辅助加热气体焓值与太阳能热气流发电系统烟囱特性的数值模拟

内蒙古科技大学 能源与环境学院 ■ 陈俊俊 郭天明 庞赟佶 陈义胜 牛永红 王晓彤

0 引言

随着对石化资源依赖的不断加深及环境保护意识的不断加强，清洁能源的开发和利用越来越受到认同和关注。1978年德国人Schlaich J首先提出了太阳能热气流发电技术，1981年西班牙的Manzanares建造了第一座实验电站，1983年Haafw等以西班牙原型实验电站为依据进行了基础研究，验证了太阳能热气流发电系统的可行性，为理论分析和数值模拟提供了经典依据[1-2]。太阳能热气流发电技术是利用太阳能将集热棚内的空气加热，然后汇聚到集热棚中心，并沿着烟囱流道上升，进而使烟囱底部产生较大动能推动涡轮机组做功发电。目前，这项技术未被广泛应用，主要是因为其发电效率低于1%，集热棚占地面积过大，烟囱高度过高，从而造成其初期投资成本过高，如30 MW的电站需建造750 m高的烟囱[3]。文献[4]针对太阳能热气流发电系统，研究了二次辅助加热和烟囱高度的变化关系，得出了在烟囱内部对上升气流进行二次辅助加热，可增大气体内能，增加气流速度，在保证发电机组正常运行的情况下，可降低烟囱高度的结论。

本文基于内蒙古乌海金沙沙漠地区的200 kW太阳能热气流发电站课题研究，探讨了辅助加热气体的焓值变化对烟囱特性的影响。

1 系统模型的建立

1.1 模型的结构参数

图1 辅助加热式太阳能热气流发电系统的物理模型

采用200 kW太阳能热气流发电站项目的结构数据进行建模[5](如图1所示)，集热棚采用圆形布置，其半径为80 m，入口高度为4 m，坡度为0.05°；烟囱直径18 m，高度为100 m；辅助加热部件位于距地面高45 m处[4]，矩形加热口，每个面积为1.57 m2，在同一高度均匀对称分布4个。

1.2 模型假设

1)为简化模型，不考虑系统内部设备对空气流动的影响。

2)将蓄热层吸收的太阳辐射能简化为蓄热层上表面的恒定温度。

3)空气密度变化采用Boussinesq近似模型。

4)烟囱壁面和集热棚壁面为绝热壁面。

5)系统内部的流动过程为稳态、常物性。

1.3 边界条件

三维模型如图1所示，计算区域的边界包括压力入口条件、压力出口条件、无滑移的壁面边界条件，辅助加热部件采用速度进口边界条件。蓄热层上表面温度为350 K，周围环境温度为300 K。集热棚入口及烟囱出口的相对压强为0 Pa。

2 数值模拟

2.1 网格划分

辅助加热式太阳能热气流发电系统整体采用三维模型进行网格划分，将模型分为3个区域，分别进行网格划分，网格总数约为72万个，以得到较高的网格质量，如图2所示。其中烟囱区域和集热棚区域，网格采用六面体网格元素划分为结构型网格，如图3所示。烟囱与集热棚的连接区域，网格采用四面体元素划分为非结构型网格，以达到把主要区域连接在一起的目的，如图4所示。集热棚底部利用边界层网格进行划分，目的是在边界附近产生高质量的网格单元，用于捕捉边界附近的热交换现象。

图2 辅助加热式太阳能热气流发电系统整体网格划分

图3 烟囱和辅助加热部位的网格划分

图4 烟囱和集热棚连接部位的网格划分

2.2 模型参数

Fluent软件的计算模拟参数选用3D形式，基于压力的稳态计算模型。方程闭合选用k-ε标准湍流双方程模型，并考虑浮升力的影响，壁面处理采用标准壁面函数法。压力-速度的耦合采用SIMPLE算法，动量方程、能量方程及其他方程的扩散-对流项，均采用二阶迎风格式[5-7]。

空气密度变化采用Boussinesq近似模型，除动量方程中的浮力项外，这种模型在其他需求解的方程中，密度视为常数。其动量方程中浮力项的处理，选用密度ρ与体积膨胀系数β，其表达式为：

式中：ρ0为流体的密度(常数)；T为系统内气流温度；T0为操作(周围环境)温度；g为当地的重力加速度。

3 计算结果分析

模拟计算结果及辅助加热烟囱底部气流平均速度随各参数变化情况见表1。

图5为烟囱底部气流平均速度随辅助加热气体的进气量变化情况。由图5可知，烟囱底部气流平均速度随辅助加热气体的进气量的增加而增大，同时随进气流温度的增加而增大，并且其辅助加热的速度明显比无辅助加热时的速度增加了很多。速度的增加幅度变缓；焓值小于7×104kJ/s时，速度的增加幅度较大，所以进入烟囱内部的气体焓值应小于这一拐点，则烟囱底部的速度增加会比较明显。这种曲线关系，对研究烟囱底部平均速度的变化情况，具有工程实际意义。

表1 辅助加热烟囱底部气流平均速度随各参数变化情况

图5 烟囱底部气流平均速度随辅助加热气体的进气量变化曲线

图6 烟囱底部相对速度增加的百分比随辅助加热气体的焓值的变化曲线

图6为烟囱底部辅助加热相对于无辅助加热平均速度增加的百分比随辅助加热气体焓值的变化情况。由图6可知，当把辅助加热气体的温度、相应温度的比热和气体的进气量相乘组合成一个变量焓时，则辅助加热气体的唯一变量的焓值变化，可更好地分析其对烟囱底部速度场的影响。所以随着辅助加热气体焓值的增大，在不同温度下，烟囱底部相对平均速度增加的百分比近似重叠成一条曲线。且当辅助加热气体的焓值约为7×104kJ/s时，出现拐点。焓值大于7×104kJ/s时，

图7为辅助加热焓值与烟囱底部动能的比值随辅助加热气体的进气量的变化情况。由图7可见，随着辅助加热气体进气量的增加，辅助加热焓值与烟囱底部动能的比值随之增大，且在一定温度下，随着进气量的增加，曲线由线性增加变成趋于一个固定常数。

图7 辅助加热焓值与烟囱底部动能的比值随辅助加热气体的进气量变化曲线

图8 辅助加热焓值与烟囱底部动能的比值随辅助加热气体的焓值的变化曲线

图8是辅助加热焓值与烟囱底部动能的比值随辅助加热气体焓值的变化情况。由图8可知，辅助加热焓值与烟囱底部动能的比值随着辅助加热气体的焓值变化近似重叠成一条曲线关系，且当辅助加热气体的焓值约为4×104kJ/s时，出现拐点。焓值大于4×104kJ/s时，比值增加的幅度变缓；焓值小于4×104kJ/s时，比值增加的幅度较大。结合图9烟囱底部的动能随辅助加热气体的焓值变化情况，由此可知，随着辅助加热气体焓值的增大，烟囱底部的动能也成线性关系的趋势随之增大。但是，由于这一比值是低品位能量的输入与高品位能量的输出的关系，因此为了有效利用能源，辅助加热的焓值不能无限增大，当焓值达到约4×104kJ/s时，辅助加热焓值与烟囱底部动能的比值趋于一个固定常数，则再增加相同单位的焓值，动能的增加量不再增加。所以，辅助加热焓值的最优区间约为40×103kJ/s，最能有效利用系统中的能源。

图9 烟囱底部的动能随辅助加热气体的焓值的变化曲线

4 结论

综上所述，可得出以下结论：1) 在烟囱高度不变的情况和辅助加热的方式下，辅助加热气体焓值的变化对烟囱内的速度场有一定影响。当辅助加热气体的组合焓值为6×104～8×104kJ/s时，烟囱底部平均速度比无辅助加热时增大了60%～73%，所以提高了烟囱的抽吸能力。2) 辅助加热气体的焓值有一个最优区间，可使烟囱底部动能的增加达到一个最优值。当辅助加热的焓值超过最优点时，焓与动能的比值趋于一个固定的常数，继续增加辅助气体的焓值对系统动能的增加没有明显的效果，所以辅助加热焓值的最优区间约为4×104kJ/s。3) 组合焓值的分析对于辅助加热气体温度和进气量的确定提供了参考，对工程实践具有指导意义。

[1] Richards R. Spanish Solar Chimney Nears Completion[J].MPS Rcvicw，1981(6)： 21 － 23.

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