新型風光互補發電模式研究

孔昭杰, 黃遠東

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

新型風光互補發電模式研究

孔昭杰, 黃遠東

(上海理工大學環境與建筑學院,上海 200093)

提出了以聚光鏡加熱空氣使之對流并通過傘狀透光材料整流為水平方向的風力,生成的熱風和自然風聯合推動普通風力發電機發電的新型模式.通過建立量綱分析模型,揭示了各個變量間的關系.以直徑1.5 m聚光鏡進行造風實驗,測得了同一熱源下不同高度處的風速波動和溫度差的變化、同一高度差0.7 m處不同熱源強度下的風速波動與溫度差的變化、測點相同溫度差25℃下不同位置處風速波動和風速隨高度變化的幅度與溫度差的關系.運用方差齊次性檢驗和方差分析,比較了各組數據的顯著性差異,證明了該新型發電模式的可行性.

量綱分析;聚光鏡;風力;方差分析

德國Schlaich等[1]1978年首先提出了建造太陽能煙囪電廠SCPP的設想.1981年,德國和西班牙合作在西班牙Manzanares建造了第一座SC示范電廠[2].該發電系統主要由集熱棚、渦輪機、煙囪和蓄熱層4個部件組成,其中由透光集熱棚集中太陽熱量,加熱空氣,推動渦輪機發電[3].

在此種模式的啟發下,想到是否能改進一下和普通風力發電方式結合起來.因為普通風力發電塔受自然風作用轉速普遍不快,產生能量的效率也很低.所以改進風力發電塔,使其轉速加快是一個重要課題.

改進方案是構造拋物聚光器,或者以定日鏡技術組成聚光陣列,如圖1所示.在陽光的直射下,光能被集中于一個焦點,形成一個巨大的溫室,使周圍空氣迅速加熱而上升,并與自然風一起聯合推動風力發電機發電,形成某種意義上的風光互補.當然,自然風與生成熱氣流夾角為90°,風力發電機葉片無法接受自下而上的氣流推動,所以通過傘狀透光材料整流,使熱空氣變為水平風.且熱空氣進入透光材料也避免了外部氣流的干擾,倒漏斗型使得下部空氣能補充充足.

圖1 發電模式示意圖Fig.1 Schematic diagram of power generation mode

由于沒有建造大型裝置的條件,仿效一些研究者通過小型裝置進行模擬實驗[4-6].使用直徑1.5 m的拋物聚光器,不使用整流設備的情況下測量數據,研究不同太陽輻射能量、測量點不同高度位置、測量點不同溫度等因素對造風效果的影響關系,建立數學模型,對于未來大規模普及提供了理論支持.本項目突破了原有風光互補(太陽能電池與風力發電結合)的方法,利用太陽熱能轉換風能,再轉為電能的方式,并且與普通風力發電相結合,更為環保,大大降低成本.本設計在國內外均無研究先例,相關資料較少,所以具有較強的研究價值.

1 模型的建立與數據分析

1.1 量綱分析

對于本問題,采用E為焦斑能量,J;t為測點空氣溫度與環境溫度差,℃;r為離焦斑高度距離,m; P為大氣壓強,Pa;ρ為空氣密度,kg·m-3;v為熱氣體速度,m·s-1.建立量綱分析模型[7],從而確定它們之間的關系.設基本量綱為長度L,質量M,時間T,溫度的量綱?,則

齊次方程AY=0有6-4=2個基本解,為Y1= (3,0,-1,0,1,0)T,Y2=(3/2,0,-1/2,1/2,0,1)T

根據量綱分析的Bucking-ham Pi定理,由這2個基本解可以得到2個無量綱量

1.2 同一熱源能量下的v,r,t的關系

實驗測得數據繪制如圖2所示,4條曲線呈較明顯的分層.因為所測得每組數據的氣流隨機誤差波動服從正態分布,Matlab軟件作方差齊次性檢驗通過后,可以用方差分析法得到4組數據是否具有顯著性差異[7-8].方差分析得失誤概率p=4.582 06× 10-13＜0.01極小,說明r變化對v的差異極顯著.隨著r的增大,則t減小,v減小.距離熱源越近則溫度越高,風速越大,這與我們的普遍認識相一致.

1.3 相同r值,不同熱源下t與v的關系

圖2 同一熱源下不同高度處的風速波動和箱形圖Fig.2 Variation of wind speed fluctuations and box-plot along with the height under the same heat source

實驗測得數據如圖3所示,4條曲線呈較明顯的分層.方差齊次性檢驗通過后,方差分析得到失誤概率極小,p=1.126 05×10-5＜0.01,t對v影響極其顯著.隨著t的增大則v增大,這與我們的普遍認識相一致.

1.4 相同溫度差時r與v的關系

實驗測得數據如圖4所示,4條曲線呈較明顯的分層.方差齊次性檢驗通過后,用方差分析得到失誤概率極小,p=5.2951×10-9＜0.01,r對v影響極其顯著.當測點溫度差t相同時,此處高度r越大,則風速也越大.這是一個有趣的現象,分析原因,熱源能量E越強,對周圍整體空氣的影響越強,使得處在相同的溫差下,該處位置越高,下部空氣流動量越大,從而整體風速越大.

1.5 v隨r的變化幅度與t的關系

圖5(見下頁)為不同溫差下,風速隨高度的變化關系.圖5(a)中兩組數據經方差齊次性檢驗值為0.964 9＞0.05,說明方差齊次.后用方差分析得到失誤概率p=0.307＞0.05,數據差異不顯著.

圖5(c)中兩組數據經方差齊次性檢驗值為0.832＞0.05,說明方差齊次.后用方差分析得到失誤概率p=4.133 34×10-6極小,兩組數據差異極其顯著.

圖3 同一高度差0.7 m處不同熱源強度下的風速波動和箱形圖Fig.3 Variation of wind speed fluctuations and boxplot under diffrent heat source at r=0.7 m

圖4 測點相同溫度差25℃下不同位置處風速波動和箱形圖Fig.4 Variation of wind speed fluctuations and box-plot along with the height difference at t=25℃

圖5 風速隨高度變化的幅度與溫度差的關系Fig.5 The relation between the range of wind speed changing with the height and the temperature difference

圖5(a)折線分層明顯弱于圖5(c),比較兩者p值大小也得到同樣結果.說明溫差t越大,高度r對風速v的影響越顯著.

2 結束語

綜上所述,此新型風光互補發電模式在造風方面具有較強的可行性,可以進行小規模的普及實驗.

[1] Schlaich J,Mayer G,Haff W.Auf wind kraft werke-die demon stration sanlage in Manzanares,Spanien[C]∥Proceedings of the National Conference on Power Transmission.Hamburg,1980:97-112.

[2] Robert R.Spanish solar chimney nears completion[J]. MPS Review,1981,6:21-23.

[3] 左潞,鄭源,周建華.太陽能煙囪發電技術研究進展[J].河海大學學報(自然科學版),2009,37(1):41 -47.

[4] 張華,張靜敏,黃惠蘭,等.太陽能熱風發電系統的空氣集熱器試驗裝置的研制[J].上海理工大學學報,2007, 29(4):383-385.

[5] 周新平,楊家寬,肖波.太陽能塔囪發電試驗裝置內流場的CFD模擬研究[J].熱力發電,2006,35(3):23 -27.

[6] 范振河,劉發英.太陽能煙囪發電系統的CFD模擬研究[J].可再生能源,2009,27(4):7-9.

[7] 韓中庚.數學建模方法及其應用[M].北京:高等教育出版社,2005.

[8] 何正風.Matlab在數學方面的應用[M].北京:清華大學出版社,2012.

(編輯:董 偉)

A New Type of Wind/Solar Hybrid Power Generation Mode

KONGZhaojie, HUANGYuandong
(School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

A new power generation mode was proposed,where the air was heated by a collecting mirror,gathered by umbrellalike transparent material and combined with the natural wind to drive a wind turbine so as to generate electricity.The relationships among variables affecting power generation were revealed by a dimensional analysis approach.Furthermore,the variation of wind speed fluctuations and temperature difference along with the height under one and the same heat source;the variation of wind speed fluctuations and temperature difference under different heat sources when the height difference was 0.7 m;the variation of wind speed fluctuations along with the height difference when the temperature difference was 25℃;and the relation between the range of wind speed changing with the height and the temperature difference.The relations among variables affecting power generation were analyzed using the experimental data by the test of variancec homogeneity and variance analysis.This new type of power generation mode was proved to be feasible in the study.

dimensional analysis;collecting mirror;wind power;variance analysis

TK 514

A

1007-6735(2015)01-0099-04

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.017

2013-10-25

上海市大學生創新基金資助項目(SH1110252105)

孔昭杰(1993-),男,本科生.研究方向:環境工程專業.E-mail:1109097144@qq.com

黃遠東(1965-),男,教授.研究方向:大氣污染控制.E-mail:huangyd@usst.edu.cn