ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОПРИЁМНИКЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

SOLAR ENERGY

Статья поступила в редакцию 05.12.12. Ред. рег. № 1464 The article has entered in publishing office 05.12.12. Ed. reg. No. 1464

УДК 621.472

ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОПРИЁМНИКЕ СОЛНЕЧНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКИМ КОНЦЕНТРАТОРОМ

Л.И. Кныш

Днепропетровский национальный университет им. О.Гончара, пр. Гагарина, 72, Днепропетровск, Украина, 49010, Тел. +38 056-776-82-05, +38 056-760-90-43, E-mail: lknysh@ukr.net

Заключение совета рецензентов 13.12.12 Заключение совета экспертов 20.12.12 Принято к публикации 28.12.12

Приведены результаты численного исследования гидродинамических и теплообменных процессов в трубчатом теплоприёмнике солнечной электростанции с параболоцилиндрическим концентратором. Моделирование проводилось на основе созданной математической модели, в которой учитывалась неравномерность поступления солнечной радиации от концентратора на поверхность теплоприёмника. Численные исследования выявили распределение температурных полей в теплоприёмнике и влияние на них внешних факторов.

Ключевые слова: солнечная электрическая станция, уравнение энергии теплоносителя, относительная среднемассовая температура теплоносителя, численные эксперименты.

FEATURES OF HYDRODYNAMICS AND HEAT TRANSFER IN HEAT RECEIVER OF THE SOLAR POWER PLANT WITH CYLINDRICAL PARABOLIC CONCENTRATOR

L. I. Knysh

Oles Honchar Dnipropetrovsk National University Gagarin avenue, 72, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, Tel. +38 056-776-82-05, +38 056-760-90-43, E-mail: lknysh@ukr.net

Referred 13.12.12 Expertise 20.12.12 Accepted 28.12.12

The results of numerical research of hydrodynamic and heat exchange processes in a tubular heat receiver of solar power plants with cylindrical parabolic concentrator are presented. Simulation was carried out based on established mathematical model, taking into account the non-uniformity of the incoming solar radiation from the concentrator to the surface of the heat receiver. Numerical studies show distribution of temperature fields in the heat receiver and effects of external factors.

Keywords: solar power plant, energy equation of heat carrier, relative average mass temperature of heat carrier, numerical experiments.

Сведения об авторе: Днепропетровский национальный университет им. О. Гончара

Образование: Днепропетровский национальный университет им. О.Гончара, Днепропетровск, кандидат технических наук

Область научных интересов: солнечные энергетические установки Публикации: 47

Людмила Ивановна Кныш

Введение

Промышленное производство солнечного электричества в мире формируется в отдельную отрасль энергетики, переходя от экспериментальных научно-исследовательских объектов к крупным

коммерческим проектам, имеющим существенный экономический эффект.

На повестке дня уже не стоит вопрос целесообразности использования промышленных солнечных электростанций (СЭС) и их сравнение с автономными. В настоящее время все исследования

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Л.И.Кныш ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОПРИЕМНИКЕ

направлены на минимизацию негативных аспектов, к которым можно отнести:

- высокую стоимость энергии, вырабатываемой на крупных СЭС, связанную как с их высокой материалоемкостью, так и с длительными сроками окупаемости;

- относительно низкий КПД крупных СЭС;

- необходимость создания инфраструктуры передачи электроэнергии: крупные станции часто находятся на удалении от потребителя, а стоимость километра линии передачи по мировым ценам приближается к миллиону долларов;

- увеличение нагрузки на действующую сеть при передаче «зелёной» электроэнергии;

- потери, которыми сопровождается передача электричества;

- проблемы с выделением и эффективным использованием земельных ресурсов;

- вопросы охраны и обслуживания: крупная солнечная станция, как и любая другая генерирующая станция, является стратегическим объектом, что влечёт за собой использование усиленных методов защиты, требующих значительных средств.

Увеличение количества СЭС, вводимых в эксплуатацию, и наращивание мощностей существующих и вновь строящихся станций существенно снизит стоимость солнечного электричества, приблизив её показатели к показателям станций на традиционном топливе.

Другой путь снижения стоимости электрической энергии, вырабатываемой на СЭС, это увеличение эффективности преобразования энергии Солнца, основанное на усовершенствовании существующих технологий и поиске новых технических решений для таких станций. Одним из таких решений можно считать совмещение термодинамического и фотоэлектрического преобразования энергии Солнца.

Концепция такой комбинированной станции базируется на достаточно хорошо апробированной технологии параболоцилиндрических СЭС типа LUZ и предполагает введение в теплоприёмник дополнительного фотоэлектрического модуля с высокотемпературными солнечными элементами. Проектирование и расчёт подобной системы невозможен без детального анализа характеристик каждого её элемента с последующим обобщением полученных данных.

На первом этапе был проведён расчёт распределения теплового потока на поверхности теплоприёмника [1], который позволил чётко сформулировать граничные условия для последующего исследования особенностей тепломассопереноса в трубчатом комбинированном теплоприёмнике. Такое исследование требует определённой детализации. Поэтому крайне важным моментом можно считать определение температурных показателей в трубчатом

теплоприёмнике без солнечных элементоы с последующим обобщением на теплоприёмники других типов.

Математическая модель тепломассопереноса в трубчатом теплоприёмнике базируется на классической системе уравнений Навье-Стокса для ламинарного режима. Именно такой режим обеспечивает необходимый температурный уровень установки.

После упрощений, характерных для модели тонкого слоя [2], математическая модель тепломассопереноса сведётся к уравнению энергии для теплоносителя в канале:

©, г) _д 2&(я, ©, г) 1 1 д&(я, ©, г)

+, (1)

Wz (R)

dZ

1 d2S(R, ©, Z)

dR

R dR

4n R2

5©2

граничным условиям на тепловоспринимающей поверхности теплоприёмника:

„ . hA0 © f Ав при R = 1, -< © < ■

2n

2n

o<z<-L.±, ^©,Z) = o,

RTP Pe

dR

(2)

n , fАв ИАв при R = 1, --< © < -

2n

2n

n V L 1

0 < Z <---

RTP Pe

=К,-f © f _, Z) -dR 2 , (3)

-Sk (&(Щ - h, Z) + £)4

условию на оси потока:

при R = 0, 0 <©<1, 0 < Z <-

L J_

RTP Pe'

= 0,

d¿>(0, ©, Z) dR

условию цикличности:

при © = 0, © = 1, 0 <R < 1,

(4)

L1

0 < Z <---,

RTP Pe

(5)

3{ я,о, г) _з( яд г),

условию на входе в трубу:

при г _ о, о < я < 1, о <©<1, 3(я, ©,0) _ 1. (6)

Приведенная система записана в безразмерной форме, причём в качестве характерного размера была выбрать величина радиуса трубы с теплоносителем г

ЯТР. Тогда Я _--безразмерная радиальная

ЯТР

координата, г _ —---— - безразмерная осевая

RTP Pe

координата, © =

2п

безразмерная угловая

координата. Выражение для безразмерной относительной избыточной температуры имеет вид:

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

3( R, ©, Z ) =

Т (r ,0, z ) - Т0 Т - Т

1 ВХ 1 0

Учёт лучистого

теплообмена в безразмерных уравнениях для граничных условий проводился с помощью чисел

Чрез ^ГР

Кирпичёва: Ki =

Sk = еа0 (ТВХ Т0 ) RIP

и Старка

Я(ТВХ -Т0)

В числе Кирпичёва

я

результирующее значение теплового потока таково:

ЧРЕз = j ЕП (Rrp ,0)d0, а добавочный

член,

f-Д0

соответствующий граничным условиям Стефана-

Больцмана, такой 3 = -

T

± п

Т - Т

1 ВХ L 0

. Конвективный

теплообмен между тепловоспринимающей поверхностью приёмника и окружающим воздухом учитывается с помощью критерия Нуссельта

Ыи =-— . Соотношение между коэффициентом

А

теплопроводности окружающего воздуха А и коэффициентом теплопроводности теплоносителя А

такое я=

я я

Система уравнений (1)-(6) дополняется профилем скорости Пуазеля, который в безразмерных переменных имеет такой вид:

w (r) 2

Wz (R) = 2(1 - R2) .

w

Метод решения

Полученная система уравнений решалась численно на основе созданного программного модуля. Такой модуль в качестве подпрограммы включал определение значение теплового потока от концентратора в каждой точке

тепловоспринимающей поверхности приёмника, проводимое с помощью метода статистических испытаний (Монте-Карло). Второй подпрограммой модуля, которая согласовывалась по граничным условиям с первой, является подпрограмма для определения температурных режимов в трубчатом теплоприёмнике. Такая подпрограмма была реализована методом контрольного объёма на основе локально-одномерной разностной схемы, причём конвективные члены интегрировались разностями против потока, а диффузные члены - по неявной разносной схеме. Шаг расчётной сетки выбирался в соответствии с критерием устойчивости решения, причём в качестве такого критерия выбиралось значение сеточного числа Пекле, характерное для схемы «против потока» [3].

Полученное численное решение было протестировано на классической задаче Гретца-

Нуссельта, которая имеет точное аналитическое решение, состоящее из рядов, которые содержат собственные функции [2]. Сравнение проводилось при фиксированном значении относительного радиуса с первыми тремя членами ряда. При сопоставлении численных и аналитических результатов получено практически полное их совпадение.

Результаты численного исследования

Геометрия единичного параболоцилиндрического модуля в численных экспериментах выбиралась в соответствии с геометрией системы приёма параболоцилиндрических СЭС LUZ, которые являются эталонными в данном сегменте [4]. В ходе численных экспериментов был определён не только наиболее рациональный радиус теплоприёмника, но и размеры области максимальной концентрации излучения на приёмнике, что, в свою очередь, позволяет определить величину сектора приёмника, свободного от изоляции.

В качестве высокотемпературного теплоносителя при проведении исследования выбирался теплоноситель станций LUZ - синтетическое масло даутерм.

Согласование гидродинамических,

геометрических, и энергетических показателей системы приёма проводилось итерационным методом на основе интегрального уравнения теплового баланса системы.

На рис. 1 показано изменение относительной среднемассовой температуры теплоносителя при гидродинамически стабилизированном течении в зависимости от относительной длины канала Z. Каждая кривая соответствует различной степени точности изготовления поверхности концентратора S. Зависимость построена при средней скорости ветра wV = 3,8м / с , которая характерна для большинства областей Украины.

Рис. 1. Изменение относительной среднемассовой температуры теплоносителя по длине канала Fig. 1. Changing relative average mass temperature of heat carrier along the channel

Анализ графиков рис. 1 показывает, что точность изготовления концентратора существенно влияет на распределение среднемассовой температуры по

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

Л.И.Кныш ОСОБЕННОСТИ ГИДРОДИНАМИКИ И ТЕПЛООБМЕНА В ТЕПЛОПРИЕМНИКЕ ...

длине канала. Относительно точные концентраторы (8=0^0,5) обеспечивают стабильную температуру на выходе из канала. Рабочая температура при использовании концентраторов с существенными аберрациями (8=1) снижается значительно. Таким образом, при одинаковой геометрии системы приёма качество поверхности концентратов играет существенную роль в интенсификации теплообменных процессов, происходящих в теплоприёмном канале. Получить проектную температуру на выходе из канала при существенной степени аберраций поверхности зеркала возможно, увеличив размеры параболоцилиндрического модуля, что повлияет на общую стоимость установки. Кроме того, аберрации возникают не только при изготовлении концентратора, но и при его длительной эксплуатации (влияние погодных условий, перепад температур, механические повреждения и пр.). Подобные факторы необходимо учитывать при определении оптимальной геометрии системы и расчёте её энергетического режима.

На рис. 2 показано влияние внешних климатических условий, в частности скорости ветра, на теплообмен внутри канала. Исследование проводилось для относительно точных концентраторов (8=0,125).

i

О 0,002 0,004 0,006 0,000 0.01

отно сител ьнан дли на канала

Рис. 2. Изменение относительной среднемассовой избыточной температуры теплоносителя при различных

скоростях ветра Fig. 2. Changing relative average mass temperature of heat carrier at different wind speeds

В качестве расчётных выбраны ветровые показатели, характерные для территории Украины. Как и следовало ожидать, изменение скорости ветра влияет на теплоотдачу внутри канала с теплоносителем. Увеличение скорости ветра снижает рабочую температуру в канале. Для минимизации конвективных потерь используется дополнительное остекление теплоприёмника. Конструкция теплоприёмника типа «труба в трубе» является технически более сложной и менее надёжной, чем одиночная труба. При значительных длинах канала такая конструкция может подвергаться деформации под действием внешних условий и термических напряжений внутри канала. Создание и поддержание вакуума в межтрубном пространстве - ещё одна техническая проблема, решение которой связано с

определёнными трудностями. Тем не менее, эффект от проведенных мероприятий может быть существенен, особенно при проектировании станций большой мощности.

Температура окружающего воздуха, в отличие от ветровых показателей, не оказывает решающего влияния на теплообменные процессы внутри канала. На рис. 3 представлено изменение относительной среднемассовой температуры теплоносителя по длине канала в диапазоне температур, характерных для центральных и южных областей Украины -от -100 С до +300С.

Рис.3. Изменение относительной среднемассовой температуры теплоносителя при различных значениях

температуры окружающего воздуха Fig.3. Changing relative average mass temperature of heat carrier at different ambient temperatures

Полученные графические зависимости можно считать в некотором смысле тестовым. Они построены для геометрических показателей системы приёма станций LUZ при температуре на входе, характерной для таких станций. Полученные на основе проведенных численных расчётов значения температур на выходе из теплоприёмного канала единичного модуля, полностью совпадают с проектными температурными показателями американских станций [4].

Выводы

Численные исследования, проведенные на основе созданной математической модели

тепломассообменных процессов в трубчатом теплоприёмнике с нелинейными граничными условиями, позволили определить температурные поля внутри такого теплоприёмника и выяснить влияние на них внешних факторов. Проведено согласование энергетических, динамических, и геометрических характеристик системы приёма концентрированного солнечного излучения. Численные алгоритмы реализованы на основе созданного программного модуля, с помощью которого проведены эксперименты по определению основных показателей СЭС LUZ. Получено полное совпадение результатов с техническими параметрами СЭС LUZ, что доказывает корректность

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 02 (119) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

математической модели и достоверность полученных данных.

Список литературы

1. Кныш Л.И. Численное моделирование лучистого теплопереноса в системе концентрации солнечного излучения «параболоцилиндрический

концентратор - трубчатый теплоприёмник» // Ввдновлювана енергетика. 2012. №3 (30). С. 26-32.

2. Петухов Б.С. Теплообмен в ядерных энергетических установках. М.: Атомиздат, 1974.

3. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Solar Electric Generating System IX Technical Description. LUZ International Limited. 1990.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 02 (119) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013