太阳能烟囱与旋风塔一体化风光互补系统耦合机理及流动传热特性研究

A novel power generation system integrated with solar chimney and tornado-type wind tower is proposed in this project. By using the high-elevation wind energy, this system can considerably alleviate the difficulty of constructing a gigantic chimney and improve the system continuity and stability. The goal of the project is to reveal the coupling mechanism and flow-heat transfer characteristics of the integrated system. The flow field structure of turbulent swirling flow inside the tornado-type tower is obtained using the PIV method; On the basis of environmental simulation technology, experimental study of a mini-type integrated system is carried out under controlled environmental parameters; Comprehensive theoretical and numerical models are developed combining the experimental data and used to investigate the static and dynamic operational characteristics of the system. Further, the design rules and control strategies of the integrated power generation system are studied and this would provide scientific basis for the application of the integrated system in Western China.

针对太阳能烟囱发电技术规模化应用中存在的热效率低、超高烟囱建造困难以及间歇性和波动性等问题，提出了太阳能烟囱和旋风塔一体化风光互补发电系统的概念。采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方式，深入分析该风光互补系统的耦合机理及其流动传热特性。借助粒子图像测速（PIV）系统，通过风洞实验揭示旋风塔内三维强旋湍流场的空间结构和流动特性；引入环境模拟技术，实现对环境参数主动控制条件下的小型装置实验研究；基于实验测量结果，完成一体化风光互补系统的数理建模及验证；借鉴气候学的研究方法和成果，利用大规模数值模拟详细研究系统的静态和动态运行特性，探索一体化风光互补系统的设计规律和控制策略，为该技术在我国西部地区的推广应用提供科学依据。

本项目立足于国家对洁净可再生能源的重大战略需求，创新性的提出太阳能热气流发电系统与旋风型风能发电装置联合利用的方案。本项目通过理论建模、数值模拟以及实验研究相结合的方法，针对旋风塔内旋涡流场结构及涡核分布规律、太阳能热气流系统内的流动换热特性以及系统的经济可行性等一系列的基础科学问题开展研究，结果表明：1）旋风塔内部流场显示出明显的类兰金涡特征，而入口风速大小、风速廓线以及塔体尺度缩放等因素对旋风塔内刚体涡和准自由涡的区域分布规律几乎没有影响，这一特性的揭示对旋风塔底部入口的匹配设计具有重要的参考意义。2）土壤蓄热对太阳能热气流发电系统内的流动换热以及运行特性有显著的影响，本项目构建的考虑土壤蓄热的非稳态数值模型能够提供更加准确可靠的性能预测结果；受土壤的蓄热释热特性影响，集热棚内的能量传递表现出明显的延迟效应，从系统接入电网以及高效运行的角度考虑，具有较大的比热容及导热系数的土壤较适合作为蓄热层使用。3）针对银川地区的地理气象条件设计的10MW太阳能热气流电站的年发电量可达40.22GWh, 根据中国市场条件估算的初始投资约为10亿元人民币，而均化发电成本（LCOE）仅为0.4178元/kWh，具有相当的成本优势。4）本项目提出的数值方法可以准确预测太阳能热气流发电系统的涡轮运行特性，从而明确了涡轮最优压降因子受太阳辐射度和环境温度的影响规律，相关理论成果为系统最佳运行工况点的预测提供了新途径。5）通过利用高空风能，太阳能烟囱和旋风塔组合系统的输出功率明显高于同等高度的传统太阳能热气流发电系统，可以有效的降低烟囱高度，减小高大烟囱的建造困难。本项目的研究成果为探索系统的能量存储与长期运行的合理匹配调节提供了指导性意见，同时也为该技术在我国西部地区的推广应用提供科学依据。同时项目执行期间共发表学术论文14篇，其中SCI检索8篇，参加学术会议5次。