立式集热板太阳能热气流发电系统非稳态耦合自然对流换热及流动特性研究

提出一种依托高层建筑、利用太阳能热气流提供分布式电能的立式集热板太阳能热气流发电系统，对该系统非稳态耦合自然对流的流动及传热特性进行系统研究，获得提高其运行性能的手段及方法。通过综合考虑温压耦合、传热及流动过程耦合及流道内壁面及流动过程流阻的影响，将自然对流流动与涡轮风力机气动特性及发电机阻力特性相结合，建立系统坚直通道内的传热及流动模型，并建立系统内各物理量间的场协同关系，采用理论模拟，获得电站系统内空气的流场规律，及综合传热性能高的系统结构；采用实验法探讨系统启动及运行的稳定性，并完善电站系统的理论模型；探讨熵产最小理论及火积耗散极值原理在太阳能利用系统中的应用；系统分析电站系统的能量传递与转换过程，找到提高系统的热效率及火用效率的方法。该研究所得结论可为今后大规模推广应用立式集热板太阳能热气流电站系统奠定理论基础。

本课题将立式集热板太阳能热气流发电系统作为研究对象，详细分析了温压耦合作用下系统的驱动机理，建立了系统内外压力相互关系模型，推导出了系统的抽力计算公式、系统的输出功率、总能量转换与利用的理想效率、实际效率的理论计算式，并对系统的实际运行过程性能参数进行分析，确定了涡轮风力机的布置方案；将发电系统作为一个整体，通过对系统的流动及非稳态自然对流特性进行模拟分析，获得了影响系统运行性能的主要因素；建立了发电系统的实验装置，通过实验采集数据得到了系统内气流温度、速度随时间的变化趋势，并通过实验测定了多种蓄热材料和结构下系统运行的连续性及稳定性来获得适合本系统的蓄热材料及结构；通过对系统的热动力学的研究，建立了系统中场协同关系，基于火积耗散理论对系统的性能进行了研究；基于场协同原理，利用纵向涡发生器改进了系统的结构，通过数值模拟和实验研究优化了系统的传热流 动性能，从而获得综合传热性能高的结构形式，同时设计了更适用于系统的涡轮机叶片的形式，从而提高了系统的效率。课题组在青岛蓝园建设了一种依附楼体的太阳能热气流试验电站，目前该试验电站正在建设施工中。