用于聚光和聚风一体化发电的聚风罩风场研究*

章佳锋，官成钢，聂晶，王双保，赵彦立，刘文

（1.华中科技大学光电国家实验室，武汉 430074；2.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉 430074）

用于聚光和聚风一体化发电的聚风罩风场研究*

章佳锋1，官成钢1，聂晶1，王双保2，赵彦立1，刘文1

（1.华中科技大学光电国家实验室，武汉 430074；2.华中科技大学光学与电子信息学院，武汉 430074）

本文基于反射式聚光技术，在国内外首次提出了一种综合利用太阳能和风能发电的一体化设计，并利用商用计算机辅助设计分析软件ANSYS Workbench研究用于反射式聚光和水平轴聚风一体化发电的聚风罩。该聚风罩集碟形聚光和环形聚风功能于一身，来流风速3 m/s时，聚风后环形风场的功率可比原来提升58.9%，平均风功率密度是原来的2.26倍，可以有效降低风电机组的启动风速和切入风速。

聚光；聚风；风电；ANSYS Workbench；Fluent

聚光型光伏发电的一个关键是聚光元件，依照光学原理可以分为折射式和反射式两种。目前折射式聚光元件普遍采用菲涅尔透镜的形式，但折射式的光损耗比较大，所以实际聚光型光伏发电设备的光电转化效率只有25%～30%[4]，聚光型高效电池的效能未能得到充分发挥。而碟形反射式聚光技术的光损耗比折射式要低得多[5]。因此采用碟形反射式聚光技术，完成科技部“十二五”规划目标，技术上完全可行。不仅如此，采用大面积碟形反射式聚光技术还为我们进一步综合利用太阳能和风能创造了条件。本文提出了一种风光互补发电技术设计。它一方面利用碟形反射镜实现聚光，另一方面通过碟形反射镜对风的绕流作用，在反射镜的外围用一个风筒将来自反射镜绕流的风收集起来，实现聚风的效果。风力发电机发电量主要取决于风速，发电量和风速的三次方成正比。该设计巧妙地利用了碟形太阳能反射镜的风阻效应，在局部将风速放大。因为根据动量守恒原理：M1V1=M2V2，气流横截面变小时，流速就会加大。风电机组发电量还与扇叶面积成正比，根据能量守恒原理，该设计可以有效地捕获几乎全部吹到反射镜上的风能，并且不影响反射镜的聚光效果。太阳能与风能共享一套跟踪系统，事半功倍。白天约8个小时系统自动跟踪太阳，用于太阳能发电，其他16个小时以及阴雨天，系统自动捕捉风能，将可再生能源的利用率最大化。

1 聚风发电的理论基础[6,7]

风能是流动的空气所蕴含的动能。根据动能公式，质量为m(kg)，以速度v(m/s)流动的空气团所含动能可由下式给出，单位为J：

运动空气的功率，即风功率，是动能的流动速率，单位为W：

如果令ρ为空气密度(kg/m3)， A为风场截面积(m2)，那么风功率又可以表示为：

风功率密度是指气流垂直流经单位面积的风功率，单位为W/m2，可用下式表达：

在风力发电领域里，空气的马赫数一般小于0.3，可以不考虑空气的压缩性。所以空气密度ρ由气温和大气压来决定的，这里1个大气压，15℃的状态下，空气密度为1.225kg/m3。风功率和扫风面积成正比，并且和风速的三次方成正比。

增大扫风面积和风速是可以有效提高风功率的两个措施。而在自然情况下，风速被认为是自然参数，不容易控制。所以目前市面上绝大部分风电机组都是通过增大风轮的旋转直径来提高风电机组的功率输出。但是本文选择人为增大风速来提高风电机组的功率输出。

2 反射式聚光与水平轴聚风一体化发电的优势分析

太阳光在地球表面的平均辐照功率密度约为1000W/m2，而目前的晶体硅太阳能电池片的产业平均效率低于20%[8]，在不考虑其他损耗的情况下，1m2电池片的电功率输出不到200W。

晶体硅电池片92倍聚光条件下的效率约为27.6%[3]，那么1m2空间面积的电功率为

三节砷化镓电池片在418倍聚光条件下的效率约为43.5%[3]，那么1m2的空间面积的电功率为

1m2空间面积在聚光晶体硅电池片下的输出电功率高出常规一平方米晶体硅电池片的34%，而电池片用量却只不到后者的1.1%，约0.0109m2。三节砷化镓电池片的输出电功率是常规的2.11倍，并且用量更少，仅约0.0024m2。如果电池片为正方形的话，那么其边长还不到5cm。

如果风场的年平均风速为3m/s，风速聚风比达到1.5倍，那么聚风后1m2的风场功率为

比原来提高3.375（=1.53）倍。风场功率以风速提升倍数的三次方提升，这是比较可观的一种技术。

如果把以上聚光和聚风两者技术应用于同一套系统，它们就能共享同一套跟踪装置，更进一步节省资源和成本。如图 1所示，专利“反射聚光单元、太阳能风能一体发电单元及其系统[9]”提出了一种实现方式，将碟式聚光和水平轴聚风有机融合，实现互补发电。

本文将提出另一种新的实现方式，使聚风效果更加出色，并对主要部件聚风罩作流体仿真分析，研究其流场特性。

3 模型建立与分析

本文的研究工作基于ANSYS Workbench 14.0平台中的Fluent流体分析模块完成。ANSYS Workbench以项目流程图的方式，将各种数值模拟方法继承到一个统一的平台中，进而完成不同软件之间的无缝连接，实现数据的传递和共享。ANSYS Workbench提供了DesignModeler几何建模模块，不仅具备出色的CAD参数化建模能力，还能与主流CAD软件（Pro/E、Creo parametric、CATIA、UG等）进行对接，并进行参数传递。ANSYS Workbench提供的设计探索模块Design Exploration，能利用几何模型、网格控制、材料属性和操作条件中的参数实现自动优化仿真。

3.1 几何建模与网格划分

用于模拟仿真的模型图如图2所示，为简化问题，先不考虑聚风罩的离地高度，不考虑放在聚风罩前面的聚光太阳能电池及其支架，也不考虑聚风罩外环部分和中心部分之间的连接件，将聚风罩直接置于均匀的风场中。风场为直径13.1m，长13.3m的圆柱体，聚风罩前沿距风场入口4m，距出口8m，风场直径为聚风罩的5倍。

如图3所示，聚风罩由两部分构成，分别是外围圆环形的风筒和中心圆形碟式聚光器，两者之间的环形区域为风道。风筒入口直径为2.2m，风道宽度为0.5m，风道截面积为2.67m2。

网格划分采用四面体网格加膨胀层。其中四面体网格1010859个，三角面网格2168572个，节点262423个。整个流场的网格如图4所示。

3.2 边界条件设定

本次三维模型的数值模拟计算采用基于压力和绝对速度方程的三维稳态求解器，粘性模型采用标准k-ε模型，动量采用二阶迎风离散格式，压力和速度耦合采用SIMPLE算法。

图1 反射式聚光与水平轴聚风一体化发电的一种实现方式

图2 仿真模型图

图3 聚风罩结构图

图4 整个流场的网格图

风场入口设为速度进口（velocity－inlet），风场出口设为压力出口（pressure－outlet），风场侧面和聚风器表面设为墙面（wall）。压力出口的表压（Gauge Pressure）设为0Pa。速度进口的风速大小设为参数，初始值定位3m/s，风向垂直于进口壁面。后续风速变化定位：2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s 、8m/s、 9m/s、 10m/s、 11m/s、12m/s。

3.3计算结果分析

将各种风场风速的数值模拟计算收敛结束后，利用后处理程序CFD－Post观察风场经过聚风罩时的流态图，读取风道内最大风功率，并对这些数据进行整理分析。

各种风场风速的数值模拟计算结果见表1。来流风速3m/s时，聚风罩入口风功率为62.84W，而聚风后环形风道内的最大风功率为99.84W，比原来提升58.9%。由式（4）可以算得该风速下入口的风功率密度为16.538W/m2。又由于环形风道的平均风功率密度为37.393W/m2，于是平均风功率密度是原来的2.26倍，可以有效降低风力机的启动风速和切入风速风功率。

表1中功率提升幅度在7.7%～58.9%不等，说明聚风效果与来流风速有关，或者说这种结构的聚风罩并不能对所有风速产生理想的聚风效果，可以根据实际需要优化聚风罩结果，使最理想的聚风效果出现在期望的风速区间内。

根据上面计算得出的数据，可以画出风道内最大风功率和聚风罩入口风功率与风场风速的关系图，如图6所示。

表1 各种风场风速的数值模拟计算结果

图5 风功率与风场风速的关系图

图6 风场进口风速3m/s时整个风场的流态图

图7 风道内风功率最大截面的风速云图

从图5中可见，粗实线为聚风罩入口的风功率与风场风速的关系，由于是根据公式理论计算所得，所以该曲线明显呈三次方上升。粗长虚线为风道内最大风功率与风场风速的关系，显然风道内的最大风功率较入口处都有不同程度的提高，可见聚风罩具有良好的聚风效果。细短虚线为风道内的最大风功率曲线的多项式拟合曲线，可以清晰地看到该曲线的增长趋势，并且趋势大于三次方。

图6为风场进口风速3m/s时整个风场的流态图，中心风场经由圆形碟式聚光面绕流后进入风道，与风道内原有的风场融合，而在聚风罩后面又形成一个环形漩涡，产生局部低压，使风道内的风速得以提升。

图7为风道内风功率最大截面的风速云图。结合图6和图7不难发现，由于圆形碟式聚光面绕流使风道内的风速呈由内到外逐渐升高的趋势分布，而这种分布更有利于提供大力矩给风电机组。

4 结论与展望

本文提出一种集碟形聚光和环形聚风功能于一身的聚风罩，经商用计算机辅助设计分析软件ANSYS Workbench研究表明，该聚风罩已具备良好的聚风效果，来流风速3m/s时，聚风后环形风场的功率可比原来提升58.9%，平均风功率密度是原来的2.26倍。

后续需要解决的问题主要有：优化模型参数，使结构变得更加紧凑；优化风筒外表面结构，实现风向标功能；在模型中加入聚光光伏电池及相应支架，确认其对整个风场的影响，并作相应的改进；研究聚风罩的风筒入口面积与风道面积之比与聚风效果的关系。

[1] REN21. Renewables 2011 Global Status Report[R]. Paris. REN21 Secretariat, 2011.

[2] REN21. Renewables 2012 Global Status Report[R]. Paris. REN21 Secretariat, 2012.

[3] M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, et al. Solar cell efficiency tables (version 39) [J]. Progress in Photovoltaics, 2012, 20(1): 12-20.

[4] 左丰岐. 第三代技术能否重振光伏发电? [N]. 大众日报, 2011-12-05.

[5] Guo Feng. Development of concentrating photovoltaic[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2009, 33(10): 936-941.

[6] 张志英, 赵萍, 李银凤, 等. 风能与风力发电技术[M]. 第二版. 北京: 化学工业出版社, 2010.

[7] Jiang Qirong, Zhang Chunpeng, Li Hong. Wind and Solar Power Systems Design, Analysis, and Operation[M]. Second Edition. Beijing: China Machine Press, 2011.

[8] 李俊峰, 王斯成, 常瑜, 等. 中国光伏发展报告2011[M]. 北京: 中国环境科学出版社, 2011.

[9] 刘守华, 章佳锋. 反射聚光单元、太阳能风能一体发电单元及其系统[P].中国专利：CN102226845, 2011-10-26.

Flow Field Research on Wind Concentrating Shield for Power Generation
with Focusing Sunlight and Gathering Wind

Zhang Jiafeng1, Guan Chenggang1, Nie Jing1, Wang Shuangbao2, Zhao Yanli1, Liu Wen1
(1. Wuhan National Laboratory For Optoelectronics, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, china;
2. School of Optics and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

Based on the reflective concentrating technology, an integrated design is firstly proposed for the comprehensive utilization of solar and wind power generation at home and abroad. And with the commercial computer-aided design and analysis software ANSYS Workbench, a wind concentrating shield is researched which is used to integrate the power generation of focusing sunlight with reflection-type condenser and gathering wind with horizontal axis concentrator. Gathered the function of dish focusing sunlight and ring gathering wind, it makes the power of ring wind field increase 58.9% than original and the average wind power density become 2.26 times, when the speed of incoming flow is 3 m/s. And the start-up wind speed and cut-in wind speed can be reduced effectively.

focusing sunlight; gathering wind; wind power; ANSYS Workbench; Fluent

摄影：张国和

TK8

A

1674-9219(2013)02-0092-05

0 引言

武汉东湖开发区3551项目和华中科技大学武汉光电国家实验室创新基金支持项目。池效率超过35%”列入计划。

2012-11-28。

章佳锋（1984-），男，硕士研究生，主要从事聚光太阳能发电和聚风风力发电的研究。

王双保（1972-），男，博士，副教授，主要从事光电功能材料与器件方向的研究。

随着能源短缺的日益显现以及环境保护成为全世界的共识，近年来可再生能源技术和应用取得了长足发展，特别在风能和太阳能两个领域[1,2]。其中具有低能耗、低成本特点的新一代高效聚光型光伏发电技术越来越受到世界各国的高度关注，该技术路线的主要优点是效率高。2011年，

国外采用聚光和多结光伏技术已经将太阳能光伏电池的光电转化效率提高到43.5%[3]，并且还有很大的潜在提升空间。另外，从能源回收角度来看，传统晶硅光伏技术需要3年左右的能源回收时间，而聚光光伏技术则只需要半年左右的能源回收时间。2011年5月科技部发布的《太阳能发电科技发展“十二五”专项规划》，已经明确将“掌握高倍聚光太阳电池及应用技术，建成年产能5 MW的中试线，电