烟囱阴影下风力增压式太阳能烟囱电站性能探究

左潞，戴鹏展，李闯，丁玲，颜子阳，许波峰

（河海大学能源与电气学院，江苏南京 211100）

0 引言

西班牙曼萨纳雷斯太阳烟囱电站（SCPP）是世界首座SCPP试验商用电站，也是进行SCPP及综合太阳烟囱电站系统理论分析和数值计算的重要对比和验证案例[1]～[6]。文献[7]，[8]提出的风力增压型太阳能烟囱发电系统（WSSCPP），显著改善系统内外气流压差，提高系统性能，但其烟囱阴影负面效应更加明显。为了提高预测实际SCPP性能的准确性，系统性能评估模型应考虑烟囱阴影和太阳高度角度的影响[9]。本文对0～30°太阳入射角度下的SCPP和WSSCPP进行三维数值模拟，综合考虑增压装置的负压增效以及该部分高度所增加的阴影负面影响，对不同入射角度下的集热棚温度场进行比较，探讨太阳入射角度对系统性能的影响。

1 计算模型

1.1 物理模型

图1为WSSCPP物理模型。为减少阻力损失，集热棚和烟囱的连接段采用钟形流道过渡设计。WSSCPP的设计尺寸基于西班牙原型电站的几何尺寸，烟囱高度为194.6 m，烟囱半径为5.18 m，集热棚半径为122 m，集热棚入口高度为1.85 m，蓄热层厚度为5 m。

图1 WSSCPP模型图Fig.1 Diagram of the WSSCPP

1.2 计算模型

太阳能烟囱电站系统数值模拟模型中采用以下假设:①系统内气体为连续且不可压缩的牛顿流体；②热气流的流动为三维稳态流动；③空气密度变化采用Boussinesq假定近似，空气密度ρ的计算表达式为

式中:ρ0为环境空气密度；g为重力加速度；β为热膨胀系数，一般取1/T0；T为空气温度；T0为环境温度。

在ICEM CFD软件中分别对集热棚、蓄热层、烟囱及涡轮机计算域进行网格划分。除涡轮机区域采用非结构化网格外，其余部分均采用结构化网格。收缩流道段气流的速度、压力和温度的变化梯度较大，故对该计算区域的网格进行局部加密。以系统质量流量和集热棚气流温升作为评判依据，网格总数达546.6万，满足网格无关性要求。

数值模拟求解器为ANSYS Fluent软件。湍流模型采用标准k-ε湍流模型，开启Discrete Ordinates（DO）辐射模型和太阳加载模型Solar Ray Tracing，自定义辐照强度和入射矢量方向。针对太阳光线加载模型，本文假设太阳光线为一束平行光，定义入射光线与+Z方向的夹角为太阳入射角θ，如图2所示。数值仿真中，将烟囱旋转轴定义为Z轴，其与地面的交点定义为原点，烟囱右侧为+X轴方向，左侧为-X轴方向，入射光线从-X方向入射。对于WSSCPP，应考虑烟囱顶部风力增压轮的高度（15 m），实际烟囱高度值为209.6 m。

图2 太阳光入射示意Fig.2 The incidence of the solar rays

太阳辐照度、环境温度的取值参考西班牙SCPP原型典型运行工况，大小分别为850 W/m2和298.15 K。根据Boussinesq假设，在操作环境添加-Z方向的重力项，并将操作温度设置为环境温度。集热棚入口、烟囱出口均采用压力边界条件，蓄热层底部和四周设为恒温边界，温度为298.15 K，集热棚表面设为半透明壁面，类型为mixed边界，涡轮机区域采用多重参考坐标系（MRF）模型。数值模型中的边界条件设置如表1所示。

表1 边界条件设置Table 1 Boundary conditions

式中:Cp为比热容；ΔT为集热棚气流温升；r为集热棚半径；G为太阳辐照强度。

2 结果分析

2.1 合理性验证

根据西班牙SCPP原型实测数据[1]，在太阳辐照度为850 W/m2，环境温度为25℃，环境风速为2.5 m/s的条件下，当涡轮机转速为100 r/min，集热棚内气流温升17.5 K，烟囱出口流速为8.8 m/s时，涡轮机实际输出功率为37 kW。表2为本文模拟结果与西班牙原型试验数据的对比，主要性能参数的误差最大为7.9%，满足合理性要求，证明了基础SCPP数值模拟方法的科学性和可靠性。数值模拟得到的涡轮机轴功率略微高于实际涡轮机输出功率，分析原因在于，本文采用的钟形流道过渡段有效减小了气流流动损失，从而使得热气流功率略微高于实际情况，最终导致涡轮机轴功率略有提高。

表2 模拟结果验证Table 2 Validation of simulation results

2.2 流场特性分析

考虑DO辐射模型后，模拟结果中SCPP蓄热层表面中心温度最高为345 K，与文献[9]一致，间接说明本文数值模拟的可靠性。

图3为投射到集热棚表面的太阳能热流密度。由图可知，一旦入射角度大于0°，部分光线便会被不透明烟囱壁遮挡，在集热棚区域形成阴影区。随着入射角增大，烟囱在集热棚区域的投影面积越来越大，该区域集热棚和蓄热层表面所吸收到的太阳辐射能远小于四周。计算结果表明，蓄热层表面阴影区域吸收的太阳辐照度最小值仅约40 W/m2。

图3 不同入射角度下集热棚表面太阳能热流密度分布Fig.3 Solar heat flux distributions on the collector roof at different incident angles

图4为25°入射角下WSSCPP集热棚表面、蓄热层表面和Z=1平面热气流的温度分布。遮挡所形成的阴影直接导致该区域温度突然下降，处于阴影区域的温度明显低于四周。这种差异在蓄热层表面最为明显，蓄热层表面最低温度仅为292.89 K，而最高温度可达344.4 K。在25°入射角下，+X方向仍存在区域未受阴影遮挡，因而入口处所吸收的太阳辐照度以及温度分布仍较为均衡，相对对称。气流进入集热棚后，在外围区域受到蓄热层表面和集热棚盖板对其的对流换热，温度升高，密度下降，同时在烟囱抽力作用下向集热棚中心流动；位于阴影区域的气流温度高于蓄热层、集热棚表面，热气流反向对蓄热层表面、集热棚表面传递热量，导致阴影区域气流温度的降低。随着四周未受阴影遮挡区域气流温度的不断升高，在近集热棚中心区域呈现出较为明显的温度分布差异。

图4 25°入射角下WSSCPP温度分布图Fig.4 Temperature distributions in WSSCPP at a incident angle of 25°

图5显示了SCPP-0°，SCPP-25°和WSSCPP-25°集热棚区域的中截面温度分布。

图5 集热棚中截面温度分布(Y=0)Fig.5 Temperature distributions of the collector（Y=0）

入射角大于0°时，集热棚内部温度场分布不再均匀对称。对比图5（a）和（b），系统入口处集热棚表面、蓄热层表面以及热气流温度分布差异不大，直至进入阴影区差异越来越明显。阴影区域内热气流需反向对集热棚表面、蓄热层表面进行加热，造成气流热量损失，导致+X方向阴影区域气流温度低于-X未受影响区域，造成集热棚出口气流温度周向分布的不均衡。同时，集热棚内存在冷热气流掺混，使得系统内部气流温度总体下降。对比图5（b）和（c），顶部加装增压装置后，同样的入射角度下，WSSCPP系统所形成的阴影区域更大。在顶部负压的抽吸作用下，系统气流流速加快，缩短了气流在集热棚内的受热时间，因而WSSCPP集热棚内气流温升相比SCPP要小。

2.3 入射角度对系统性能的影响

图6为集热棚效率和涡轮机效率随太阳入射角度的变化曲线。

图6 集热棚效率和涡轮机效率随入射角度变化曲线Fig.6 Collector efficiency and turbine efficiency at different incident angles

由图6可知，随着入射角度的增加，集热棚效率明显下降，涡轮机效率的变化则相对较为平缓。烟囱在集热棚区域的投影面积随着入射角的增加不断增大，一方面由于遮挡效应减少了透过集热棚表面的太阳辐射能，蓄热层有效吸收的太阳辐射能下降；另一方面蓄热层表面低温区域变大，使得热气流向蓄热层换热损失热量更多，气流温度下降明显，加剧了集热棚内气流温度分布的不均衡，进一步降低了集热棚热效率。

对比WSSCPP和SCPP相关曲线可以发现，不同入射角度下，WSSCPP的集热棚效率均小于SCPP。由于顶部增压装置的存在，相同入射角度下，WSSCPP中烟囱的投影面积更大，在烟囱出口负压的作用下，WSSCPP中系统内外压差增大，整体气流流速大于SCPP，气流在集热棚内加热时间缩小，同时阴影区域气流与蓄热层表面的对流换热加剧，热量损失增大，导致集热棚效率下降。

图7为WSSCPP和SCPP涡轮机轴功率随入射角度的变化曲线。由图可知，随着入射角度的增加，SCPP和WSSCPP的涡轮机轴功率均不断下降。30°入射角下的SCPP和WSSCPP涡轮机输出功率相比0°入射角下分别下降了8.75 kW和7.61 kW。根据上文分析，入射角度的增加使得集热棚效率下降，集热棚气流温升减小，系统内外压差减小，涡轮机可用压降也随之减小，导致输出轴功率下降。此外，在WSSCPP中，风力增压装置在烟囱出口形成的负压加速了气流向集热棚中心的汇聚，削弱了阴影所造成的气流掺混等不利影响，因而其涡轮机轴功率的变化幅度相对SCPP的较为平缓。

图7 WSSCPP和SCPP涡轮机轴功率随入射角度变化曲线Fig.7 Turbine shaft power of SCPP and WSSCPP at different incident angles

3 结论

太阳能烟囱电站在实际运行过程中，受太阳高度角和烟囱的影响，会在集热棚区域形成阴影区，产生阴影负面效应。本文基于西班牙原型太阳能烟囱电站建立三维数值模型，采用太阳射线追踪法加载太阳辐射，探究烟囱阴影下SCPP和WSSCPP的流场特性和太阳光线入射角对SCPP和WSSCPP性能的影响。

研究结果表明，当光线以一定角度入射时，烟囱将会在集热棚区域形成阴影区，阴影区蓄热层表面、集热棚表面温度突降，导致热气流与蓄热层表面、集热棚表面进行对流换热，造成热量损失。随着太阳入射角度的增加，系统轴功率和集热棚效率均明显下降。30°入射角下的SCPP和WSSCPP涡轮机输出功率相比0°入射角下分别下降了8.75 kW和7.61 kW。风力增压装置在烟囱出口形成的负压加速了气流向集热棚中心的汇聚，可削弱阴影所造成的气流掺混等不利影响，因而WSSCPP涡轮机轴功率的变化幅度相对SCPP的较为平缓。