聶 晶，田 瑞,2，蔡琦龍，高 虹，郭子睿，張維蔚※

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學能源與動力工程學院，呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古可再生能源重點實驗室，呼和浩特 010051)

0 引 言

隨著化學燃料的限制使用和環(huán)境問題的加劇，可再生能源的發(fā)展成為必然趨勢。太陽能以其資源廣泛、利用形式多樣在可再生能源中起著重要作用。太陽能煙囪發(fā)電技術(shù)是一種真正意義上能夠替代基于碳能源經(jīng)濟的“綠色”可持續(xù)發(fā)電技術(shù)。但太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)（solar chimney power plant，SCPP）效率較低、結(jié)構(gòu)龐大，在世界范圍尚未實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。因此，對SCPP系統(tǒng)各部組成結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提高系統(tǒng)效率，提高不同地區(qū)不同建設(shè)條件的適用性，對于保持低溫太陽能可持續(xù)利用改善能源結(jié)構(gòu)，滿足能源要求起著重要作用。

太陽能煙囪發(fā)電設(shè)想是在1903年由Cabanyes首次提出，1978年Schlaich教授及其同事設(shè)計并在西班牙Manzannares建成了第一座SCPP電站[1-4]。之后在不同國家地區(qū)對不同結(jié)構(gòu)的太陽能煙囪發(fā)電站進行理論及試驗研究：美國[5]、土耳其[6]、中國[7-9]、巴西[10]、伊朗[11-13]、印度[14]、新加坡[15]等國家進行小型SCPP試驗系統(tǒng)臺架搭建，對SCPP系統(tǒng)進行測試。隨著Ansys等計算軟件的推廣應(yīng)用，促進了SCPP系統(tǒng)在單一集熱棚傾角下的性能和控制方程[16]的提出；更有效地建立了集熱系統(tǒng)與發(fā)電效率及輸出功率之間的數(shù)學模型分析方法[17]。同時數(shù)學模型的建立也促進了系統(tǒng)效率的影響因素[18]和蓄能系統(tǒng)[19]的數(shù)值模型分析研究。包括SCPP系統(tǒng)在瞬態(tài)條件下，蓄熱材料對集熱系統(tǒng)的熱力學特性和輸出功率的影響進行數(shù)值模擬計算[20]；結(jié)構(gòu)幾何形狀如發(fā)散形煙囪的幾何形狀對太陽能煙囪發(fā)電輸出功率的影響[21]的數(shù)值模擬分析；模擬太陽光輻射效應(yīng)使用太陽光線追蹤算法對集熱效率展開數(shù)值模擬研究[22-23]，集熱棚在固定傾角下較小范圍內(nèi)改變，對系統(tǒng)熱力學性能影響的數(shù)值模擬和試驗分析[23]等。除此之外，研究者還對太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行各種優(yōu)化[24-29]。然而，在上述理論計算和試驗研究中集熱棚均在單一傾角下對太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)進行分析研究。而未考慮不同地區(qū)、經(jīng)緯度不同、太陽光入射角不同，蓄熱層吸收太陽輻照不同而導(dǎo)致研究地點最佳集熱棚傾角不同。本文以呼和浩特地區(qū)太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)集熱特性為研究對象，將太陽能煙囪集熱系統(tǒng)集熱棚傾角在40°、20°、10°、0°搭建測試臺架，通過試驗研究的方法測試不同集熱棚傾角下太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的集熱性能，選取最佳集熱棚傾角，為實現(xiàn)在內(nèi)蒙古地區(qū)農(nóng)業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 太陽能煙囪集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SCPP發(fā)電系統(tǒng)由集熱棚、煙囪及渦輪機三部分組成。該技術(shù)集溫室技術(shù)、煙囪技術(shù)和渦輪機發(fā)電技術(shù)于一體。太陽能集熱棚收集太陽輻射，蓄熱層溫度升高。蓄熱層加熱進入到集熱棚內(nèi)空氣使其溫度升高，密度下降。集熱棚內(nèi)外空氣形成密度差，產(chǎn)生抽吸力，使得集熱棚內(nèi)空氣向上運動，推動集熱棚出口處渦輪葉片轉(zhuǎn)動,帶動發(fā)電機發(fā)電。該系統(tǒng)通過吸收太陽輻射形成人工氣流推動渦輪機做功實現(xiàn)電流輸出，不依賴自然條件形成的風速推動渦輪機做功。同時，不需要陽光直射，即使在陰天條件下也可以吸收太陽光中的散射輻射，加熱進入集熱棚內(nèi)空氣。因此該技術(shù)成為非常有前景的太陽能低溫發(fā)電技術(shù)。

2 集熱測試試驗

2.1 測試平臺

太陽能煙囪集熱測試平臺如圖1，組成如下：集熱棚空氣入口距離地面0.1 m，集熱棚直徑4 m，煙囪高度2.5 m，直徑0.12 m。分別做0°，10°，20°，40°，4種傾角集熱棚。采用50 mm×50 mm方鋼焊接作為集熱棚底座支架。選用透光率為85%陽光板作為集熱棚材料，集熱棚支架由40 mm×20 mm方鋼分為6組焊接組成，中間用50 mm×50 mm方鋼進行固定。集熱棚底部支架與集熱棚支架之間通過密封條密封，集熱棚側(cè)邊和底邊采用壓條密封，陽光板夾層以及集熱棚與煙囪之間的選用硅酮玻璃膠密封。蓄熱層由30 mm橡塑加厚海綿與80 mm擠塑板下敷設(shè)30 mm竹絲板組成。

圖1 太陽能煙囪試驗系統(tǒng)Fig.1 Slope solar chimney test system

2.2 測試系統(tǒng)

集熱棚溫度場測試系統(tǒng)由PT100型粘貼式鉑電阻、TOPRIETP700多路數(shù)據(jù)記錄儀、Flow anemometer&thermometer as856s精密型風速溫度儀、AVM～07式流動風速儀、BSRN3000型氣象觀測系統(tǒng)組成。

當被照射表面傾斜角度與當?shù)鼐暥认嗤瑫r，太陽對蓄熱層表面的輻照最強[30]，選取呼和浩特地區(qū)緯度40°作為集熱棚傾角，與其他傾角20°，10°和0°同時進行太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)集熱特性測試比較分析。測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示，BSRN3000氣象觀測系統(tǒng)60 s進行1次數(shù)據(jù)采集。記錄太陽總輻射、直輻射、散輻射以及風速風向等環(huán)境氣象數(shù)據(jù)。PT100粘貼式熱電偶溫度數(shù)據(jù)通過TOPRIETP700多路數(shù)據(jù)記錄儀進行每30 s采集數(shù)據(jù)1次，AVM～07式流動風速儀60 s進行1次數(shù)據(jù)采集。在測試數(shù)據(jù)采集過程中，TOPRIETP700多路數(shù)據(jù)記錄儀采樣數(shù)據(jù)與BSRN3000氣象觀測系統(tǒng)同步記錄，期間TOPRIETP700多路數(shù)據(jù)記錄儀多1次數(shù)據(jù)采集，2次取平均值，減小測量誤差。太陽能煙囪集熱棚測試系統(tǒng)中蓄熱層上表面均布68個熱電偶，下表面均布30個熱電偶。

圖2 集熱棚傾角40°太陽能煙囪測試系統(tǒng)Fig.2 Solar chimney test system with 40°collector slope

2.3 試驗條件

太陽能煙囪測試系統(tǒng)搭建在室外環(huán)境，測試條件受外界環(huán)境風速影響較大，若外界環(huán)境風速較大會引起蓄熱層表面氣體流動增加，增大對流換熱損失，蓄熱層溫度測量精度受到影響。因此，測試試驗選擇在5月下旬到9月中旬室外環(huán)境溫度、環(huán)境風速基本穩(wěn)定工況下對各種天氣情況進行測試。選取測試環(huán)境溫度及平均環(huán)境風速相似天氣，對特定相似試驗天氣情況進行蓄熱層溫度場測試試驗數(shù)據(jù)分析。

2.4 試驗方法

2.4.1 集熱棚均勻性分析方法

集熱棚蓄熱程度通過集熱棚內(nèi)蓄熱層溫度分布均勻性來體現(xiàn)。將蓄熱層上表面某點對應(yīng)溫度值用一組離散型隨機數(shù)列表示即(x,y,T(x,y))。其中，T(x,y)為將蓄熱層上表面某點(x,y)對應(yīng)的溫度值。采用方差分析法對離散型隨機變量溫度分布的均勻性分析。設(shè)S2為離散型溫度隨機數(shù)列偏離均值的平均程度，定義溫度非均勻性系數(shù)為ΔS。

設(shè)：隨機數(shù)列在蓄熱層表面的平均溫度：

式中k為數(shù)據(jù)個數(shù)，k=13；Ti為溫度，℃；為平均溫度，℃。

式中L為正南方向熱電偶分布數(shù)量，L=7；M為正西方向熱電偶分布數(shù)量，M=3；N為正東方向熱電偶分布數(shù)量，N=3。

2.4.2 集熱棚格拉曉夫數(shù)分析

對于自然對流流動，體積力與壓力梯度合并成為浮升力，自然對流的動量微分方程為

式中u為x方向分速度，m/s；v為y方向分速度，m/s；αv為流體的體脹系數(shù)，K-1；g為重力加速度，m/s2；θ為過余溫度，

以分別作為流速，長度及過余溫度標尺，將（4）式進行無量綱化：

式中帶上“*”的量為無量綱量，又

將（5）式項與雷諾數(shù)Re數(shù)相乘，得到格拉曉夫數(shù)Gr數(shù)，表示自然對流程度，當Gr數(shù)相當大，達到Gr>109時，自然對流邊界層就會失去穩(wěn)定而從層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳡顟B(tài)，通過格拉曉夫數(shù)Gr來確定流動狀態(tài)，表示浮升力作用的影響。不同集熱棚傾角下太陽輻照進入集熱棚內(nèi)入射角不同，蓄熱層內(nèi)接收輻照量不同，溫度場分布不同，故產(chǎn)生浮升力大小不同。不均勻的溫度場所造成不均勻密度場產(chǎn)生的浮升力成為集熱棚內(nèi)空氣運動的動力。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 蓄熱層溫度場測試分析

試驗在自然情況下進行，呼和浩特的氣候是溫帶季風氣候。試驗月份主導(dǎo)風向為西北風。全天平均風速小于4 m/s，太陽輻照強度GHI（global horizontal irradiance）范圍200～1200 W/m2。選取上午11:30輻照強度 GHI均為800 W/m2，不同集熱棚傾角下蓄熱層溫度場進行比較分析。

為避免個別試驗數(shù)據(jù)出現(xiàn)壞點影響試驗結(jié)果，對相似天氣情況進行多次重復(fù)測試，對試驗數(shù)據(jù)進行歸一處理。使試驗數(shù)據(jù)具有重復(fù)性、歸一性。同時對相似測量工況，即不同測試日期相同總輻照強度工況下測試系統(tǒng)各點溫度進行概率統(tǒng)計，剔除相差較大且出現(xiàn)概率較小的點，使用均值法排除偶然因素對試驗結(jié)果的影響，提高結(jié)果的準確性。圖3為相同輻照強度GHI條件，同為晴朗天氣狀況下集熱棚傾角分別為40°，20°，10°，0°集熱棚內(nèi)蓄熱層的溫度場分布云圖。

從圖3中可以看出：在不同集熱棚傾角下蓄熱層最高溫度在71.4～88.4℃之間。當集熱棚傾角為0°和10°時蓄熱層溫度場最高溫度相比集熱棚傾角為20°和40°低。因為在0°和10°集熱棚傾角測試期間環(huán)境溫度為24和25℃，相比于集熱棚傾角為20°和40°時的環(huán)境溫度29和28℃低。由于測試環(huán)境溫度不同導(dǎo)致進入集熱棚內(nèi)空氣的對流換熱的初始條件不同，參與換熱的工質(zhì)溫度不相同，直接影響到集熱棚內(nèi)溫度場的溫度分布。同時，由于環(huán)境溫度不同，相同熱流通量，傳熱溫差不同，導(dǎo)致集熱棚內(nèi)的各項熱損失不同，環(huán)境溫度越低各項損失就越大，造成集熱棚內(nèi)空氣與集熱棚外環(huán)境換熱損失增大，最高溫度降低。從圖3中還可以看出，集熱棚傾角在0°和10°時，蓄熱層高溫分布范圍比集熱棚傾角為20°和40°大。因為在相同集熱棚半徑時，如果集熱棚傾角增大，集熱棚出口距蓄熱層地面高度增加，集熱棚內(nèi)空間增大，所以換熱量增多。因此在較高集熱棚傾角下，蓄熱層低溫范圍區(qū)域較大。此外，蓄熱層溫度分布受環(huán)境風速影響較大，選定測試時間內(nèi)不同集熱棚傾角環(huán)境風速分別為：40°時 2.4 m/s，20°時 4.9 m/s，10°時 2.6 m/s，0°時4.3 m/s。如圖3云圖右側(cè)均為低溫分布區(qū)域，在溫度云圖右側(cè)測試區(qū)間位置為空氣入口處，因此蓄熱層該區(qū)域在不同集熱棚傾角下都處于低溫區(qū)域。

圖3 相同GHI條件下不同集熱棚傾角下蓄熱層溫度場分布Fig.3 Energy storage layer temperature distribution in different heat collector slope in same GHI condition

3.2 蓄熱層溫度場均勻性分析

圖4為不同集熱棚傾角下蓄熱層非均勻性系數(shù)隨著輻照強度GHI的變化規(guī)律。從圖4中可以看出，隨著GHI增加蓄熱層非均勻性系數(shù)增大，蓄熱層表面溫度變化較為劇烈。由于集熱棚呈圓臺布置，集熱棚不同方向棚面的太陽入射角不同，蓄熱層表面不同位置接受GHI不同。隨GHI增加蓄熱層表面接受GHI能量的差異更加明顯，整個蓄熱層表面溫度分布非均勻性增加。從圖4中還可以看出，相同GHI，隨著集熱棚傾角的增大，蓄熱層溫度非均勻性系數(shù)增加。因為隨著集熱棚傾角增大，集熱棚表面上不同位置的太陽入射角差異增大，由于蓄熱層表面接受的GHI差異增大，導(dǎo)致蓄熱層溫度分布不均勻，整個蓄熱層表面溫度非均勻性增加。同時，隨著集熱棚傾角的增大，集熱棚出口位置距地面高度增加，棚內(nèi)空氣流通體積增加，對流換熱量增大，溫度分布更加不均勻，蓄熱層溫度非均勻性系數(shù)增大。

不同集熱棚傾角下蓄熱層溫度場溫度分布不同，溫度場非均勻性系數(shù)在0～1.7之間，當集熱棚傾角為10°時，溫度場非均勻性系數(shù)在0.15～0.24之間，蓄熱層均勻性較好，集熱性能存在最優(yōu)值。在集熱棚為0°和10°傾角時，非均勻系數(shù)存在交點。測試期間隨著輻照強度增加，蓄熱層壁面溫度升高，蓄熱層各點溫度分布不同，整個蓄熱層壁面非均勻性呈上升趨勢。當輻照強度低于725W/m2時，蓄熱層壁面各點溫升與進入集熱棚內(nèi)部的環(huán)境空氣溫差較小，故在0°集熱棚傾角非均勻性系數(shù)較10°集熱棚傾角時低。當輻照強度大于725 W/m2時，由于輻照增大蓄熱層壁面整體平均溫度增加，蓄熱層壁面各點溫度與進入到集熱棚內(nèi)部的環(huán)境空氣溫度相差較大，非均勻系數(shù)都有不同程度增加。但在10°集熱棚傾角下，由于集熱棚壁面結(jié)構(gòu)對空氣的導(dǎo)流作用使得在10°集熱棚傾角下蓄熱層非均勻性系數(shù)低于0°集熱棚傾角下蓄熱層非均勻性系數(shù)。

圖4 不同集熱棚傾角下蓄熱層均勻性分析Fig.4 Heat storage layer temperature uniformity analysis in different heat collector slop

當集熱棚傾角低于10°時，由于集熱棚出口距地面高度較低，棚內(nèi)空間小，集熱棚內(nèi)蓄熱層壁面換熱量較少，溫度非均勻性分布系數(shù)小。因此，選擇較低集熱棚傾角，其蓄熱層非均勻性分布系數(shù)小，蓄熱層壁面溫度分布更均勻，更有利于換熱。較高輻照強度GHI下，10°集熱棚傾角的蓄熱層溫度分布更為均勻。

3.3 集熱棚內(nèi)豎直平面溫度場分析

圖5為在不同集熱棚傾角下集熱棚內(nèi)沿南北方向豎直平面溫度場分布圖。從圖5中可以看出溫度分布主要為由下至上溫度逐漸降低，最高溫度分布在距蓄熱層較近位置，在集熱棚進口及集熱棚出口處溫度較低。隨著集熱棚傾角降低，集熱棚出口距蓄熱層高度下降，集熱棚出口溫度增加，集熱棚出口溫度值在10°集熱棚傾角時最高53.5°。在0°傾角的集熱棚出口溫度低于10°傾角的集熱棚出口溫度。隨著集熱棚傾角的降低，集熱棚出口距地面高度降低，流體換熱空間體積減少，使得從圖5集熱棚出口流體溫度逐漸增高。在0°時集熱棚出口與棚面在同一平面，蓄熱層平面距集熱棚壁面之間的高度為0.1 m，遠小于空氣入口到集熱棚出口之間半徑的距離2 m，空氣在蓄熱層壁面換熱后經(jīng)較短距離到達集熱棚壁面，與集熱棚壁面進行換熱，因此從正南方向進入集熱棚入口的空氣溫度在豎直方向集熱棚壁面上溫度較低。同時，由于測試時間為上午，太陽位置朝東，測試環(huán)境風速均為西風，蓄熱層溫度場最高溫度范圍及最高溫度區(qū)域均向東有不同程度偏移。

圖5 不同集熱棚傾角豎直面溫度場分布Fig.5 Vertical surface temperature field distribution in different heat collector slope

3.4 熱棚格拉曉夫數(shù)分析

圖6為在不同傾角下，集熱棚豎直平面內(nèi)Gr隨輻照變化曲線。在豎直平面內(nèi)，當輻照強度低于550 W/m2時0°集熱棚傾角時Gr大于10°集熱棚傾角時Gr；輻照強度大于550 W/m2時0°集熱棚傾角Gr數(shù)低于10°集熱棚傾角時Gr。因為在0°集熱棚傾角下，當輻照強度低于550W/m2，測試時間均在上午09:00之前，環(huán)境溫度較低，蓄熱層接收輻照后溫度升高，與環(huán)境溫差逐漸增大，使得棚內(nèi)外空氣密度差逐漸增大，浮升力大，所以Gr在集熱棚傾角為0°時大于集熱棚傾角10°。

當輻照強度大于550 W/m2時，在0°集熱棚傾角下，隨著輻照強度的增加，集熱棚內(nèi)換熱量增加，熱損失增大，溫度升高速度較慢，集熱棚內(nèi)外溫差逐漸降低，Gr數(shù)出現(xiàn)下降趨勢。同時當集熱棚傾角為0°時，集熱棚內(nèi)部空間換熱相當于平板間換熱，在集熱棚壁面與蓄熱層壁面間對空氣沒有向上的導(dǎo)流作用。即平板間的外界氣流橫掠蓄熱層時，隨著輻照強度增加，集熱棚壁面減縮流道對氣流導(dǎo)流的作用，浮升力降低，也導(dǎo)致Gr數(shù)有所降低。因此Gr曲線在10°，20°，40°集熱棚傾角下曲線存在交點。

圖6 不同集熱棚傾角豎直面Gr數(shù)分布Fig.6 Vertical surface Gr number distribution in different heat collector slop

當輻照強度大于550 W/m2時，除0°傾角，隨著集熱棚傾角降低，集熱棚內(nèi)豎直平面上Gr逐漸增大。因為隨著集熱棚傾角降低，集熱棚出口位置距蓄熱層高度降低，進入集熱棚內(nèi)空氣在豎直平面內(nèi)通過的面積減少，空氣速度增大，蓄熱層壁面換熱增強，集熱棚出口處氣流溫度較高，棚內(nèi)外氣流溫度差增大，密度差增加，浮升力增大，表現(xiàn)為Gr數(shù)逐漸增大。

不同集熱棚傾角下，集熱棚內(nèi)格拉曉夫數(shù)Gr變化范圍在8.0×109～1.55×109之間。隨著集熱棚傾角降低，當集熱棚傾角為10°時格拉曉夫數(shù)Gr等于1.55×109，為最大值。

圖7為豎直平面內(nèi)在集熱棚傾角為10°時，選取總測試數(shù)據(jù)中典型天氣氣象條件，如晴朗、多云、無云氣象條件，集熱棚豎直面Gr分布。從圖7中可以看出，在10°集熱棚傾角下豎直平面內(nèi)Gr數(shù)分布趨勢類似。隨著輻照強度GHI在400～600 W/m2范圍增大，豎直平面內(nèi)Gr數(shù)逐漸增大。在測試期間輻照強度達到600 W/m2均在上午11:00左右，在測試期間環(huán)境風速均小于等于2 m/s，但在9月5日和9月9日，當輻照達到800 W/m2時天氣出現(xiàn)多云，且風速增大，故Gr降低；在9月12日由于全天風速均大于3 m/s，Gr較為平緩。

圖7 10°集熱棚傾角下典型氣象條件豎直面Gr分布Fig.7 Vertical surface Gr number distribution of typical weather conditions in same heat collector slop(10°)

4 結(jié) 論

針對呼和浩特地區(qū)不同集熱棚傾角下太陽能煙囪集熱特性開展試驗研究，優(yōu)化太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)集熱集熱特性。分別對不同集熱棚傾角下不同輻照強度GHI蓄熱層表面的溫度場、溫度分布均勻性以及集熱棚豎直平面格拉曉夫數(shù)Gr進行比較分析，得出以下結(jié)論：

1）不同集熱棚傾角下蓄熱層溫度場溫度分布不同，溫度場非均勻性系數(shù)在0～1.7之間，當集熱棚傾角為10°時，溫度場非均勻性系數(shù)在0.15～0.24之間，蓄熱層均勻性較好，集熱性能存在最優(yōu)值。在相同輻照強度條件下，環(huán)境溫度及風速對蓄熱層最高溫度有一定影響。

2）不同集熱棚傾角下集熱棚內(nèi)豎直平面溫度分布不同，集熱棚出口處最高溫度隨集熱棚傾角降低而增加，當集熱棚傾角為10°時，集熱棚出口平均溫度為53.5℃較其他集熱棚傾角下存在最大值，且豎直平面內(nèi)最大溫度偏移較低。

3)不同集熱棚傾角下，集熱棚內(nèi)格拉曉夫數(shù)Gr變化范圍在8.0×109～1.55×109之間。隨著集熱棚傾角降低，當集熱棚傾角為10°時格拉曉夫數(shù)Gr等于1.55×109，為最大值；且在相同集熱棚傾角下，不同天氣情況Gr數(shù)變化趨勢相同，輻照強度及環(huán)境風速對Gr具有較大影響，直接決定Gr的變化規(guī)律。

綜上所述，在呼和浩特地區(qū)對太陽能煙囪集熱系統(tǒng)進行測試分析，確定最佳集熱棚傾角。在10°集熱棚傾角下，集熱棚蓄熱層溫度場分布、均勻性、集熱棚豎直平面內(nèi)集熱棚出口溫度及Gr存在最大值。認為在呼和浩特地區(qū)選取集熱棚傾角10°在結(jié)構(gòu)上更為合理。

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