文摘

在太阳能烟囱发电站几何参数数值优化为目的的更好的功率输出数据。几个参数研究等试验工厂的烟囱高度和直径、直径收集器和斜率,细长。然而,地面坡度迄今尚未研究尽管通达对湍流的影响。在这项研究中,地面的不同坡角的影响,通过集热器吸收太阳辐射的,系统的主要性能参数是通过一个可靠的CFD数值分析软件ANSYS流利。通过考虑实际的试验工厂的几何图形,通过做一个3 d模型(离散纵坐标)太阳射线跟踪算法和RNG k -ε湍流模型。1000年太阳能强度的W / m²,系统内的最大速度是14.2米/秒,这是根据实验数据良好15.0 m / s。从5米内的收集器,烟囱入口高度重新配置0.209,0.419,0.625,0.838,和1.04 m,分别时,地面坡度为0.1,0.2,0.3,0.4,和0.5°,系统的输出性能的变化进行了研究。对于参考指水平地面,最大风速确定为14.2 m / s,输出功率为54.3千瓦。然而,当地面坡0.5°,观察,最大速度增加37%,至19.51 m / s,和提高输出功率63.95千瓦,上升17.7%。倾斜的地面上发现一个关键解决方案改善植物内的湍流效应,从而提高电力输出。

1。介绍

能源消耗数据的戏剧性的上升是不可避免的在今天的世界杰出的技术发展,特别是增加人口。能源消耗的增加导致了更多的讨论有限公司₂排放和环境污染比以前,特别是因为更高的初级能源资源的消费。增加可再生能源的趋势对能源生产近年来成为一个联合的研究工作。考虑可再生能源的多样性以及它们的效率和可访问性,它可以很容易地断言,太阳是最受欢迎的地位。尽管太阳能的使用可以追溯到古代,其用于发电已成为近年来广泛。太阳能烟囱发电站与第一个原型吸引了研究者的注意,Manzanares,在1900年代末。身体虽然不复杂,系统包括三个主要结构元素如收集器、烟囱、涡轮(1]。收集器直接暴露在太阳辐射创建一个动态系统底部的空气和提供了传输接收的太阳辐射到地面。动态系统的空气温度的增加与太阳辐射穿过收集器。太阳辐射到达地面的温度增加,从而发生传热系统从地面到空中。这传热收益率增加温度系统的空气由于发达向上运动。系统的空气开始向上移动由真空拉从烟囱效应在烟囱入口。烟囱里创建了一个压差由于其高度(2]。同时,空气系统的动能转化为电能,涡轮在一定的高度。在实验的第一个原型,55 kW功率输出和15 m / s最大气流速度确定(3]。从第一个原型与实验获得的数据,大量的理论和数学模型对太阳能烟囱发电站生产。研究检查的时候,发现研究人员分析系统的性能参数在不同的气候、环境和操作条件。Dhahri et al。4)报告说,辐射强度的变化影响着系统中气流速度和温度增加,和气流速度是8.8米/秒,300 W / m²在900 W / m,增加了50%²和上升到13.8 m / s。同样,Esfinadi et al。5)验证太阳能强度增加了系统中气流速度。Abdelmohimen和Algarni6]国家,任何辐射强度增加收益率气流速度的增加,系统的输出功率。他们声称,该系统以400 W / m²辐射强度提供了最大气流速度6米/秒和25千瓦的功率输出。当辐射强度800 W / m²,气流速度提高30%和47 kW功率输出上升了88%。

太阳能烟囱发电站明显受环境因素的影响。初始温度和太阳辐射强度是最重要的环境参数影响系统的输出功率。其他参数影响系统性能的几何设计参数。环境影响无法预测准确,但几何参数的影响可以提前分析理论和数值研究。很明显,增加收集器半径将增加太阳能烟囱发电站的性能,因为它将使太阳辐射进入更大的区域。指Manzanares试验工厂,研究人员认为,改变收集器半径影响系统的输出功率和效率。李等人。7]声称Manzanares试验工厂会给53.5千瓦功率输出在122收藏家半径,当收集器半径244米,功率输出将增加120%,至约118千瓦,但系统的输出功率500收藏家半径后不会增加。Esfinadi et al。5)认为,增加收集器的半径Manzanares试验工厂将增加系统的输出功率,同时降低其效率。增加烟囱的高度在太阳能烟囱发电站有积极影响输出功率增加系统的流量在烟囱空气入口(8]。研究人员状态,增加了烟囱的高度Manzanares试验工厂将增加其输出功率和效率9]。分析了几何参数的影响不仅与Manzanares试验工厂的几何尺寸也与SCPP系统由一些研究人员在不同的空间特征。Toghraie et al。10)开发SCPP系统拥有100烟囱高度,收集器半径100米,4米烟囱半径,收集器和2米高度。他们使用标准k -ε湍流模型,表明系统内的流湍流粘性的影响可以忽略。他们声称通过CFD解决方案,他们在600年和800年W / m重复²太阳能强度增加烟囱的高度会增加系统的输出功率和效率,同时增加收集器半径会增加输出功率,降低效率。同样,通过设计大规模系统,研究人员预测系统的性能与不同的烟囱高度和收藏家半径(11,12]。SCPP系统,地板中扮演一个重要的角色在能源储存和指挥加热空气。Attig-Bahar et al。13)比较SCPP的性能系统被安装在突尼斯南部没有储能通过分析获得的数据使用不同的能源存储材料的影响在地上。在这项研究中,将Manzanares作为参考的试验工厂,它是证明砂时,土壤和碎石材料用于能量储存在地面上,可以获得35%的输出功率与参考案例。Sedighi et al。14]分析土壤的孔隙度的影响作为一个能源存储单元系统的性能。他说,土壤孔隙度成反比SCPP的产量和输出功率。他们声称,通过减少土壤的孔隙率从0.4到0.1,系统效率和输出功率的涡轮增加了3.04%。Fadaei et al。15)进行检查的影响试验研究使用相变材料(PCM) SCPPs的性能。在实验设置3米烟囱高度和3 m收集器直径,而气流速度与传统太阳能烟囱是1.9 m / s, PCM在地面上使用时,气流速度增加8.33%,达到2米/秒。拉et al。16)评估几个参数对系统性能的影响通过一个数学模型引用Manzanares试验工厂的几何尺寸。他们认为不同水层的厚度为能量储存的目的。他们声称,5厘米的水厚度是理想的储能性能,在7月,在这种情况下输出功率达到120千瓦。Yaswanthkumar和Chandramohan17]分析能源存储单元的影响(te)的性能SCPPs三维CFD模型。他们研究系统收集器直径6米的烟囱高度3.5米,一位收藏家入口0.15米的高度。评估性能的变化系统通过集成与3.5米直径0.15米厚的能源存储单元设计。据报道,系统中的气流速度6.17 m / s, 3.9 m / s根据参考情况自无吸收的能量在白天时间。Senbeto [18]分析了te对SCPP系统的性能的影响与CFD模型。标准的RNG k -ε湍流模型和布西涅斯克近似模型中考虑解除的影响。在他的作品中,这把Manzanares原型作为参考,他声称没有涡轮系统的气流速度将在烟囱入口16.5 m / s的太阳辐射1000 W / m²。是说系统的输出功率减少大约50%在阳光下时间由于储能的水层。然而,储存能量变得活跃在日落之后,发现每日生产率高于参考案例。Kalash et al。19)实验研究系统的性能与他们建立的太阳能烟囱在叙利亚大马士革大学倾斜的地面。他们把9米高的烟囱距离地面约3米高。他们将一个6.04米长收集器入口宽度3.68米和0.65米出口宽度在倾斜的地面和连接它与烟囱。他们声称该系统产生一个温度升高的19°C在收集器甚至在冬季和2.9 m / s上升气流速度测量的烟囱。Bilgen和Rheault20.让一个固定几何尺寸950000²集电极区域和54米烟囱直径3不同位置生成5兆瓦电力高纬度地区。他们通过一年一度的模拟状态,地面倾角的增加对系统在不同的位置将反映积极。他们声称烟囱高度,123 5兆瓦功率输出在渥太华的位置与地面坡度为38.40°,可以实现在埃德蒙顿地面坡度为48.40°,烟囱高度35米。曹et al。21]SCPP的性能评估系统可能用在倾斜的山兰州气候条件。采用几何特征Manzanares试验厂数值模型。在模拟进行了12个月,他们国家的输出功率水平地面达到最高价值,将6月约60千瓦。他们声称,全年发电量将不会低于80千瓦倾斜的地面上,3月将超过100千瓦。Sivalakshmi et al。22太阳能烟囱进行了实验研究。他们的研究比较吸收塔板的性能的情况下被带酒窝的或平的。热性能比较是根据空气温度,在烟囱出口气流速度,传热系数。当实验结果进行比较,可以看出系统的传热系数与板带酒窝的吸收器在阳光明媚的中午是13.55%高于系统吸收板。据称,类似的情况在烟囱出口空气温度。类似于地上,收集器的斜率也会影响系统的性能。Cuce [23]分析了收集器斜率对系统性能的影响,以几何的Manzanares试验厂作为参考。它强调的输出功率54.5千瓦没有斜坡将增加4.5%(约57千瓦)当收集器的倾角是2°。不同的纳米颗粒也利用SCPP系统提高储能性能在地上。一些研究人员声称,纳米颗粒密度提高了传热在某些情况下。据报道,在闭环系统中雷诺数的增加提高了传热通过增加努塞尔特数(24,25]。

尽管SCPP的不同设计系统可在文学、地面坡度的影响主要性能参数没有被研究人员评估迄今为止。因此,本研究的目的是进行仔细的数值分析与实验验证为了详细研究上述影响。通过考虑收集器的斜率常数,线性上升的影响5米内的地面收集器入口烟囱入口质量流量,输出功率,动态压差和效率是全面检查。太阳射线跟踪算法和RNG k -什么ε湍流模型同时应用于3 d对称的CFD模型。重复模拟不同角度,mesh-independent解决方案后,根据太阳辐射强度1000 W / m²和293.15 K,气候条件的环境温度。根据文献数据选择气候参数。例如,当Haaf[获得的测试结果3]Manzanares试验工厂的检查,这是白天看到的最大太阳辐射是1000 W / m²,周围的空气温度是20°。

2。控制方程

基于几何尺寸的试验工厂,第一个应用程序的太阳能发电厂烟囱,地面入口和地面坡度的影响在SCPP系统检查系统,提供的烟囱入口高度是恒定的。通过保持环境条件常数CFD的解决方案,通过求解连续性、动量,能量,并行和湍流方程,质量流率的图表,在汽轮机动态压差,输出功率分别获得不同的设计。以下假设是简单和节省时间的分析:(1)系统空气被认为是不可压缩的(2)流态是常数,3 d和动荡(3)在所有模拟环境条件被认为是常数(4)布西涅斯克模型接受密度

守恒方程解决了ANSYS流利如下(26]:(一)连续性方程 (b)动量方程 (c)能量方程

由于没有迫使SCPP流源系统,通过自然对流传热。瑞利的自然对流方程如下:

在哪里指收集器的高度,是运动粘度,表达了热扩散系数。初步调查结果显示,Ra值明显大于10⁹,这是一个至关重要的价值,因此,系统内部的流动被接受为湍流(23]。有3种不同的k -ε湍流模型在ANSYS流利的软件。在当前的研究中,RNG k -ε湍流模型,提供更好的结果在涡流动27]。模型的方程如下:

当审视SCPP系统上的实验研究,发现空气的温度在不改变系统(多3]。在这种情况下,布西涅斯克模型可以用于密度(6,22]。它的方程如下:

在方程(7),热膨胀系数,和空气的密度和温度系统在收集器入口。收集器供应热能系统可以表达的

在方程(8),沿着收集器是由温度升高 当总收集器表面积传入的太阳辐射 ,集电极效率可以定义如下:

不同输出功率的计算SCPPs在文献中是可用的。通常情况下,输出功率的计算是通过压降( )在涡轮28]。在这项研究中,下列方程用于系统的输出功率:

在方程(10),汽轮发电机效率,作为0.8 [28]。虽然有不同的参数影响SCPPs的性能,确定功率输出的两个主要因素是压降( )涡轮和体积流率( )(28]。在这项研究中,涡轮压降是获得的平均压力( )涡轮在哪里放置在CFD模拟结果和计算如下:

在这里,被认为是涡轮压降速率(29日]。此外,系统的效率可以计算如下:

3所示。CFD模型和系统属性

几何和气候影响的性能参数SCPP系统研究了不同研究者的文献。然而,在这项研究中,试验工厂的性能在不同的地面坡度值检查首次在文学。这项研究是基于Manzanares原型的主要维度,西班牙,和模拟进行恒定的环境条件。系统的几何尺寸和配置细节表1(30.]。的分析,提供的出口高度改变的入口高度水平放置收集器是保持不变的。

模拟是重复在不同的角度值。在这项研究中,地面坡度的影响系统性能的SCPPs调查了一个可靠的商业软件ANSYS流利。在CFD研究中,最初创建一个成功的3 d模型,及其通过原位测量的准确性和可靠性是合理的。在模型参考Manzanares原型,四分之一的整个解决方案域考虑最小化迭代周期。这个模型有两个平面对称(XZ和YZ平面)。因为它是看到某一点的温度不会改变实验测量进行了原型之前,地面厚度为0.5米(3]。在设计模型时,地面坡度启动5米内输入收集器。开始在这一点上结束的斜率收集器退出。这是整个系统。在模拟,结果获得了不平的地面条件下,地面坡度是0.1和0.5度之间变化。地面坡度变化时,斜率是保持不变的起点和终点是收集器出口。由于压差由收集器进口和烟囱出口的压差很小,0将被忽略。在收集器进气温度等于环境温度。倾斜的地面SCPP设计的示意图如图1。

基于绝热边界条件在地上,烟囱壁,传热系数为0 W / m²K,而收藏家之间的传热系数和空气系统被认为是10 W / m²k .物理性质的烟囱、收藏家和地面材料是非常重要的在太阳能烟囱发电站的数值模拟和直接影响仿真结果。模型参数的相关部分给出了表2。此外,空气环境参数和热物理性质的系统中使用的模型在表中详细给出3。由于维特征的研究中,数值模拟是进行一个非常密集的细胞数量,可以扩展迭代时间6小时为每个参数研究。为了缩短迭代周期,而不是整个几何,季度轴向对称模型是首选的研究。

与ANSYS模拟进行流利的软件,它使用有限体积法控制方程的离散化。RNG k -ε湍流模型是首选的动量方程的解决方案。简单的算法是用于指定压力和气流速度之间的关系。转眼间方法是压力插值的首选。控制方程的离散二阶逆风的方法。做辐射模型是应用太阳能射线跟踪技术。布西涅斯克的方法被用来计算系统中的空气密度的变化。在分析,10⁶被认为是适当的收敛标准。数值的程序,首先,水平地面模拟的几何尺寸Manzanares试验工厂。然后,CFD模拟与执行提出气候参数。仿真结果与试验数据的引用情况。如果不一致的数值结果与实验数据,模拟重复。的数值和实验结果之间的充分理由,模型几何形状改变和新生产仿真结果。的流程图,图中给出了计算过程的研究2。

4所示。结果与讨论

重复之前的模拟不同坡角值,检查mesh-independent解决方案。为此,网格质量和mesh-independent解决方案被证实为三个不同的细胞数考虑最大气流速度( )在系统中。表4显示了值的变化不同的细胞数量。386041的细胞数量的变化确定细胞数量相比只有1.4%的305619年。从这一点,其余的计算都是在386041年的手机号。模型和网格视觉效果如图3。无网解决方案的理由后,数值结果的可靠性评估通过对比CFD结果与原位测量和其他证据确凿的数值模型在输出功率( )系统的数据。这是通达从图4本研究中采用的数值方法是在良好的协议与实验[31日和数值结果6)当值是考虑对不同太阳能强度。之后,与不同的地面模拟试验工厂斜坡与CFD模型,进行其mesh-independent解和可靠性验证。类型、质量和啮合强度在CFD分析至关重要。收敛性、一致性和可靠性明显受上述影响以及离散化技术。如果其他研究者的先前的数值结果在图4检查,发现目前研究中采用的数值方法更适应实验数据由于上述因素(32]。

最重要的变量计算太阳能烟囱发电站功率输出的体积流量和涡轮压力下降。气流速度和压力分布,体积流量的依赖,因此非常重要。使用这种方法,在检查地面坡度的影响的性能参数Manzanares试验厂,压力和气流速度分布特别调查。压力分布Manzanares原型的水平和倾斜的地面(0.5°),如图所示5。当压力梯度现有系统的检查,它是一般向烟囱进口变得更加明显。清楚地看到,压力跳跃更在收集器出口之间的区域称为喉咙和烟囱入口。这可以归因于强化湍流效应在喉咙,烟囱入口。考虑到涡轮机位于9米的高度从地面Manzanares试验工厂,烟囱入口及其上方的压差是这里最大的一致。这将允许更多的输出功率更大的压差。随着系统的开放气氛对烟囱出口,看到的是压力值等于零。倾斜的地面上相比nonsloping情况下,提升效果增强向上的设计方向。这个收益率更高的空气速度喉咙相比于水平地面。在这种情况下,质量流率预计将增加,但缩小气流区域在喉咙,地面坡度的增加会导致质量流率下降。 Considering the power output calculation, this is expected to have a negative effect on the system, but sloping ground yields to notable increase in the pressure difference in the throat. In this way, it is seen that higher power is delivered from the system. In the reference state, it is seen that the place where the pressure difference is the highest is the entrance of the chimney. When the ground slope is configured as 0.5°, it is observed that the pressure difference gets the highest value at the collector outlet.

系统中气流速度的分布在图给出6。在参考状态,最大风速为14.20米/秒在地上没有坡度,地面坡度角为0.5°,它增加了37.4%,至19.51 m / s。这可以归结于增强湍流效应和改善提升部队附近的喉咙。当系统中的气流速度随坡角,它是相反的质量流率的数据。这是因为横截面积缩小的倾斜的设计。质量流率,1117.9公斤/ s nonsloping系统,减少指数与角度。的斜率范围0 - 0.5°,系统的质量流率可以得到以下方程:

的变化与地面坡度( )如图7。由于缩小体积下收集器与地面坡度增加,观测到的质量流率数据是相当大的减少。在方程(13),是地面倾角。地面倾角为0.5°时,看到的是质量流率减少32.29%的引用情况,等于857.452公斤/ s。系统的质量流率减少指数随着地面倾角的增加。这导致输出功率降低,但涡轮压降的增加会容忍这种情况。出于这个原因,评估最佳功率输出,0 - 0.5范围的地面坡度分析通过考虑质量流量和压差。另一个重要的性能参数SCPPs压降。增加压降在涡轮机直接增加了系统的输出功率。在参考状态下,通过涡轮的压降为109.777 Pa。增加地面坡度角指数提高了整个涡轮压降。压降可以互动与地面倾角由以下方程:

地面倾角为0.5°时,看到的是整个涡轮压降相比增加53.45%的引用情况,成为-168.456 Pa。这种影响可以清楚地看到在图8。导致压差的元素在太阳能烟囱发电站是烟囱。与地面坡度,看到有一个压差系统中由于地面几何和烟囱。有明显的增加,系统内的压力差,由于地面坡度。增加地面坡度增加压差,因此功率输出。影响SCPPs的功率输出的参数分析由不同的人员在文献中很多倍。在这项研究中,地面倾角的影响,而不是研究文献中,对系统的性能进行了分析。看到的是系统,给出了输出功率54.3千瓦的参考状态,与地面倾角的增加呈指数增长,因此这种效应有积极影响系统如图9。系统的输出功率在0 - 0.5°地面坡度角的范围可以从下列方程计算:

地面坡度角是由0.5°时,看到的是输出功率为63.95千瓦,相比增加17.7%的引用情况。输出功率与地面坡度的增加非常明显参考状态和0.1°之间的斜率。有7.15%的增加输出功率为0.1°地面坡度而引用的情况。这个比例逐渐减少相同程度的间隔和低于1%后0.4°。出于这个原因,地面坡度对输出功率的影响一直在检查的范围0 - 0.5°,这被视为关键的范围。除了分析部分在这项研究中,研究影响系统的参数为一个更详细的优化将更可靠的结果。出于这个原因,多个参数对系统的影响可以进行更详细的研究在未来的工作。

对读者的兴趣,这有助于澄清的原因使得地面坡度范围选择0.5°。当输出功率和斜率的情节地面检查,容易理解,有微不足道的变化斜率值后输出功率0.2°。这个输出是通过初步分析。然后,分析是进一步扩展到斜率值,观察到0.5°为输出功率是一个重要的价值。实现这个输出后,参数进行研究,增加地面边坡采取的是0.1°,以便清楚地显示的趋势之间的交互功率输出和地面坡度。值计算是0.995在回归分析中,这证明了适当增加的斜率值。

在这项研究中,清楚地看到,输出功率增加与地面的斜率。瑞利(Ra)数量增加与地面的斜率提高了传热在收集器。Ra数量为参考案例的比较和地面坡度为0.2°表给出5。看到的是功率输出水平和倾斜的地面与太阳能强度增加。上述对比图10。当图检查,它可以很容易地断言,1000 W / m的太阳辐射²旨在展示最大的情况。结果明确表明,倾斜的地面给更好的性能比水平地面数据为每个太阳能强度水平。

5。结论

地面坡度的影响主要性能参数分析了SCPPs首次在文学。数值方法是结构材料和几何性质的飞行员SCPP系统,和准确性验证完成的原位测量。三维轴对称CFD方法提出了基于做太阳能与RNG k -射线追踪算法ε动荡的技术。讲话后可能达到的研究:(1)做太阳射线追踪算法支持的RNG k -ε湍流模型是发现理想涡流动的数值方法在SCPPs发生(2)当传入的太阳辐射= 1000 W / m²,确定是14.2 m / s,这显示了一个吻合的原位测试15.0 m / s(3)地面坡度角(ω)是一种有效的参数在SCPPs的主要性能特征(4)空气质量流率显示了一个实验性的减少和增加地面坡度。是1117.9公斤/ s nonsloping系统。当ω是0.5°,看到了吗减少32.29%相比,水平地面,等于857.452公斤/ s(5)相反, ,在汽轮机动态压差与增加显著改善ω。在水平地面上,在涡轮发现-109.777 Pa。当ω0.5°,观察到吗在涡轮增加53.45%相比,参考案例,等于-168.456 Pa(6)输出功率( )在SCPPs可以明显增强与地面倾斜的设计。决心在水平地面的情况下54.3千瓦。然而,当ω0.5°,提高到63.95千瓦,引用案例?相比增加17.7%(7)理想的输出功率( )系统可以通过优化的质量流量和压差涡轮机。地面坡度为0.1°时,输出功率增加7.15%相比,参考的情况下,这是最高的价值相对于其他斜率增加。类似的情况是有效的在涡轮压力差。地面坡度为0.1°时,压差在涡轮机相比增加8.52%的参考案例(8)的增加输出功率0.1°后继续减少。的增加输出功率低于1%,地面倾角为0.4°(9)进一步工作,倾斜的地面设计SCPPs将随着发散烟囱几何研究[33为额外的改善性能数据

命名法

:	集电极区(米2)
:	比热容(J / kg.K)
:	重力加速度(m / s2)
旅客:	太阳辐射(W / m2)
Po:	输出功率(W)
T:	温度(K)
Pt:	平均压力在涡轮位置(Pa)
:	传热速率(W)
问v:	体积流率(m3/秒)
rt:	涡轮压力降率

希腊字母

α:	环境
β:	地面坡度学位(0)
:	集电极效率
:	密度(公斤/米3)
ω:	热膨胀系数(1 / K)

数据可用性

数值数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。

的利益冲突

作者没有利益冲突的声明。