01 研究背景

太陽能煙囪發電廠(SCPP)以低成本的方式利用太陽輻射能發電，不使用化石燃料，也不排放溫室氣體。發電系統由三個部分組成：集熱器、渦輪發電機和煙囪。空氣在集熱器中被陽光加熱，由于熱空氣比冷空氣輕，被加熱的空氣會沿著由集熱器和煙囪構成的路線向上流動。基于集熱器溫度上升引起的空氣密度差作為驅動力，煙囪利用熱空氣產生動能（空氣對流）和勢能（渦輪機中的壓降），空氣對流動能通過煙囪入口處的渦輪發電機轉化為電能。

本案例旨在設計一種新的煙囪幾何結構，并使用CFD技術來測試SCPP的發電效率。案例設計了一種恒定直徑的煙囪塔，塔筒在出口處擴張。基于兩種情況，研究不同的出口外擴角對發電效率的影響。第一種情況，使用土壤作為集熱器的儲熱系統；第二種情況，使用土壤和埋伏的水管作為集熱器的儲熱系統。

02 方法介紹

1. 發電站幾何模型

煙囪高200米，直徑10米，集熱器直徑244米，深度5米。在集熱器上方有透明罩和地面之間的2米的間隙，因此煙囪出口高度將增加2米。這些尺寸參數適用于兩種電廠模型，一種僅由地面土壤作為存熱系統（SCPP1），另一種配備了額外的介質存熱系統（SCPP2）。根據不同的煙囪出口外擴角度和電廠模型，確定若干不同的研究方案如表1所示。

2. 數字模型與邊界條件

2.1邊界條件

邊界條件由阿爾及利亞西南地區的天氣條件定義，太陽輻照為熱源，輻射強度如圖2所示。

集熱器入口的相對靜壓力為零，入口溫度為大氣溫度：

集熱器（或儲能層）的底部溫度變化較小，因此邊界條件可以設置為恒溫條件。土壤深度5米處的溫度一般可以取300K，底面傳熱系數計算公式為：

t=0為午夜，

集熱器的透明罩透射率

煙囪壁面設置為絕熱且無滑移：

對于第二種電廠模型，由于水介質層的厚度很小（0.1m）且被封閉在固定區域內，因此只考慮熱傳導。

03 數值方法與驗證

本研究的數值模擬使用CDF仿真軟件與syrthes耦合。為了驗證數值代碼的準確性，使用Manzanares電站的實驗數據進行了對比，結果如圖3、圖4和圖5所示，曲線1表示實驗數據，曲線2表示計算結果。結論認為，與在Manzanares電站獲得的實驗數據的比較證明了數值模型是可以被認為是有效的。

04 結論分析

第一種儲熱系統只由土壤組成(SCPP1)；第二鐘儲熱系統除了土壤部分外，還有一個10cm厚的水管層，覆蓋于集熱器的整個表面。圖6展示了煙囪平均流體速度的單日演變。速度的變化規律與太陽輻射的變化規律相同。煙囪入口流速在白天的最大速度出現在土壤儲熱系統(SCPP1)的情況下；另一方面，夜間的最大速度出現在土壤與水管組成的儲熱系統(SCPP2)的情況下。

然而，對于氣流輸送的能量功率（圖7），SCPP2的輸送功率效果明顯更好，因為它允許工廠在日落后還能長時間保持更高功率運行。這樣可以提高發電效率，如圖8所示。

下面的結果展示了第一種電廠模型下（僅土壤作為儲熱介質）對煙囪出口進行改造所獲得的結果。改造的部分為在煙囪的出口處安裝一個2米長的延伸部分，具有可變的外擴角度的功能。不同的出口通過外擴夾角來表示。圖9展示了煙囪入口的平均流速，隨著白天太陽輻射的出現，速度有規律地上升到最大值，然后再隨著太陽高度變化而減少到最小值。煙囪出口外擴角分別為10°和20°時速度最大；外擴角為40°時速度最小。

由于集熱器溫度的升高，空氣密度的下降，使空氣通過煙囪上升流動。在整個系統中存在的熱空氣柱通過集熱器的入口和煙囪的出口與大氣連接。煙囪內部的熱空氣被推到煙囪出口排入大氣，對應地就會在集熱器入口處吸入冷空氣。當煙囪出口管道形狀設置外擴角度在之間時，由于熱氣流密度比周圍空氣小，外擴角促進了熱氣流的膨脹，因此增加了煙囪出口的流速，從而增加了流量和入口流速。

在使用額外的水管層作為儲熱介質的情況下，由于部分太陽輻射能被儲存在水層上，因此白天時被用來加熱氣流的能量更少。與SCPP1相比，在儲熱系統吸收更多熱量后，白天的空氣速度更小，而夜間更高。

根據圖10的結果，發電量也隨著太陽輻射的變強而增加。煙囪出口外擴角為10°和20°時功率最高；和速度類似，外擴角為40°時功率最小。然而，在相同的配置下，SCPP2卻提供最多的電能。當外擴角分別為10°和20°并配備了額外的水儲熱層(SCPP2)時，發電站當天產電最多。雖然SCPP2的白天的最大功率降低約10%，但在低輻射或不存在輻射時（比如夜間，從下午06點到第二天上午09點），電站的發電的性能顯著提高（約100%）。

圖11展示了系統發電效率。值得注意的是，SCPP1最高功率的情況（和）也對應了最高的發電效率。在SCPP2的同樣條件中，當系統處于低輻射或不存在輻射情況時，發電效率相比SCPP1提高了近50%，但在白天下降了大約不到20%。

05 總結

本案例對太陽能煙囪電廠自然對流作用下的湍流流動進行了數值研究。這項研究的目的是使用CFD技術評估阿爾及利亞南部地區的太陽能煙囪發電廠在當地氣象條件下可以產生的電力。對結果的分析表明：

• 電力生產與太陽輻射強度直接相關；

• 太陽能煙囪發電廠(SCPP)可全天運行，使用額外的儲熱介質可以提高夜間產生的電力能力；

• 幾何上的煙囪出口外擴角也能提高電廠的性能：在10°到20°之間的外擴角是熱力學上最有效的配置；

• 結合這兩種優化措施，能使系統發電效率得到提升，雖然在白天降低了近20%，但是在低輻射或不存在輻射的黑夜時，發電性能提高了近100%。

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