是系統內的主要熱損失;渦輪壓降對系統性能也會產生顯著影響。

太陽能煙囪;數值分析;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],太陽能煙囪發電技術已成為太陽能大規模利用的研究熱點之一,它以空氣為工質,無需水資源,在太陽能資源豐富、水資源匱乏的干旱、半干旱地區具有極其廣闊的應用前景[2-4]。

太陽能煙囪發電系統內傳熱主要通過建立集熱棚一維熱平衡方程進行熱力分析和計算[5-9],這種方法操作簡便,但需要對系統進行大量的假設,也無法得到詳細的流場和溫度場信息。隨著計算機性能及數值計算方法的發展,數值模擬廣泛應用于太陽能煙囪發電系統的研究[10-12],目前的研究主要集中在二維數值模擬。由于太陽能煙囪發電系統內流動和傳熱模型較為復雜,尤其是涉及到多種地理、氣象因素(太陽輻射、風速、環境溫度)影響下多效應的耦合(導熱、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 系統內能量的傳遞過程

如圖1所示,太陽能煙囪發電系統主要由集熱棚、風力渦輪、煙囪和蓄熱層組成。集熱棚是一個利用溫室效應制成的巨大的空氣加熱器,主體受力結構一般為鋼支架,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,從而使棚內空氣加熱、棚內空氣密度下降得以實現。集熱棚中央是一個高達數百甚至上千米的煙囪,利用煙囪內、外空氣的密度差形成強大的抽力,從而驅動安裝在煙囪底部的風力渦輪運轉發電。在晚上及陰雨天,地面蓄熱層釋放熱量,繼續為集熱棚內空氣加熱,保證電站持續運行。

圖1 太陽能煙囪發電系統模型

圖2為集熱棚內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空氣,通過輻射換熱傳遞給集熱棚覆蓋層,通過導熱向地下傳遞,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空氣,另一部分通過與環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空氣的對流換熱量即為棚內空氣的吸熱量,其熱平衡方程為

(3)

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

(4)

(5)

2 數值模型

2.1 物理模型

西班牙示范電站是迄今為止建造成功的規模最大的太陽能熱氣流發電系統,其實驗數據具有一定的代表性和權威性,是進行計算驗證的理想對象,該電站的主要參數如表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,風力渦輪在過渡段出口、距離地面9 m處。根據西班牙示范電站的實驗數據[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論[14],因此本文蓄熱層厚度為2 m。模型的網格劃分在Fluent的前處理軟件Gambit中完成,為了便于劃分,將整個系統分為蓄熱層、集熱棚、煙囪及煙囪和集熱棚之間的過渡轉換段,且均采用結構化網格。轉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。渦輪安裝在轉換段,該區域為整個系統的核心,因此轉換段的網格需進行加密處理,整個計算區域的網格劃分見圖3,網格總數達150萬,滿足網格無關性要求。

表1 西班牙太陽能煙囪示范電站主要的參數

圖3 計算區域網格劃分

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輻射模型(DO)可以處理半透明壁面,可以提供灰帶模型來計算非灰輻射,因此本文選擇DO輻射模型來模擬集熱棚內的輻射換熱。

對于太陽輻射,以往的文獻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。該模型可根據太陽位置向量和照射參數將太陽輻射處理成射線,并應用于用戶指定的邊界上,然后通過進行面與面之間的遮蔽分析,來確定計算區域內被遮擋的部分,從而計算出入射太陽輻射在邊界上產生的熱流,該熱流將加載到能量方程的源項。由于渦輪內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或者是通過渦輪氣流速度的函數。

集熱棚進口和煙囪出口采用壓力邊界條件,為了消除進、出口壓差在系統內產生的自然對流,進、出口處的壓力均設置為0 Pa。在蓄熱層的底面,溫度不會隨環境溫度的日變化出現波動,此處設置為恒溫邊界條件;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量溫度[16]獲得,即

(6)

太陽能煙囪發電系統的邊界條件設置如表2所示。

表2 太陽能煙囪發電系統的邊界條件設置

3 結果與討論

3.1 數值模型驗證

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

圖4 系統輸出功率的數值模擬數據與實驗數據對比

3.2 輻射換熱對集熱棚內溫度分布的影響

在以往的太陽能煙囪發電系統的數值模擬研究中,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入棚內,加熱后的空氣最終通過煙囪排放到大氣中。因此,在太陽能煙囪發電系統中,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加熱功能的重要組成部分。根據傳熱學的基本理論,對于表面溫度為幾十攝氏度的表面散熱,對流換熱量與輻射換熱量具有相同的數量級,必須同時予以考慮[18]。

(a)忽略棚內輻射換熱

(b)考慮棚內輻射換熱

為了研究輻射換熱對模擬結果的影響,本文將考慮輻射換熱前后的模擬結果進行了對比。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,集熱棚內的氣流溫度明顯高于考慮輻射換熱后的結果,尤其是地面溫度,未考慮輻射換熱時最高溫度達到了400K,在實際中顯然是不可能的。Pastohr等的數值研究認為,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值模擬中地面輻射換熱被忽略的結果。

太陽輻射強度為600W/m2時,考慮輻射換熱前后集熱棚頂的溫度分布如圖6所示。由圖6可以看出,考慮輻射換熱后,集熱棚頂的溫度明顯高于未考慮輻射換熱的情況。通過與圖5對比可知,當忽略棚內輻射換熱時,集熱棚頂溫度普遍低于棚內的空氣溫度。這是因為集熱棚頂的熱量主要來自棚內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空氣溫度,此時集熱棚頂不僅不會從棚內空氣吸收熱量,反而會將一部分熱量傳遞給空氣。

(a)忽略棚內輻射換熱

(b)考慮棚內輻射換熱

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,當考慮棚內輻射換熱時,在不同輻照強度下得到的集熱棚集熱效率均遠遠高于考慮輻射換熱時的情況。西班牙示范電站的實驗數據中,集熱棚的集熱效率均在30%左右,顯然考慮輻射換熱后的數值預測結果與實驗結果更加吻合。這是因為忽略棚內輻射換熱背離了實際傳熱過程而導致不正確的溫度分布所致。由圖5和圖6還可以看出,當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。在太陽能煙囪發電系統中,由于通過集熱棚頂的熱量損失遠遠大于通過地面的熱量損失而忽略輻射換熱,使得集熱棚頂的熱量損失會被大大低估,從而導致集熱棚效率的預測值偏高。

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增強,系統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,當渦輪壓降恒定時,隨著太陽輻射強度的增加,系統的入射能量增加,氣流速度和溫升均顯著增大。

當太陽輻射強度為600W/m2時,改變渦輪壓降可以得到集熱棚內的熱損失,如圖9所示。由圖9可以看到,不論何種壓降,通過集熱棚頂的熱損失總是遠遠大于通過地面的熱損失。當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。這是因為當渦輪壓降增大時,渦輪對氣流的阻礙效應增強,系統流量減小,集熱棚內空氣溫度升高,集熱棚內、外溫差增大,從而導致熱損失增加。因此,集熱棚覆蓋采用雙層玻璃會大大降低集熱棚頂的熱損失,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性能

太陽輻射強度為600W/m2時,改變渦輪壓降后的系統性能如圖10所示。隨著渦輪壓降的增加,系統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,因此系統總效率逐漸上升,在壓降為120Pa時達到最大值。繼續增大渦輪壓降,煙囪產生的抽力部分用來驅動渦輪,但剩余部分并不足以克服系統內的流動損失。

4 結 論

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

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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,博士生導師。

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

時間: 2013-12-19

O121.8;G558

:A

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

網絡出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131219.1121.002.html