太阳能引射流空气流体发电系统的热力学原理.doc

太阳能引射流空气流体发电系统的热力学原理摘要：本文在太阳能引射流空气流体发电原理的基础上，以太阳能引射流空气流体发电系统固有的热力学性能，全面的描述了太阳能空气引射射流管结构，空气流体参数及其太阳辐射与环境条件对空气引射射流管集热性能的影响，是太阳能引射流空气流体发电系统优化设计和高效率运行的理论基础，也是太阳能引射流空气流体发电系统设计的重要依据。关键词：太阳能发电；引射射流管；能量转换效率；空气加热换热器；0 引言空气和太阳能是人类赖以生存，取之不尽，用之不竭的最为廉价的自然资源，如果同时利用这两大资源进行发电，将给人类开劈一条可再生能源利用的新途经。基于太阳能引射流空气流体发电这一原理，太阳能引射流空气流体发电系统只需构建一个直立的中空管状空气引射射流管，内部安装空气涡轮发电机组，就组成了太阳能引射流空气流体发电系统。本文在太阳能引射流空气流体发电原理 1 2 的基础上，以太阳能引射流空气流体发电系统固有的热力学性能，全面的描述了太阳能空气引射射流管结构，空气流体参数及其太阳辐射与环境条件对空气引射射流管集热性能的影响，是太阳能引射流空气流体发电系统优化设计和高效率运行的理论基础，也是太阳能引射流空气流体发电系统设计的重要依据。1 太阳能引射流空气流体发电系统的工作原理简述太阳能引射流空气流体发电系统示意见图1。图1太阳能引射流空气流体发电系统Fig.1 Solar energy air fluid electric power generation system太阳能引射流空气流体发电站由3个主要部件组成：直立的空气引射射流管和低倍率抛物面聚光反射光槽，风力透平 发电机装置。采用抛物面聚光反射光槽作为空气引射射流管的辅助热源，更加有效的利用了太阳辐射热。对空气引射射流管的太阳辐射热，此时已经不是单侧面了，而是空气引射射流管和聚光反射光槽所受到太阳辐射热的复合叠加，构成了高效能的空气加热换热器系统。在太阳能引射流空气流体发电系统中，空气加热换热器吸收太阳能，并加热空气，使空气温度升高，密度降低，热空气形成沿空气加热换热器，向上拽升的热气柱气流，从而推动风力透平 发电机装置发电；同时冷空气被不断的吸入到空气加热换热器里，将太阳能转换成电能。2 太阳能能量转换过程和效率空气加热换热器内的空气被加热，根据能量守恒定律可知，在稳定状态下，空气加热换热器在规定时段内输出的有用能量，等于同一时段内入射在空气加热换热器上的太阳辐照总和，减去空气加热换热器对周围环境散失的能量。2.1 太阳能到空气热能的转换空气加热换热器是太阳能引射流空气流体发电系统所有能量的来源。空气加热换热器的吸热性能和热传导性能，将决定空气产生向上拽升气流的强度，因此空气加热换热器，采用热传导系数非常高的材料制成，并在其外表面涂敷吸收率高的近似黑体的涂敷材料，作为空气加热换热器外表面的涂敷层。由于空气加热换热器内空气的温度差，导致空气加热换热器与空气之间的热量交换 3 ，主要的热量交换方式为流动的空气与空气加热换热器之间的对流传热，对流换热量由环境温度Ti增高到出口温度T0。设空气温度的质量流率为，定热比热容为cp,则单位时间内，空气吸收的热能可用下式表示: （1）式中 （2）其中， 温度时的空气密度，为空气加热换热器出口处的空气流速，是空气加热换热器入口处的横截面积。由于计算的简便，假定对流换热的热量全部转化为空气的温度升高，设太阳辐照度为，空气加热换热器的采光面积为，则空气的热转换效率可用下式表示: （3）式中 (4)2.2 加热换热器中空气热能到动力能的转换冷空气进入空气加热换热器形成上升的热气柱，由于空气压强差的形成，空气密度差发生变化，空气的引射功来自由温差T =（ Ti T0 ）导致的空气密度差所产生的浮力，设空气加热换热器的高度为H，则由浮力产生的压强差为 （5）式中和分别为环境和加热换热器内高度y处的空气密度。流体密度随温度的变化关系通常以体积膨胀系数来表示： （6）设加热换热器内的空气温度T沿上升方向y为线性变化，即 （7）上式表明，加热换热器的引射能力与和成正比，与成反比。空气加热换热器中空气柱具有的总功率为 （8）写成功能的形式，为 （9）根据工程热力学理论，加热换热器出口的质量流率为和流速为的空气流具有的动能为 （10）在理想情况下，为空气加热换热器中发电机提供的机械能为 （11）则发电系统最高的输出电功率为 （12）由上面的发电功率的计算公式可以看出，太阳能引射流空气流体发电系统的发电功率，主要由空气换热器的特性决定。公式首先表明了空气的基本参数，反映了发电功率与温度的间接函数关系，公式又表示了发电率与空气温度的直接函数关系，并且还可以看出发电功率与太阳能引射流空气流体发电系统的几何尺寸的变化关系。说明了太阳能引射流空气流体发电技术的总能量转换效率，决定于空气加热换热器所提供的总效率是基于热力学原理 45 。3 结论通过简述太阳能引射流空气流体发电系统的工作原理，并提供热力学计算公式，指出由于空气产生的浮力所造成的压强差的不同，可计算出发电系统的转换效率，完全适合空气加热换热器发电系统的理论计算。太阳能引射流空气流体发电是一种新型的太阳能发电形式，是大规模开发利用太阳能资源的一条新途径，这项技术我国是走在世界前列的，必将受到广泛的关注，主要是它具有以下优点:1) 太阳能引射流空气流体发电技术是环境友好的清洁能源，不会象化石能源产生环境污染，太阳能几乎是取之不尽，用之不竭。太阳能引射流空气流体发电技术是可再生能源的开发利用，对缓解日益严重的能源危机有重要意义。2) 太阳能引射流空气流体发电技术能实现单元级的小型化，大中型的集约化，大规模的生产化太阳能热力利用的发电规模。由于占地面积小，适合于建在我国的各个地区，这对于耕地面积锐减的当今世界也具有重要的现实意义，因此太阳能引射流空气流体发电技术更适合于我国广阔的西部地区，为我国的西部大开发做出独特的贡献。3) 太阳能引射流空气流体发电技术是一种很好的太阳能转化技术，所需设备与技术相对较低，在太阳能资源丰富、又缺电的地区具有相当的吸引力及开发价值，有着极强的与常规能源发电的竞争能力。4) 太阳能引射流空气流体发电技术具有极高的实用性，而且投资特别少；并且结构简单合理，装置紧凑，重量轻盈，安装便利，及其容易制作，运行费用低，而且效率特别高，使用时间非常久远的优良特点。特别是设备规模越大，功率越大，发电的效率也越高，从经济效率上讲，最适合于建立大功率的太阳能引射流空气流体发电站。5) 太阳能引射流空气流体发电技术除了在能源开发上被利用以外，近年来用于改善局部地区的空气扩散，消除局部空气污染上的研究报道也很多 67 。研究开发太阳能引射流空气流体发电技术，是当前太阳能利用的热点课题，希望我国的广大科技工作者，在这一新兴技术的开发和利用上做出最大的贡献，为我国电力事业提供巨大的电力资源，从而推动我国太阳能产业的大力向前发展。符 号 表Ach 加热换热器横截面积, ;Acb 采光面积（复合）总面积, ;Ac 单侧面太阳辐照量, ;Ab 补助热源量Cp 定压比热容, J/();G 太阳辐照密度, Wm-2; 单位时间空气在加热换热器内获得的太能,W; 入口处与出口处压力差, Pa;Kp 辅助热源控制系数倍数,n; 加热换热器高度，m ;Ti 出口温度，；T0 进口温度，； 进口与出口处温差，； 空气的质量流率，/s;Cp 定压比热容, J/(); 空气流动速度，m/s 加热换热器热转换效率, ;g 重力加速度,m/s2 空气热膨胀系数，1/； 出口空气密度，kg/m3; 进口空气密度，kg/m3; 最大输出功率，W；最大输出动力，W；最大转换功率，W；参 考 文 献1 王宝瑞 太阳能引射流空气流体发电系统 P 中国 发明 CN 101046191A.2 王宝瑞 太阳能引射流空气流体发电原理3 德Horst stocker 编著 物 理 手 册 M 吴锡真 等译著 北 京 北京大学出版社 2004.01. Vol: 592 621 . 4 西 德 H.D.贝 尔 著 工 程 热 力 学 杨东华 等译 北 京 科学出版社 1983 .5 时爱民 苏铭德 刘季捻 编著 气 体 动 力 学 基 础 北 京 科学出版社 1988 .6 BansalNK. Characteristic parameters of a hypocaustconstructionJ . B uildinga nd Environment,1999,34 (3) :305-318.7 Gan G. Parametric study of Trombe walls for passivecoolingo fb uildingsJ. Energya ndB uildings,1998,27 (0: 37-43 )文章标题（英文）Solar energy air fluid electric power generation system thermodynamics principleLuxicheng wangbaoruiAnshan science and technology administrative bureau（114032）E-mail: 关键词(英文)Key words:Solar energy electricity generation；Jet pipe；Energy conversion efficiency；Heating air heat exchanger ；文章摘要（英文）Abstract：This article in “Solar energy Jet pipe air fluid electricity generation principle”foundation，By the solar energy Jet pipe air fluid generating system inherentthermodynamics performance, the comprehensive description solar energy Jet pipe jet pipe structure, the air fluid parameter and its thesolar radiation and the environmental condition to Jet pipe thejet pipe collection therma