太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)理論與技術(shù)應(yīng)用

序

前言

第1章 緒論 1

1.1 能源、環(huán)境與氣候變化問題 1

1.1.1 世界能源形勢 1

1.1.2 中國的能源形勢和挑戰(zhàn) 3

1.2 我國可再生能源的現(xiàn)狀與發(fā)展 4

1.2.1 我國可再生能源資源和特點(diǎn) 4

1.2.2 非水能可再生能源發(fā)電現(xiàn)狀 5

1.2.3 我國可再生能源發(fā)展預(yù)期 6

1.3 現(xiàn)有可再生能源發(fā)電技術(shù) 7

1.3.1 風(fēng)力發(fā)電 7

1.3.2 太陽能光伏發(fā)電 8

1.3.3 太陽能高溫?zé)岚l(fā)電 9

1.4 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)簡介 11

1.4.1 系統(tǒng)原理 11

1.4.2 系統(tǒng)的特點(diǎn) 13

1.5 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及商業(yè)電站建設(shè)進(jìn)展 14

1.6 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的理論研究進(jìn)展 24

1.6.1 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)理論 24

1.6.2 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的抽力機(jī)制 25

1.6.3 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的流動與傳熱理論 25

1.6.4 熱氣流透平的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化技術(shù) 27

1.6.5 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)儲能特性研究 28

1.6.6 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可行性研究 29

1.7 中國關(guān)于太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的研究 29

1.8 尚待進(jìn)一步解決的問題 31

參考文獻(xiàn) 32

第2章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)性能 42

2.1 概述 42

2.2 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)熱力學(xué)分析 42

2.2.1 熱力過程描述 42

2.2.2 系統(tǒng)透平軸功 44

2.3 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)實(shí)際效率 45

2.3.1 傳熱數(shù)學(xué)模型 45

2.3.2 流動阻力數(shù)學(xué)模型 47

2.4 程序可靠性驗(yàn)證 49

2.4.1 模型驗(yàn)證程序編制思想 49

2.4.2 西班牙實(shí)驗(yàn)電站數(shù)據(jù)的計(jì)算驗(yàn)證 49

2.4.3 對現(xiàn)有文獻(xiàn)的預(yù)測模型進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證 51

2.5 系統(tǒng)效率理論分析 52

2.5.1 西班牙實(shí)驗(yàn)電站模型計(jì)算結(jié)果 52

2.5.2 商業(yè)電站模型計(jì)算結(jié)果 54

2.6 本章小結(jié) 56

參考文獻(xiàn) 56

第3章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的效率優(yōu)化 59

3.1 概述 59

3.2 理想循環(huán)效率和系統(tǒng)運(yùn)行效率 59

3.2.1 理想循環(huán)效率 59

3.2.2 系統(tǒng)運(yùn)行效率 63

3.3 提高系統(tǒng)效率的方法 65

3.3.1 透平效率的影響 65

3.3.2 煙囪高度和直徑的影響 66

3.3.3 集熱棚直徑的影響 67

3.3.4 太陽輻射的影響 68

3.3.5 環(huán)境溫度的影響 69

3.4 系統(tǒng)效率的影響因素定量分析 70

3.4.1 影響因素分析 70

3.4.2 發(fā)電功率影響因素分析 71

3.4.3 用于計(jì)算的參數(shù)選擇方法 71

3.4.4 六條因素的大致影響范圍 72

3.5 本章小結(jié) 73

參考文獻(xiàn) 74

第4章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的流動與傳熱特性 76

4.1 概述 76

4.2 流動與傳熱特性數(shù)學(xué)模型 77

4.2.1 數(shù)學(xué)模型 77

4.2.2 邊界條件 78

4.3 計(jì)算結(jié)果與分析 81

4.3.1 模型驗(yàn)證 81

4.3.2 系統(tǒng)流場 82

4.3.3 系統(tǒng)運(yùn)行特征 86

4.4 煙囪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 90

4.4.1 基于相同底部直徑的不同煙囪形狀的影響 90

4.4.2 基于相同表面積的不同煙囪形狀的影響 93

4.4.3 煙囪高徑比的影響 95

4.5 10MW模型設(shè)計(jì)方案 99

4.5.1 設(shè)計(jì)方案1 99

4.5.2 設(shè)計(jì)方案2 101

4.6 本章小結(jié) 102

參考文獻(xiàn) 103

第5章 環(huán)境風(fēng)對太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的影響 106

5.1 概述 106

5.2 數(shù)學(xué)模型 107

5.3 環(huán)境風(fēng)對西班牙實(shí)驗(yàn)電站的影響 108

5.3.1 物理模型 108

5.3.2 邊界條件 109

5.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析 110

5.4 環(huán)境風(fēng)對大型太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的整體影響分析 124

5.4.1 物理模型 124

5.4.2 邊界條件 125

5.4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析 125

5.5 環(huán)境風(fēng)對大型太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)煙囪出口的影響 131

5.5.1 物理模型 131

5.5.2 邊界條件 132

5.5.3 結(jié)果分析 132

5.6 本章小結(jié) 140

參考文獻(xiàn) 141

第6章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的儲能性能 142

6.1 概述 142

6.2 不同蓄熱層的動態(tài)儲熱性能 143

6.2.1 物理數(shù)學(xué)模型 143

6.2.2 蓄熱層的物性對系統(tǒng)的影響 144

6.2.3 空氣流速對蓄熱層性能的影響 145

6.3 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的儲熱性能及其發(fā)電特性 147

6.3.1 物理模型 147

6.3.2 數(shù)學(xué)模型 149

6.4 計(jì)算方法 155

6.5 驗(yàn)證 156

6.6 計(jì)算結(jié)果與分析 157

6.6.1 蓄熱材料對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響 157

6.6.2 水層厚度對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響 158

6.6.3 水層面積對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響 161

6.6.4 水層位置對系統(tǒng)發(fā)電性能的影響 162

6.7 本章小結(jié) 163

參考文獻(xiàn) 163

第7章 風(fēng)能-太陽能熱氣流綜合集成發(fā)電系統(tǒng) 165

7.1 我國風(fēng)電特點(diǎn) 165

7.2 我國大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電面臨的問題 165

7.2.1 電網(wǎng)穩(wěn)定性問題 165

7.2.2 風(fēng)電場可調(diào)度性 166

7.3 解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)的技術(shù)途徑 167

7.3.1 互補(bǔ)發(fā)電技術(shù) 167

7.3.2 大規(guī)模儲能技術(shù) 167

7.4 風(fēng)能-太陽能熱氣流集成儲能發(fā)電技術(shù) 168

7.4.1 方案的提出 168

7.4.2 基本結(jié)構(gòu)組合 169

7.4.3 系統(tǒng)特點(diǎn) 170

7.5 數(shù)學(xué)物理模型 171

7.5.1 物理模型 171

7.5.2 集熱棚和煙囪內(nèi)流動與傳熱數(shù)學(xué)模型 171

7.5.3 蓄熱系統(tǒng)流動與傳熱數(shù)學(xué)模型 172

7.5.4 定解條件與求解 172

7.6 計(jì)算結(jié)果與分析 173

7.6.1 系統(tǒng)出力控制方法 173

7.6.2 10MW級綜合發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果 174

7.6.3 100MW級大規(guī)模綜合發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果 175

7.6.4 400MW級大規(guī)模綜合發(fā)電系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果 177

7.6.5 不同類型風(fēng)力發(fā)電互補(bǔ)或儲能模式比較 179

7.7 本章小結(jié) 180

參考文獻(xiàn) 180

第8章 基于太陽能熱氣流系統(tǒng)的空氣取水技術(shù) 182

8.1 空氣取水技術(shù)的基本原理 182

8.1.1 空氣取水技術(shù)原型 182

8.1.2 空氣取水機(jī)理分析 183

8.1.3 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益分析 185

8.2 模型描述 186

8.2.1 物理模型 186

8.2.2 數(shù)學(xué)模型 188

8.2.3 模型驗(yàn)證 192

8.3 空氣取水特性分析 193

8.3.1 可行性分析 193

8.3.2 有效性分析 198

8.4 系統(tǒng)參數(shù)敏感性分析 200

8.4.1 煙囪進(jìn)氣流速 201

8.4.2 凝結(jié)高度 203

8.4.3 凝結(jié)水的質(zhì)量流量 204

8.4.4 風(fēng)力透平的輸出功率 205

8.4.5 水力透平的輸出功率 207

8.4.6 系統(tǒng)總輸出功率 209

8.4.7 系統(tǒng)發(fā)電效率 210

8.5 本章小結(jié) 213

參考文獻(xiàn) 213

第9章 基于太陽能熱氣流系統(tǒng)的溫室氣體大規(guī)模移除 215

9.1 概述 215

9.2 基于太陽能熱氣流系統(tǒng)的溫室氣體大規(guī)模移除性能 215

9.3 大尺度大氣溫室氣體光催化轉(zhuǎn)化 219

9.4 太陽能熱氣流系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量交換 220

9.5 討論 222

9.6 本章小結(jié) 226

參考文獻(xiàn) 226

第10章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析 229

10.1 概述 229

10.2 成本預(yù)測模型 229

10.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)預(yù)測模型 229

10.2.2 系統(tǒng)造價(jià)模型 229

10.2.3 系統(tǒng)發(fā)電成本模型 230

10.3 計(jì)算結(jié)果與分析 231

10.3.1 10MW系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果 231

10.3.2 50MW系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果 235

10.4 系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性 236

10.4.1 不同類型電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比 236

10.4.2 不同類型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)對比 237

10.4.3 不同容量系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比 238

10.5 本章小結(jié) 238

參考文獻(xiàn) 239

第11章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的未來發(fā)展展望 241

11.1 概述 241

11.2 海水淡化 242

11.3 城市污染治理 243

11.4 干旱地區(qū)的下沉氣流能源塔 246

參考文獻(xiàn) 249

附錄 2003～2018年發(fā)表的與本著作相關(guān)的代表性專著與論文 2512100433B

《太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)理論與技術(shù)應(yīng)用》圍繞太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)開展基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用研究，太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱棚、蓄熱層、風(fēng)力透平和煙囪四個(gè)部件組成?！短柲軣釟饬靼l(fā)電系統(tǒng)理論與技術(shù)應(yīng)用》著重分析系統(tǒng)的熱力學(xué)性能及其影響因素、提高效率的方法及特定條件下系統(tǒng)效率的極限，依次對系統(tǒng)的流動與傳熱特性、環(huán)境風(fēng)對系統(tǒng)性能的影響、儲能特性展開數(shù)值模擬分析，提出一種將風(fēng)能發(fā)電和太陽能熱氣流發(fā)電相結(jié)合的綜合集成系統(tǒng)，提出一種在中國干旱、半干旱地區(qū)利用太陽能熱氣流系統(tǒng)的空氣取水技術(shù)及實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體大規(guī)模移除的新方法，對太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性展開分析比較，并對其未來發(fā)展進(jìn)行分析。

太陽能熱氣流發(fā)電的原理是在以大地為吸熱材料的地面大棚式太陽能空氣集熱器中央建造高大的豎直煙囪，煙囪的底部在地面空氣集熱器的透明蓋板下面開設(shè)吸風(fēng)口，上面安裝風(fēng)輪，地面空氣集熱器根據(jù)溫度效應(yīng)生產(chǎn)熱空氣，從吸風(fēng)口吸入煙囪，形成熱氣流，驅(qū)動安裝在煙囪內(nèi)的風(fēng)輪并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

太陽能熱氣流發(fā)電站的實(shí)際構(gòu)造由三部分組成：大棚式地面空氣集熱器、煙囪和風(fēng)力機(jī)。太陽能熱氣流發(fā)電站的地面空氣集熱器是一個(gè)近地面一定高度、罩著透明材料的大棚。陽光透過透明材料直接照射到大地上，大約有50%的太陽輻射能量被土壤所吸收，其中1/3的熱量加熱罩內(nèi)的空氣，1/3的熱量儲于土壤中，1/3的熱量為反射輻射和對流熱損失，所以，大地是太陽能熱氣流電站的蓄熱槽。

研究表明，影響電站運(yùn)行特性的因素有云遮、空氣中的塵埃、集熱器的清潔度、土壤特性、環(huán)境風(fēng)速、大氣溫度疊層、環(huán)境氣溫及大棚和煙囪的結(jié)構(gòu)質(zhì)。

聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用聚焦型太陽能集熱器把太陽能輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，然后通過汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)來發(fā)電。根據(jù)聚焦的形式不同，聚光型太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)主要有塔式、槽式和碟式。

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（SPT）是將集熱器置于接收塔的頂部，許多面定日鏡根據(jù)集熱器類型排列在接收塔的四周或一側(cè)，這些定目鏡自動跟蹤太陽，使反射光能夠精確地投射到集熱器的窗口內(nèi)。投射到集熱器的陽光被吸收轉(zhuǎn)變成熱能后，便加熱盤管內(nèi)流動的介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽溫度一般會達(dá)到650℃，其中一部分用來帶動汽輪機(jī)組發(fā)電，另一部分熱量則被儲存在蓄熱器里，以備沒有陽光時(shí)發(fā)電用。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是一種中溫?zé)崃Πl(fā)電系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)緊湊，太陽能熱輻射收集裝置占地面積比塔式和碟式系統(tǒng)要小30%~50%。槽形拋物面集熱裝置的制造所需的構(gòu)件形式不多，容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，適合批量生產(chǎn)。用于聚焦太陽光的拋物面聚光器加工簡單，制造成本較低，拋物面場每平方米陽光通徑面積僅需11kg~18kg玻璃，耗材最少。

碟式太陽能熱發(fā)電裝置包括碟式聚光集熱系統(tǒng)和熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要由碟式聚光鏡、吸熱器、熱機(jī)及輔助設(shè)備組成?，F(xiàn)代碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在20世紀(jì)70年代末由瑞典USAB等發(fā)起研究。

碟式太陽能行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能集熱、熱交換、熱電轉(zhuǎn)換三個(gè)子系統(tǒng)。太陽能集熱子系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽并將太陽能輻射熱量聚集到熱交換子系統(tǒng)，熱量通過熱交換子系統(tǒng)進(jìn)入熱電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)，最終完成太陽能到電能的轉(zhuǎn)化。 太陽能集熱子系統(tǒng)主要包括聚光器及太陽跟蹤控制兩個(gè)部分。聚光器將太陽光聚集于光斑處實(shí)現(xiàn)高溫和大熱流，通常光斑直徑約為10 cm~20 cm。系統(tǒng)所用聚光器由144個(gè)聚光單元組成，每一個(gè)聚光單元為32 cm x 32 cm大小，由9片10cmx10cm的平面鏡組成。先通過一次成型技術(shù)制作出托架，再將9片鏡子分別粘貼于托架表面，使得9片鏡子獨(dú)立形成一個(gè)直徑10 cm左右的光斑。再將144個(gè)聚光單元的光斑匯集于熱交換子系統(tǒng)。集熱器有效面積約13 m2，設(shè)計(jì)聚光比約700:1,預(yù)計(jì)集熱能力9 kW左右 。

太陽跟蹤控制采用雙軸方式，利用一個(gè)電機(jī)按太陽方位角來控制集熱器水平位置，再利用另一個(gè)電機(jī)按太陽高度角來控制集熱器俯仰角。在跟蹤算法上采用粗定位細(xì)調(diào)節(jié)的方法，即通過天體幾何學(xué)大致確定出任意時(shí)刻集熱器所在經(jīng)緯度的太陽方位.