太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)理論與技術應用內容簡介

《太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)理論與技術應用》圍繞太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)開展基礎理論和技術應用研究，太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱棚、蓄熱層、風力透平和煙囪四個部件組成?！短柲軣釟饬靼l(fā)電系統(tǒng)理論與技術應用》著重分析系統(tǒng)的熱力學性能及其影響因素、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)境風對系統(tǒng)性能的影響、儲能特性展開數值模擬分析，提出一種將風能發(fā)電和太陽能熱氣流發(fā)電相結合的綜合集成系統(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)的空氣取水技術及實現(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)的經濟性展開分析比較，并對其未來發(fā)展進行分析。

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 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)展預期 6

1.3 現(xiàn)有可再生能源發(fā)電技術 7

1.3.1 風力發(fā)電 7

1.3.2 太陽能光伏發(fā)電 8

1.3.3 太陽能高溫熱發(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 13

1.5 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)實驗系統(tǒng)及商業(yè)電站建設進展 14

1.6 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的理論研究進展 24

1.6.1 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱力學理論 24

1.6.2 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的抽力機制 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 熱氣流透平的設計及其優(yōu)化技術 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)的經濟性與可行性研究 29

1.7 中國關于太陽能熱氣流發(fā)電技術的研究 29

1.8 尚待進一步解決的問題 31

參考文獻 32

第2章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱力學性能 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)實際效率 45

2.3.1 傳熱數學模型 45

2.3.2 流動阻力數學模型 47

2.4 程序可靠性驗證 49

2.4.1 模型驗證程序編制思想 49

2.4.2 西班牙實驗電站數據的計算驗證 49

2.4.3 對現(xiàn)有文獻的預測模型進行計算驗證 51

2.5 系統(tǒng)效率理論分析 52

2.5.1 西班牙實驗電站模型計算結果 52

2.5.2 商業(yè)電站模型計算結果 54

2.6 本章小結 56

參考文獻 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)運行效率 59

3.2.1 理想循環(huán)效率 59

3.2.2 系統(tǒng)運行效率 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 用于計算的參數選擇方法 71

3.4.4 六條因素的大致影響范圍 72

3.5 本章小結 73

參考文獻 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 流動與傳熱特性數學模型 77

4.2.1 數學模型 77

4.2.2 邊界條件 78

4.3 計算結果與分析 81

4.3.1 模型驗證 81

4.3.2 系統(tǒng)流場 82

4.3.3 系統(tǒng)運行特征 86

4.4 煙囪結構的優(yōu)化設計 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模型設計方案 99

4.5.1 設計方案1 99

4.5.2 設計方案2 101

4.6 本章小結 102

參考文獻 103

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

5.1 概述 106

5.2 數學模型 107

5.3 環(huán)境風對西班牙實驗電站的影響 108

5.3.1 物理模型 108

5.3.2 邊界條件 109

5.3.3 數值模擬結果分析 110

5.4 環(huán)境風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 數值模擬結果分析 125

5.5 環(huán)境風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 結果分析 132

5.6 本章小結 140

參考文獻 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 物理數學模型 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 數學模型 149

6.4 計算方法 155

6.5 驗證 156

6.6 計算結果與分析 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 163

參考文獻 163

第7章 風能-太陽能熱氣流綜合集成發(fā)電系統(tǒng) 165

7.1 我國風電特點 165

7.2 我國大規(guī)模風力發(fā)電面臨的問題 165

7.2.1 電網穩(wěn)定性問題 165

7.2.2 風電場可調度性 166

7.3 解決大規(guī)模風電并網的技術途徑 167

7.3.1 互補發(fā)電技術 167

7.3.2 大規(guī)模儲能技術 167

7.4 風能-太陽能熱氣流集成儲能發(fā)電技術 168

7.4.1 方案的提出 168

7.4.2 基本結構組合 169

7.4.3 系統(tǒng)特點 170

7.5 數學物理模型 171

7.5.1 物理模型 171

7.5.2 集熱棚和煙囪內流動與傳熱數學模型 171

7.5.3 蓄熱系統(tǒng)流動與傳熱數學模型 172

7.5.4 定解條件與求解 172

7.6 計算結果與分析 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)計算結果 174

7.6.3 100MW級大規(guī)模綜合發(fā)電系統(tǒng)計算結果 175

7.6.4 400MW級大規(guī)模綜合發(fā)電系統(tǒng)計算結果 177

7.6.5 不同類型風力發(fā)電互補或儲能模式比較 179

7.7 本章小結 180

參考文獻 180

第8章 基于太陽能熱氣流系統(tǒng)的空氣取水技術 182

8.1 空氣取水技術的基本原理 182

8.1.1 空氣取水技術原型 182

8.1.2 空氣取水機理分析 183

8.1.3 環(huán)境和經濟效益分析 185

8.2 模型描述 186

8.2.1 物理模型 186

8.2.2 數學模型 188

8.2.3 模型驗證 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)參數敏感性分析 200

8.4.1 煙囪進氣流速 201

8.4.2 凝結高度 203

8.4.3 凝結水的質量流量 204

8.4.4 風力透平的輸出功率 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 213

參考文獻 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化 219

9.4 太陽能熱氣流系統(tǒng)內質量交換 220

9.5 討論 222

9.6 本章小結 226

參考文獻 226

第10章 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的經濟性分析 229

10.1 概述 229

10.2 成本預測模型 229

10.2.1 系統(tǒng)結構預測模型 229

10.2.2 系統(tǒng)造價模型 229

10.2.3 系統(tǒng)發(fā)電成本模型 230

10.3 計算結果與分析 231

10.3.1 10MW系統(tǒng)計算結果 231

10.3.2 50MW系統(tǒng)計算結果 235

10.4 系統(tǒng)的技術經濟可行性 236

10.4.1 不同類型電站技術經濟性對比 236

10.4.2 不同類型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術對比 237

10.4.3 不同容量系統(tǒng)的技術經濟性對比 238

10.5 本章小結 238

參考文獻 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 249

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

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吸風口，上面安裝風輪，地面空氣集熱器根據溫度效應生產熱空氣，從吸風口吸入煙囪，形成熱氣流，驅動安裝在煙囪內的風輪并帶動發(fā)電機發(fā)電。

太陽能熱氣流發(fā)電站的實際構造由三部分組成：大棚式地面空氣集熱器、煙囪和風力機。太陽能熱氣流發(fā)電站的地面空氣集熱器是一個近地面一定高度、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)境風速、大氣溫度疊層、環(huán)境氣溫及大棚和煙囪的結構質。

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變成熱能，然后通過汽輪機、發(fā)電機來發(fā)電。根據聚焦的形式不同，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，許多面定日鏡根據集熱器類型排列在接收塔的四周或一側，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。投射到集熱器的陽光被吸收轉變成熱能后，便加熱盤管內流動的介質產生蒸汽，蒸汽溫度一般會達到650℃，其中一部分用來帶動汽輪機組發(fā)電，另一部分熱量則被儲存在蓄熱器里，以備沒有陽光時發(fā)電用。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是一種中溫熱力發(fā)電系統(tǒng)。其結構緊湊，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件形式不多，容易實現(xiàn)標準化，適合批量生產。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)和熱電轉換系統(tǒng)，主要由碟式聚光鏡、吸熱器、熱機及輔助設備組成?，F(xiàn)代碟式太陽能熱發(fā)電技術在20世紀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、熱電轉換三個子系統(tǒng)。太陽能集熱子系統(tǒng)實時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)進入熱電轉換子系統(tǒng)，最終完成太陽能到電能的轉化。 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部分。聚光器將太陽光聚集于光斑處實現(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個聚光單元組成，每一個聚光單元為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片鏡子獨立形成一個直徑10 cm左右的光斑。再將144個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，設計聚光比約700:1,預計集熱能力9 kW左右 。

太陽跟蹤控制采用雙軸方式，利用一個電機按太陽方位角來控制集熱器水平位置，再利用另一個電機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調節(jié)的方法，即通過天體幾何學大致確定出任意時刻集熱器所在經緯度的太陽方位.