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(xué)能源與電氣學(xué)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(tǒng)理論分析和數(shù)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(fā)電系統(tǒng)（WSSCPP），顯著改善系統(tǒng)內(nèi)外氣流壓差，提高系統(tǒng)性能，但其煙囪陰影負面效應(yīng)更加明顯。為了提高預(yù)測實際SCPP性能的準確性，系統(tǒng)性能評估模型應(yīng)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(shù)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(tǒng)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(shè)計。WSSCPP的設(shè)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(tǒng)數(shù)值模擬模型中采用以下假設(shè):①系統(tǒng)內(nèi)氣體為連續(xù)且不可壓縮的牛頓流體；②熱氣流的流動為三維穩(wěn)態(tài)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(huán)境空氣密度；g為重力加速度；β為熱膨脹系數(shù)，一般取1/T0；T為空氣溫度；T0為環(huán)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(wǎng)格劃分。除渦輪機區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格外，其余部分均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)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(qū)域的網(wǎng)格進行局部加密。以系統(tǒng)質(zhì)量流量和集熱棚氣流溫升作為評判依據(jù)，網(wǎng)格總數(shù)達546.6萬，滿足網(wǎng)格無關(guān)性要求。

數(shù)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(shè)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(shù)值仿真中，將煙囪旋轉(zhuǎn)軸定義為Z軸，其與地面的交點定義為原點，煙囪右側(cè)為+X軸方向，左側(cè)為-X軸方向，入射光線從-X方向入射。對于WSSCPP，應(yīng)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(huán)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(jù)Boussinesq假設(shè)，在操作環(huán)境添加-Z方向的重力項，并將操作溫度設(shè)置為環(huán)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(shè)為恒溫邊界，溫度為298.15 K，集熱棚表面設(shè)為半透明壁面，類型為mixed邊界，渦輪機區(qū)域采用多重參考坐標系（MRF）模型。數(shù)值模型中的邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)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(jié)果分析

2.1 合理性驗證

根據(jù)西班牙SCPP原型實測數(shù)據(jù)[1]，在太陽輻照度為850 W/m2，環(huán)境溫度為25℃，環(huán)境風速為2.5 m/s的條件下，當渦輪機轉(zhuǎn)速為100 r/min，集熱棚內(nèi)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(jié)果與西班牙原型試驗數(shù)據(jù)的對比，主要性能參數(shù)的誤差最大為7.9%，滿足合理性要求，證明了基礎(chǔ)SCPP數(shù)值模擬方法的科學(xué)性和可靠性。數(shù)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(dǎo)致渦輪機軸功率略有提高。

表2 模擬結(jié)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(jié)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(shù)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(qū)域形成陰影區(qū)。隨著入射角增大，煙囪在集熱棚區(qū)域的投影面積越來越大，該區(qū)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(jié)果表明，蓄熱層表面陰影區(qū)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(dǎo)致該區(qū)域溫度突然下降，處于陰影區(qū)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(qū)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(qū)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(qū)域的氣流溫度高于蓄熱層、集熱棚表面，熱氣流反向?qū)π顭釋颖砻?、集熱棚表面?zhèn)鬟f熱量，導(dǎo)致陰影區(qū)域氣流溫度的降低。隨著四周未受陰影遮擋區(qū)域氣流溫度的不斷升高，在近集熱棚中心區(qū)域呈現(xiàn)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(qū)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(nèi)部溫度場分布不再均勻?qū)ΨQ。對比圖5（a）和（b），系統(tǒng)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(qū)差異越來越明顯。陰影區(qū)域內(nèi)熱氣流需反向?qū)療崤锉砻?、蓄熱層表面進行加熱，造成氣流熱量損失，導(dǎo)致+X方向陰影區(qū)域氣流溫度低于-X未受影響區(qū)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(nèi)存在冷熱氣流摻混，使得系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)所形成的陰影區(qū)域更大。在頂部負壓的抽吸作用下，系統(tǒng)氣流流速加快，縮短了氣流在集熱棚內(nèi)的受熱時間，因而WSSCPP集熱棚內(nèi)氣流溫升相比SCPP要小。

2.3 入射角度對系統(tǒng)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(qū)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(yīng)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(qū)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(nèi)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(guān)曲線可以發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)內(nèi)外壓差增大，整體氣流流速大于SCPP，氣流在集熱棚內(nèi)加熱時間縮小，同時陰影區(qū)域氣流與蓄熱層表面的對流換熱加劇，熱量損失增大，導(dǎo)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(jù)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(tǒng)內(nèi)外壓差減小，渦輪機可用壓降也隨之減小，導(dǎo)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(jié)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(qū)域形成陰影區(qū)，產(chǎn)生陰影負面效應(yīng)。本文基于西班牙原型太陽能煙囪電站建立三維數(shù)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(jié)果表明，當光線以一定角度入射時，煙囪將會在集熱棚區(qū)域形成陰影區(qū)，陰影區(qū)蓄熱層表面、集熱棚表面溫度突降，導(dǎo)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(tǒng)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。