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太阳能烟囱热和技术分析
太阳能烟囱热和技术分析
文科硕士dosS.Bernardes,A.Voß,G.Weinrebeb
Energiewirtschaft研究所和在斯图加特的RationelleEnergieanwendungen高校,德国斯图加特SchlaichBergermann和合作伙伴Hohenzollernstr。
德国斯图加特1、d-70178收稿日期为2002年9月18日;在2003年8月15日收到修订的形式;2003年8月15日接受。
摘要:
制定太阳能烟囱的分析已经成功,特别是在针对一个全面分析和数值分析的太阳能烟囱模型,它描述了太阳能烟囱的性能,该模型估计的太阳能烟囱的输出功率,以及检查各种环境条件的影响和结构尺寸的输出功率。
从数学模型的结果与实验结果进行了比较,模型被进一步用来预测大型商业太阳能烟囱的性能特征。
结果表明,高的烟囱,在涡轮机的压力下降的因素,直径和收集器的光学性能,这是太阳能烟囱的设计的很重要的参数。
2003年爱思唯尔有限公司保留所有权利。
1:
介绍
一种太阳能烟囱是太阳能发电设备,它使用太阳辐射以增加内部的能量流过该系统的空气,从而将太阳能转换成动能。
通过使用一个合适的涡轮机的电力,从空气中的动能,然后转化。
太阳能烟囱主要包括三个组成部分:
(1)太阳能集热器或温室中,
(2)的烟囱,和(3)的涡轮机(图1)。
集热器,支持地面以上数米,由一个透明的玻璃覆盖。
其主要目标是收集太阳辐射升温的空气质量在里面。
浮力驱动的温暖的空气在收集器的中心,这是位于进入烟囱。
的涡轮机被设置在路径中的气流的动能转换能量转化为电能的流动的空气。
该收集器可以配备一个水存储系统(4),以增加在夜间的功率生产。
太阳能烟囱最初是由教授J.施莱克在1968年的斯图加特。
在1981年开始的在曼萨纳雷斯,西班牙的试点工厂的建设。
一50千瓦实验厂始建生产八年的电力,从而证明了可行性,这种新技术和可靠性。
该烟囱塔是高194.6米,集热器的半径为122米。
它产生一个上风下无负载的条件下15米/秒的速度。
这个烟囱的营运成本是最小的。
基础研究为西班牙系统报告与哈夫等。
(1983),在其中简要讨论了能量平衡,设计标准,和成本分析。
在后来的研究中,哈夫(1984年)在西班牙报道的内置的初步测试结果。
卡斯蒂略(1984)提出了一个新的烟囱设计,一个新的烟囱建筑结构支持一个热气球。
(1987)提出了一个分析获得的太阳能烟囱的整体效率。
Padki和谢里夫的可行性进行了调查,为中到大型的太阳能烟囱在农村电力生产,1989年并网发电地区,1989年。
(1990)研究了从实验数据中的原型的曼萨纳雷斯到大型发电厂转让(5,30和100MW)等。
(1991)报道了一个更全面的在实际的相关性分析模型下用于推导方程组的空气流率,空气流速,输出功率和效率的热流体。
所提出的模型考虑了涡轮机的太阳能烟囱免费的风力涡轮机,在现实中,将风偏转,即使在风力达到转子平面。
所提出的最大理论效率为16/27(或59%,贝兹法)不适用于涡轮机,太阳能烟囱。
在简短的讨论Padki和谢里夫(1992)的几何和操作参数影响烟囱的性能。
sampayo(1986)建议使用一个多锥形扩散器的顶部上的烟囱作为高速烟囱和允许操作,作为导流管对任何自然风使劲吹。
Pasumarthi和谢里夫(1997年)进行了研究,表明太阳能烟囱技术是一种可行的替代能源技术,适用和适应气候炎热的地区,如佛罗里达州。
数学模型估算温度和功率输出的太阳能烟囱以及检查的效果的各种环境条件下,并结构尺寸的输出功率。
测试进行,这是一个示范模型的设计用于这一目的。
两种类型的收集器进行了测试:
(1)延伸的集电极基极,和
(2)引入一个中间吸收。
实验温度报道是高于理论预测温度。
作者解释说,原因之一这种行为是一个事实,即实验报告的温度是最高温度烟囱内达到,而理论模型预测大容量空气温度。
Kreetz(1997)提出了一个数学模型,使用的水存储在收集器中。
他的计算结果显示的可能性一个昼夜连续操作的太阳能烟囱。
bernardes等。
(1999)提出了一个理论太阳能烟囱,自然层上运行分析在稳定状态下的对流。
为了预测热的空气,温度的流体动力学行为施加条件的入口,以便保证稳定的层流沿设备。
数学模型分析的有限体积法广义坐标。
Backstr和甘农(2000)提出了一维可压缩流所有的热动力计算方法变量的烟囱高度依赖,壁的摩擦,额外的损失,内部阻力和地区交流。
Gannon和BackstOM(2000)开发了一种分析包括烟囱摩擦,系统的太阳能烟囱涡轮机,出口动能损失和简单的模型太阳能集热器。
利用太阳能烟囱的地区作物干燥和通风系统被认为是超越目前的工作范围。
图
(1)太阳能烟囱示意图
2:
分析
太阳能烟囱的输出功率依赖于参数,例如环境条件(日照,环境温度,风速)和尺寸的烟囱和收藏家。
描述的分析在本文中是基于以下简化的假设:
•轴对称流中的空气收集器,即方面的集电体表面的非均匀加热太阳的高度角是忽略不计;
•收集器被放置在一个普通的表面;
•在收集器中的流动之间的流被视为两个平行的板;
•通过烟囱的壁的热损失忽略不计;
•流动的湿空气的混合物被认为两个理想气体。
2.1:
集电极
在这部分的分析中的温度上升的集电极部确定。
这是通过假设一个初始的质量流率,同时计算采用迭代技术的最终值。
收集器之间的腔被认为是两个平行的板。
2.2:
热成像网络
集电极的太阳能烟囱的太阳能空气加热器,它由一个互连的短太阳能阵列集热器。
应用动量方程跨差部分的集电极产量。
(1)其中s是剪切应力作用在接触的空气与集电体表面(图2)。
图
(2)可以使用两种类型的太阳能集热器,在太阳能烟囱
(I)之间的空气流量顶部的玻璃和单通道底部吸收。
(II)双通道设计,有单之间的空气流量吸收剂和底部的盖子。
可以提供这两种类型的储水信道系统中,在空气流在地面上(图3)。
对于类型(II)中,下面的热平衡方程,得到在从热网络点考虑接触热阻。
(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)式,其中H1,H2,H3,H4,H5,H6,H7,H8的传热对流系数的第二盖,第一盖,首先介绍空气流,空气透明的塑料薄膜,流的,透明的塑料膜水,吸收剂的水,吸收体在空气中,分别在空气中的地面。
Hr21,hr32和hr43辐射传热系数系数之间的第2次和第1盖,之间的第一盖和透明的塑料膜之间的的透明塑料薄膜和吸收器。
T1,T2,T3,T4,T5,Tb的代表在第二温度盖,第一盖,透明的塑料膜,吸收器;地面和地面温度,分别。
TF1的,TF2,TF3,TF4代表的空气温度之间的第二和第一盖,意味着空气的温度,水温度与空气温度之间的吸收剂和地面。
UB,犹他州,华盛顿大学的代表的传热系数在地面,顶端损失热系数和传热系数的储水系统。
通过假设的空气温度的变化而线性变化沿每个收集器的部分,平均温度是然后等于的算术平均:
(11)
有用的热转移到移动的空气流可以写在条款的平均的流体和入口温度:
(12)
哪里:
(13)
代入。
(12)式代入。
(4)和重排我们得到:
•一个9·9的矩阵(公式(14))的类型(II)的集电极与蓄水:
(14)
•一个7·7的矩阵(公式(15))的类型(I)与水存储:
(15)
•一个7·7的矩阵(公式(16))的类型(II)的不水的储存和:
(16)
•一个5×5的矩阵(公式(17))没有水的类型(I)存储。
:
(17)
在一般情况下,上述的矩阵可以被写为:
(18)
平均气温向量可以由矩阵求逆:
(19)
图(3)太阳能烟囱的收集器的热网络
2.3:
传热系数
整体顶热损系数可以得到从:
(20)
同:
(21)
和:
(22)
净空气温度Ts得到贝达和马丁被给出(1984):
(23)其中,t是从午夜得到。
接地传热系数由下式给出:
(24)
同:
(25)
两个辐射热传递系数平行板设置1-2,2-3和3-4中给出为:
(26)(27)(28)
太阳辐射的表面所吸收的热通量是:
(29)(30)(31)(32)其中,S1,S2,S3表示太阳辐射吸收由第一盖,第二盖,由透明塑料薄膜,由吸收剂,分别吸收。
一个单一的透射率和吸收率是:
(33)(34)式(33)和(34)可用于两盖系统如果封面是相同的,(Duffie和Beckman,1991)。
为了解决这个问题的非平稳热条件水存储系统中,我们考虑一个均匀的一个无限宽广的边界值问题平面板规定的边界温度。
“温度和热通量密度分布是分析确定。
的传热系数水存储系统可以计算出:
(35)同表1示出了列表中的相关性,用于强制(H1-H8)和自然对流换热系数(HW)。
订阅米,林,男,湍流和X代表平均层,平均动荡和地方Nusselt数。
2.4:
在收集器中的摩擦损失
表2显示了采用摩擦系数计算在收集器中的剪切应力。
2.5:
烟囱
该烟囱所产生的热能转换由太阳能集热器转换成动能。
密度在收集器中的温度上升通过创建的差异为驱动力的作品。
传热发生跨烟囱部表面是可以忽略不计的。
应用在一个差分方程的动力部分烟囱产量
表一:
采用强迫和自然对流的相关性(平板,恒温)
方程强制对流:
(36)(37)(38)(39)(40)
表二:
用于在收集器中的剪切应力的相关性(平板)
方程(41)(42)(43)(44)
表三:
在烟囱的相关性采用的剪切应力(管,光滑)
方程(45)(46)(47)(48)(49)外面的烟囱,压力,温度和空气密度的变化来计算考虑标准大气压(50)(51)(52)同(53)空气的压力,温度和密度变化烟囱内考虑绝热计算膨胀过程。
从而(54)(55)(56)同(57)
2.6:
在烟囱里的摩擦损失
表3示出了就业的摩擦系数,来计算在烟囱里剪应力。
2.7:
水轮机和发电机
由收集器所产生的热量流转换成动能(对流电流)和潜在的涡轮机的能量(压力降)通过烟囱。
因此,空气的密度差引起的温度上升的集电极作为驾驶工作力。
该打火机在烟囱的空气柱连接与周围的气氛中在碱(集热器内的)和在顶部的烟囱,并从而获得升力。
在烟囱底部之间(集电极流出)和周围的压力差Dptot是生产。
在所述涡轮机的压力降可以的总压力差的函数表示为(58)同(59)可以发现的烟囱的出口处的速度运用(60)其中,x是在涡轮机的压力降因子和wtot的速度获得忽略摩擦的损失。
涡轮机的理论功率是:
(61)
图(4)计算机规划的流程图
2.8:
太阳辐射
事件的太阳能有三个不同的空间分布:
电子束辐射,弥漫天空辐射,地面反射的辐射。
在模型中,入射辐射由可用的程序,可以计算出(例如:
Duffie和Beckman,1991)或从一个文件读取。
这两个过程中未描述在纸上的。
2.9:
物理性质
空气和水的物理性能,在此使用工作通过插值的数据计算标准表(例如:
VDI-W€armeatlas,1997年)。
3:
理论解决程序
该计算机程序的流程图中概述示于图4。
理论模型假设为一个简短的收藏家,“边界的温度”周围的空气流是均匀的,并且温度空气流线性变化沿集电极。
一个长的集热器可被划分平均分为有限数量的短集热器,或部分。
平均空气温度的第一壁和部等于环境温度。
热传递系数是根据最初评价猜值。
然后创建一个反复过程和计算出的部分的平均温度为使用通过采用一个标准的方程的矩阵反转软件包。
迭代的过程被重复直到所有的连续平均气温相差小于所希望的值
集热器的另一个部分,其长度等于前面的部分,然后被添加到第一个结束一节。
的平均壁温度和空气温度的集热器的第二部分,然后设置等于平均壁温度空气温度的第在它之前。
第二部分的入口空气温度为第一个的出口温度被设置为于一节。
迭代过程被重复,直到所有的被认为是部分的给定的集电极。
通过这可以预测程序,壁和平均气温获得完整的长度集电极
该程序的开始的参考的第一部分的集电极。
初始猜测的质量流率是制成。
一个迭代过程,然后启动。
该计划计算所有所需的传热和根据最初猜测的摩擦损耗系数温度和质量流率。
每一个新的质量流量在烟囱率计算值,然后比较与旧的,对应的值。
如果之间的区别任何相应的新值和旧值是小于可接受的最大差异,迭代停止。
然后继续看下面的时间步长。
迭代结束时,该程序计算的出口温度的空气流端的当前部分中的集电极和烟囱。
通过这种重复和迭代过程中,所需的温度沿其整个长度的集电极和烟囱的高度,并且质量流率,在涡轮机的发电电力等可获得。
4:
数学模型中的验证
要验证的数学模型,理论由程序所得到的性能数据比较与实验数据的原型曼萨纳雷斯,西班牙(1987年6月7日和1987年6月8日)。
“工厂配备了大量的测量数据采集设备。
植物的表现是考虑一秒钟的时间步长和注册使用180的传感器(席尔,2002年)。
除了尺寸之外,下面的气象数据被用来模拟原型:
图(5)在白天收集器的空气的温度(Rc=48m06071987)
图(6)在白天收集器的空气的温度(Rc=48m06081987)
表四
理论和实验数据的比较生产的能源[千瓦每小时]尺寸,下面的气象数据被用来
模拟原型:
•太阳辐射;
•空气温度的高度依赖;
•空气相对湿度;
•风速;
•因子在涡轮机的压力降。
图5和图6示出的比较之间的理论和实验集热器内白天的空气温度。
协议在2%以内的电动输出功率为获得本理论模型(表4)。
5:
敏感度分析
数学模型,估计的温度和功率的太阳能烟囱的输出作为,以及审查各种环境条件下的效果,结构尺寸的输出功率。
它认识到的太阳能发电烟囱内包含的体积成正比于烟囱高度和集电极区。
因此,相同的输出,可以实现与不同的组合的几何形状。
有没有物理最优。
最佳尺寸可以通过包括成本的确定系统在一个特定的网站。
下列为影响参数分析
•烟囱高度(500-1250米)。
施莱克(1995)中提到烟囱1000米,高可建无困难,而且严重正在计划,为2000米摩天大楼在地震缠身的日本。
•集热器面积(9.6-19.6平方公里)。
一个平板集热器可以转换为最多70%的辐照太阳能热。
•双覆盖面积集热面积(0-100%)。
从理论上讲,有利的是增加的保持热量能力,随着温度的增加的集电极顶从外围向塔。
这可以通过提供双层玻璃附近的塔。
水存储系统(0-100%的集热器面积)和厚度(0-0.150米)。
此参数检查储水系统为太阳能的可行性烟囱。
•覆盖的光学性能(透射率0.50-0.95)。
在干旱地区不可避免地收集灰尘和沙子的集电极顶和当然降低其效率。
•地热渗透系数(1000-2000Ws1=2/平方公里)。
地面的屋顶下提供自然储热。
•吸收剂和地面之间的距离(0-0.10米)。
在为了充分新型和外观设计的收集器,之间的接触热阻的知识的吸收体和接地是至关重要的。
•因子的压降在涡轮机(0.5-0.99)。
这因子代表的馏分的总差异在系统中,其中在涡轮机下降的压力。
该涡轮机通常被设计,使它们产生最大输出在可变空气速度,因此是设计与某种形式的功率控制。
那里在现代许多不同的方式,这样做的安全风力涡轮机的间距,大排档,主动失速控制和副翼(旧发电机组)。
表5列出了所使用的初始参数。
图7和图8的礼物的功率的变化作为不同的参数的函数的输出。
的影响的烟囱,集热器面积,覆盖光学压降在涡轮机的性能和因子是巨大的。
随着烟囱高度的增加,烟囱增加压降。
这样的结果速度的增加和相关联的增加在的质量流率和输出功率。
的增加的集电极区域和透射率会导致在集热器的出口温度的增加,从而导致在增加的质量流率,因此,一个增加功率的输出。
的最大功率时,被吸入的因素在涡轮机的压力降是约等于0.97。
节流(倍!
1)时间中的气流系统和,因此,空气的温度上升的集电极,增加总的压力差Dptot式中。
(59)(图9)。
在现实中,压力的一个因素拖放在涡轮等于0.97是很难实现的。
因此,建议使用0.80和0.90之间的一个值。
水存储的厚度和面积的效果电力生产系统显示在图10和11。
正如可以看到的,该系统的使用增加在晚上的功率生产。
的变化的地面财产透热系数,双覆盖面积和吸收器和地面之间的距离没有提出任何重大的变化。
6:
结论
本研究的目的是评估太阳能理论上烟囱的性能。
数学模型估计的温度和太阳能烟囱的输出功率,以及检查各种施工条件下对电源的影响输出。
数学模型的验证与从原型在曼萨纳雷斯的实验数据。
可以增加的功率输出,通过增加烟囱的高度,集电极区域和透射率的集电极。
可以达到的最大功率当在涡轮机的压力下降的因素是等于至约0.97。
其他参数,诸如地面热渗透系数,吸收器之间的距离和接地线,双层盖区,水存储系统区和厚度没有出现显着的变化对的能量输出,但输出功率与时间的关系。
图(9)作为因子的函数的温度和功率输出在涡轮机的压降。
图(10)水作为一个功能的存储系统的使用的影响覆盖集热器面积的电力生产
图(11)电力生产的水层厚度的影响
附录:
公式
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