煙囪陰影下風力增壓式太陽能煙囪電站性能探究

左潞，戴鵬展，李闖，丁玲，顏子陽，許波峰

（河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100）

0 引言

西班牙曼薩納雷斯太陽煙囪電站（SCPP）是世界首座SCPP試驗商用電站，也是進行SCPP及綜合太陽煙囪電站系統理論分析和數值計算的重要對比和驗證案例[1]～[6]。文獻[7]，[8]提出的風力增壓型太陽能煙囪發電系統（WSSCPP），顯著改善系統內外氣流壓差，提高系統性能，但其煙囪陰影負面效應更加明顯。為了提高預測實際SCPP性能的準確性，系統性能評估模型應考慮煙囪陰影和太陽高度角度的影響[9]。本文對0～30°太陽入射角度下的SCPP和WSSCPP進行三維數值模擬，綜合考慮增壓裝置的負壓增效以及該部分高度所增加的陰影負面影響，對不同入射角度下的集熱棚溫度場進行比較，探討太陽入射角度對系統性能的影響。

1 計算模型

1.1 物理模型

圖1為WSSCPP物理模型。為減少阻力損失，集熱棚和煙囪的連接段采用鐘形流道過渡設計。WSSCPP的設計尺寸基于西班牙原型電站的幾何尺寸，煙囪高度為194.6 m，煙囪半徑為5.18 m，集熱棚半徑為122 m，集熱棚入口高度為1.85 m，蓄熱層厚度為5 m。

圖1 WSSCPP模型圖Fig.1 Diagram of the WSSCPP

1.2 計算模型

太陽能煙囪電站系統數值模擬模型中采用以下假設:①系統內氣體為連續且不可壓縮的牛頓流體；②熱氣流的流動為三維穩態流動；③空氣密度變化采用Boussinesq假定近似，空氣密度ρ的計算表達式為

式中:ρ0為環境空氣密度；g為重力加速度；β為熱膨脹系數，一般取1/T0；T為空氣溫度；T0為環境溫度。

在ICEM CFD軟件中分別對集熱棚、蓄熱層、煙囪及渦輪機計算域進行網格劃分。除渦輪機區域采用非結構化網格外，其余部分均采用結構化網格。收縮流道段氣流的速度、壓力和溫度的變化梯度較大，故對該計算區域的網格進行局部加密。以系統質量流量和集熱棚氣流溫升作為評判依據，網格總數達546.6萬，滿足網格無關性要求。

數值模擬求解器為ANSYS Fluent軟件。湍流模型采用標準k-ε湍流模型，開啟Discrete Ordinates（DO）輻射模型和太陽加載模型Solar Ray Tracing，自定義輻照強度和入射矢量方向。針對太陽光線加載模型，本文假設太陽光線為一束平行光，定義入射光線與+Z方向的夾角為太陽入射角θ，如圖2所示。數值仿真中，將煙囪旋轉軸定義為Z軸，其與地面的交點定義為原點，煙囪右側為+X軸方向，左側為-X軸方向，入射光線從-X方向入射。對于WSSCPP，應考慮煙囪頂部風力增壓輪的高度（15 m），實際煙囪高度值為209.6 m。

圖2 太陽光入射示意Fig.2 The incidence of the solar rays

太陽輻照度、環境溫度的取值參考西班牙SCPP原型典型運行工況，大小分別為850 W/m2和298.15 K。根據Boussinesq假設，在操作環境添加-Z方向的重力項，并將操作溫度設置為環境溫度。集熱棚入口、煙囪出口均采用壓力邊界條件，蓄熱層底部和四周設為恒溫邊界，溫度為298.15 K，集熱棚表面設為半透明壁面，類型為mixed邊界，渦輪機區域采用多重參考坐標系（MRF）模型。數值模型中的邊界條件設置如表1所示。

表1 邊界條件設置Table 1 Boundary conditions

式中:Cp為比熱容；ΔT為集熱棚氣流溫升；r為集熱棚半徑；G為太陽輻照強度。

2 結果分析

2.1 合理性驗證

根據西班牙SCPP原型實測數據[1]，在太陽輻照度為850 W/m2，環境溫度為25℃，環境風速為2.5 m/s的條件下，當渦輪機轉速為100 r/min，集熱棚內氣流溫升17.5 K，煙囪出口流速為8.8 m/s時，渦輪機實際輸出功率為37 kW。表2為本文模擬結果與西班牙原型試驗數據的對比，主要性能參數的誤差最大為7.9%，滿足合理性要求，證明了基礎SCPP數值模擬方法的科學性和可靠性。數值模擬得到的渦輪機軸功率略微高于實際渦輪機輸出功率，分析原因在于，本文采用的鐘形流道過渡段有效減小了氣流流動損失，從而使得熱氣流功率略微高于實際情況，最終導致渦輪機軸功率略有提高。

表2 模擬結果驗證Table 2 Validation of simulation results

2.2 流場特性分析

考慮DO輻射模型后，模擬結果中SCPP蓄熱層表面中心溫度最高為345 K，與文獻[9]一致，間接說明本文數值模擬的可靠性。

圖3為投射到集熱棚表面的太陽能熱流密度。由圖可知，一旦入射角度大于0°，部分光線便會被不透明煙囪壁遮擋，在集熱棚區域形成陰影區。隨著入射角增大，煙囪在集熱棚區域的投影面積越來越大，該區域集熱棚和蓄熱層表面所吸收到的太陽輻射能遠小于四周。計算結果表明，蓄熱層表面陰影區域吸收的太陽輻照度最小值僅約40 W/m2。

圖3 不同入射角度下集熱棚表面太陽能熱流密度分布Fig.3 Solar heat flux distributions on the collector roof at different incident angles

圖4為25°入射角下WSSCPP集熱棚表面、蓄熱層表面和Z=1平面熱氣流的溫度分布。遮擋所形成的陰影直接導致該區域溫度突然下降，處于陰影區域的溫度明顯低于四周。這種差異在蓄熱層表面最為明顯，蓄熱層表面最低溫度僅為292.89 K，而最高溫度可達344.4 K。在25°入射角下，+X方向仍存在區域未受陰影遮擋，因而入口處所吸收的太陽輻照度以及溫度分布仍較為均衡，相對對稱。氣流進入集熱棚后，在外圍區域受到蓄熱層表面和集熱棚蓋板對其的對流換熱，溫度升高，密度下降，同時在煙囪抽力作用下向集熱棚中心流動；位于陰影區域的氣流溫度高于蓄熱層、集熱棚表面，熱氣流反向對蓄熱層表面、集熱棚表面傳遞熱量，導致陰影區域氣流溫度的降低。隨著四周未受陰影遮擋區域氣流溫度的不斷升高，在近集熱棚中心區域呈現出較為明顯的溫度分布差異。

圖4 25°入射角下WSSCPP溫度分布圖Fig.4 Temperature distributions in WSSCPP at a incident angle of 25°

圖5顯示了SCPP-0°，SCPP-25°和WSSCPP-25°集熱棚區域的中截面溫度分布。

圖5 集熱棚中截面溫度分布(Y=0)Fig.5 Temperature distributions of the collector（Y=0）

入射角大于0°時，集熱棚內部溫度場分布不再均勻對稱。對比圖5（a）和（b），系統入口處集熱棚表面、蓄熱層表面以及熱氣流溫度分布差異不大，直至進入陰影區差異越來越明顯。陰影區域內熱氣流需反向對集熱棚表面、蓄熱層表面進行加熱，造成氣流熱量損失，導致+X方向陰影區域氣流溫度低于-X未受影響區域，造成集熱棚出口氣流溫度周向分布的不均衡。同時，集熱棚內存在冷熱氣流摻混，使得系統內部氣流溫度總體下降。對比圖5（b）和（c），頂部加裝增壓裝置后，同樣的入射角度下，WSSCPP系統所形成的陰影區域更大。在頂部負壓的抽吸作用下，系統氣流流速加快，縮短了氣流在集熱棚內的受熱時間，因而WSSCPP集熱棚內氣流溫升相比SCPP要小。

2.3 入射角度對系統性能的影響

圖6為集熱棚效率和渦輪機效率隨太陽入射角度的變化曲線。

圖6 集熱棚效率和渦輪機效率隨入射角度變化曲線Fig.6 Collector efficiency and turbine efficiency at different incident angles

由圖6可知，隨著入射角度的增加，集熱棚效率明顯下降，渦輪機效率的變化則相對較為平緩。煙囪在集熱棚區域的投影面積隨著入射角的增加不斷增大，一方面由于遮擋效應減少了透過集熱棚表面的太陽輻射能，蓄熱層有效吸收的太陽輻射能下降；另一方面蓄熱層表面低溫區域變大，使得熱氣流向蓄熱層換熱損失熱量更多，氣流溫度下降明顯，加劇了集熱棚內氣流溫度分布的不均衡，進一步降低了集熱棚熱效率。

對比WSSCPP和SCPP相關曲線可以發現，不同入射角度下，WSSCPP的集熱棚效率均小于SCPP。由于頂部增壓裝置的存在，相同入射角度下，WSSCPP中煙囪的投影面積更大，在煙囪出口負壓的作用下，WSSCPP中系統內外壓差增大，整體氣流流速大于SCPP，氣流在集熱棚內加熱時間縮小，同時陰影區域氣流與蓄熱層表面的對流換熱加劇，熱量損失增大，導致集熱棚效率下降。

圖7為WSSCPP和SCPP渦輪機軸功率隨入射角度的變化曲線。由圖可知，隨著入射角度的增加，SCPP和WSSCPP的渦輪機軸功率均不斷下降。30°入射角下的SCPP和WSSCPP渦輪機輸出功率相比0°入射角下分別下降了8.75 kW和7.61 kW。根據上文分析，入射角度的增加使得集熱棚效率下降，集熱棚氣流溫升減小，系統內外壓差減小，渦輪機可用壓降也隨之減小，導致輸出軸功率下降。此外，在WSSCPP中，風力增壓裝置在煙囪出口形成的負壓加速了氣流向集熱棚中心的匯聚，削弱了陰影所造成的氣流摻混等不利影響，因而其渦輪機軸功率的變化幅度相對SCPP的較為平緩。

圖7 WSSCPP和SCPP渦輪機軸功率隨入射角度變化曲線Fig.7 Turbine shaft power of SCPP and WSSCPP at different incident angles

3 結論

太陽能煙囪電站在實際運行過程中，受太陽高度角和煙囪的影響，會在集熱棚區域形成陰影區，產生陰影負面效應。本文基于西班牙原型太陽能煙囪電站建立三維數值模型，采用太陽射線追蹤法加載太陽輻射，探究煙囪陰影下SCPP和WSSCPP的流場特性和太陽光線入射角對SCPP和WSSCPP性能的影響。

研究結果表明，當光線以一定角度入射時，煙囪將會在集熱棚區域形成陰影區，陰影區蓄熱層表面、集熱棚表面溫度突降，導致熱氣流與蓄熱層表面、集熱棚表面進行對流換熱，造成熱量損失。隨著太陽入射角度的增加，系統軸功率和集熱棚效率均明顯下降。30°入射角下的SCPP和WSSCPP渦輪機輸出功率相比0°入射角下分別下降了8.75 kW和7.61 kW。風力增壓裝置在煙囪出口形成的負壓加速了氣流向集熱棚中心的匯聚，可削弱陰影所造成的氣流摻混等不利影響，因而WSSCPP渦輪機軸功率的變化幅度相對SCPP的較為平緩。