| 大力发展可再生能源是应对日益严峻的能源环境危机的有效举措，基于太阳能光伏、太阳能热发电和风力发电等相关可再生能源技术的大力发展，各种新型可再生能源应用系统不断出现。本文的研究基于自然界尘卷风的形成机制，提出了一种与光伏系统复合集成、太阳能光伏余热/太阳能光热驱动的聚热棚可控热成旋转风风能系统。 本文针对可控热成旋风风能系统聚热棚内部的传热流动特性与风力机能量输出的能效分析以及经济环境效益评估等主要问题进行了实验、理论分析和数值模拟研究。对于热成旋转风（旋转热浮力射流）发生装置——内侧带有预旋叶片的聚热棚，研究其结构参数对出口旋转风场的影响特性，包括聚热棚的相关尺寸和预旋叶片进气预旋角度、热源温度等参数的影响；对于系统风能输出装置，根据聚热棚中心出口流场特征，提出了一种新型的螺旋型叶片风力机结构，数值模拟研究了与聚热棚耦合后的内部流场特性和螺旋叶片风力机能效输出；通过聚热棚热成旋风系统实际过程的热力分析、聚热棚底部蓄热层的传热（蓄放热）过程的衡算，完成了与光伏系统集成的聚热棚热成旋风系统的经济社会环境效益评价。主要结论如下： 1）通过带有8枚预旋叶片的直径4 m聚热棚模型实验研究，明确了聚热棚内部的流动性质为热驱动的湍浮力射流，聚热棚底部加热可以在中心出口处形成稳定的旋转风场。聚热棚底部加热面积以及加热温差的增大，可以有效提高聚热棚中心出口风场的轴向速度和切向速度，即有效合速度。通过与实验相同条件下的数值模拟比较分析验证了本文所采取的数值模型和方法的可靠性。 2）通过不同预旋角度以及尺寸的聚热棚三维物理模型构建及数值模拟，以3 m/s为最小启动风速以及经济风速为条件，获得了不同加热温差下具有风能利用潜力的旋转风场聚热棚的最小半径尺寸以及合理范围；提高聚热棚底部加热温度可以有效提高聚热棚中心出口的风速；增加预旋叶片进口角度，切向风速值有所减小，出口合速度值则增加，可获得更大的风能密度；通过聚热棚中心出口风场分析，给出了聚热棚中心出口半径与聚热棚半径的比值在0.025-0.05之间为宜。 3）根据现有标准NACA机翼型叶片风力机运行的风速范围，数值模拟得到了半径400 m的聚热棚风场，通过其与风力机透平耦合的数值模拟，比较了标准NACA机翼型叶片和螺旋叶片风力机的输出能效。相对于NACA叶片，螺旋形叶片风力机可以在更低的转速下获得更大的输出轴功以及更高的透平效率。基于聚热棚中心出口流场特征，进一步优化螺旋叶片结构参数，提出了轴向变径结构结构，对于最小直径20 m和最大直径28 m、轮廓为一个倒圆台形（高度60 m）的扭转角度为225°的螺旋叶片，其在80 K温差下的输出轴功峰值67 kW，效率峰值69%，最佳运行工作转速可设为30-34 rpm。提高聚热棚底面的加热温差，可以有效地提高风力机透平的输出功率。 4）阐明聚热棚热成旋风风能系统的理想热力循环类似于燃气轮机装置定压加热的布雷敦循环，热浮力气流上升高度和环境温度是决定其理想热效率的主因，更低的环境温度以及提高聚热棚底面热源的温度和蓄热量，可以有效提高系统热效率与能量输出。通过太阳能光伏电板背板与聚热棚蓄热层稳态传热模型的构建，实现了与光伏发电系统集成的聚热棚热成旋风风能系统的传热衡算。若光伏电板背板散热单独作为聚热棚底部蓄热层储热热源，则光伏系统运行时段内（以6小时计）蓄热层总蓄热量可维持蓄热层1小时25分钟的放热过程；须考虑蓄热层对太阳辐射热能的直接储热，以扩大聚热棚热成旋风系统风力机的运行时间及功率输出。若以6 h光伏系统输出电能，其余18 h持续采用热成旋风风能系统输出电能，则聚热棚底部蓄热材料质量为24336.32吨，对应的蓄热槽深度为0.061 m；热成旋风风能系统的日发电量理论最大值可达900kW·h，年发电量超过30万kW·h。 5）对于与1 MW光伏发电系统集成的中试尺度聚热棚热成旋风系统的构建，其投资成本约1500万元，主要的投资（三分之二以上）用于光伏系统，因此应寻求与已有成熟的光伏发电系统集成建设中试尺度的聚热棚热成旋风系统。对于未来与25 MW级光伏电站系统集成的聚热棚热成旋风风能利用系统，初步分析了集成系统以及聚热棚热成旋风风能利用系统的经济、环境与社会效益。初步估算，25 MW级光伏系统年发电量3200万kW·h、聚热棚热成旋风系统年发电量30万kW·h，当电价高于0.98元时，集成系统可在25年运营期内收回投资并开始盈利；当电价高于1.69元时，投资回收期可以缩短至10年以内。与25MW级光伏发电系统集成的聚热棚热成旋风风能系统，旋风风能系统每日运行18h，运营期内可节约标准煤2396.3吨，CO2排放量减少6287.9吨，SO2减少20.4吨，氮氧化物减少17.8吨，具有显著的经济、社会和环境效益。 |
