【CAE案例】太阳能烟囱发电站设计对发电功率输出的影响
01 研究背景
太阳能烟囱发电厂(SCPP)以低成本的方式利用太阳辐射能发电，不使用化石燃料，也不排放温室气体。发电系统由三个部分组成：集热器、涡轮发电机和烟囱。空气在集热器中被阳光加热，由于热空气比冷空气轻，被加热的空气会沿着由集热器和烟囱构成的路线向上流动。基于集热器温度上升引起的空气密度差作为驱动力，烟囱利用热空气产生动能（空气对流）和势能（涡轮机中的压降），空气对流动能通过烟囱入口处的涡轮发电机转化为电能。
本案例旨在设计一种新的烟囱几何结构，并使用CFD技术来测试SCPP的发电效率。案例设计了一种恒定直径的烟囱塔，塔筒在出口处扩张。基于两种情况，研究不同的出口外扩角对发电效率的影响。第一种情况，使用土壤作为集热器的储热系统；第二种情况，使用土壤和埋伏的水管作为集热器的储热系统。
02 方法介绍
1. 发电站几何模型
烟囱高200米，直径10米，集热器直径244米，深度5米。在集热器上方有透明罩和地面之间的2米的间隙，因此烟囱出口高度将增加2米。这些尺寸参数适用于两种电厂模型，一种仅由地面土壤作为存热系统（SCPP1），另一种配备了额外的介质存热系统（SCPP2）。根据不同的烟囱出口外扩角度和电厂模型，确定若干不同的研究方案如表1所示。
2. 数字模型与边界条件
2.1边界条件
边界条件由阿尔及利亚西南地区的天气条件定义，太阳辐照为热源，辐射强度如图2所示。
集热器入口的相对静压力为零，入口温度为大气温度：
集热器（或储能层）的底部温度变化较小，因此边界条件可以设置为恒温条件。土壤深度5米处的温度一般可以取300K，底面传热系数计算公式为：
t=0为午夜，
集热器的透明罩透射率
烟囱壁面设置为绝热且无滑移：
对于第二种电厂模型，由于水介质层的厚度很小（0.1m）且被封闭在固定区域内，因此只考虑热传导。
03 数值方法与验证
本研究的数值模拟使用CDF仿真软件与syrthes耦合。为了验证数值代码的准确性，使用Manzanares电站的实验数据进行了对比，结果如图3、图4和图5所示，曲线1表示实验数据，曲线2表示计算结果。结论认为，与在Manzanares电站获得的实验数据的比较证明了数值模型是可以被认为是有效的。
04 结论分析
第一种储热系统只由土壤组成(SCPP1)；第二钟储热系统除了土壤部分外，还有一个10cm厚的水管层，覆盖于集热器的整个表面。图6展示了烟囱平均流体速度的单日演变。速度的变化规律与太阳辐射的变化规律相同。烟囱入口流速在白天的最大速度出现在土壤储热系统(SCPP1)的情况下；另一方面，夜间的最大速度出现在土壤与水管组成的储热系统(SCPP2)的情况下。
然而，对于气流输送的能量功率（图7），SCPP2的输送功率效果明显更好，因为它允许工厂在日落后还能长时间保持更高功率运行。这样可以提高发电效率，如图8所示。
下面的结果展示了第一种电厂模型下（仅土壤作为储热介质）对烟囱出口进行改造所获得的结果。改造的部分为在烟囱的出口处安装一个2米长的延伸部分，具有可变的外扩角度的功能。不同的出口通过外扩夹角来表示。图9展示了烟囱入口的平均流速，随着白天太阳辐射的出现，速度有规律地上升到最大值，然后再随着太阳高度变化而减少到最小值。烟囱出口外扩角分别为10°和20°时速度最大；外扩角为40°时速度最小。
由于集热器温度的升高，空气密度的下降，使空气通过烟囱上升流动。在整个系统中存在的热空气柱通过集热器的入口和烟囱的出口与大气连接。烟囱内部的热空气被推到烟囱出口排入大气，对应地就会在集热器入口处吸入冷空气。当烟囱出口管道形状设置外扩角度在之间时，由于热气流密度比周围空气小，外扩角促进了热气流的膨胀，因此增加了烟囱出口的流速，从而增加了流量和入口流速。
在使用额外的水管层作为储热介质的情况下，由于部分太阳辐射能被储存在水层上，因此白天时被用来加热气流的能量更少。与SCPP1相比，在储热系统吸收更多热量后，白天的空气速度更小，而夜间更高。
根据图10的结果，发电量也随着太阳辐射的变强而增加。烟囱出口外扩角为10°和20°时功率最高；和速度类似，外扩角为40°时功率最小。然而，在相同的配置下，SCPP2却提供最多的电能。当外扩角分别为10°和20°并配备了额外的水储热层(SCPP2)时，发电站当天产电最多。虽然SCPP2的白天的最大功率降低约10%，但在低辐射或不存在辐射时（比如夜间，从下午06点到第二天上午09点），电站的发电的性能显著提高（约100%）。
图11展示了系统发电效率。值得注意的是，SCPP1最高功率的情况（
和
）也对应了最高的发电效率。在SCPP2的同样条件中，当系统处于低辐射或不存在辐射情况时，发电效率相比SCPP1提高了近50%，但在白天下降了大约不到20%。
05 总结
本案例对太阳能烟囱电厂自然对流作用下的湍流流动进行了数值研究。这项研究的目的是使用CFD技术评估阿尔及利亚南部地区的太阳能烟囱发电厂在当地气象条件下可以产生的电力。对结果的分析表明：
电力生产与太阳辐射强度直接相关；
太阳能烟囱发电厂(SCPP)可全天运行，使用额外的储热介质可以提高夜间产生的电力能力；
几何上的烟囱出口外扩角也能提高电厂的性能：在10°到20°之间的外扩角是热力学上最有效的配置；
结合这两种优化措施，能使系统发电效率得到提升，虽然在白天降低了近20%，但是在低辐射或不存在辐射的黑夜时，发电性能提高了近100%。
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