综述：太阳能上升气流塔的几何适应与系统集成：十年综合研究项目的洞见

《Energies》：Geometry Adaptation and System Integration of a Solar Updraft Tower: Insights from a Decade of Inclusive Synthesis Research Program

　　

本研究描述了一个为期十二年的多阶段研究项目的主要成果，该项目聚焦于太阳能上升气流塔（solar updraft tower）的系统几何与集成。研究以协同方式回顾了该项目不同阶段的主要结论。核心目标与贡献在于将关键发现整合于一篇文献中，该文献内在关联了研究方法、组件分析及研究问题的发展脉络，该问题将太阳能上升气流塔的简单概念与其在本地环境中的实施（包括局限性）联系起来。在本工作中，所有验证均在可达到的最接近匹配条件下进行。项目的第一阶段涵盖原型开发与系统模拟模型的验证。基于此工作，建立了一个用于优化未来系统设计的几何关系式。在后续阶段，研究了集热器（collector）面积的缩减，并引入了一个新概念。通过使用一个跟踪反射镜（tracking mirror）将太阳热辐射反射至塔基，引入热聚光（thermal concentration）以补偿热体积的缩减。随后开发了一个模拟模型，以研究太阳能上升气流塔适应高山地形（alpine terrain）的能力，该地形模拟了当地景观。在最后阶段，对涡轮叶片（turbine blade）翼型进行了优化与验证，但由于时间与收敛性限制，其未能纳入整体系统模拟。取而代之的是，在斜坡集热器（sloped collector）太阳能塔中采用了反向风扇模型（reverse fan model），这引入了偏差裕度，但允许预测涡轮的运行域。

1. 引言

人口增长与城市扩张持续扰乱伊拉克及其北部地区解决电力短缺的计划。国家历史上严重依赖化石燃料，向可再生能源的转型虽已开始但仍低效且受限。水电曾作为唯一重要的可再生贡献来源，但其作用受年降水量、灌溉需求及饮用和工业用水需求的影响。地区电网供电长期低效，为弥补电力短缺，当局依赖私营的分散式区域柴油发电机，其电价可高达公共电价的10至15倍。太阳能是该地区潜力高且可利用范围广的可持续能源。以伊拉克北部埃尔比勒市为例，12月冬至日太阳高度角8度时日光照时约8小时，6月日太阳辐射量超过8.5 kWh/m²。太阳能上升气流塔基于太阳能烟囱原理，即自然现象的应用，由集热器、烟囱及改良空气涡轮组成。集热器利用玻璃等透明材料引发温室效应，加热其下方空气，热空气上升通过塔内涡轮驱动发电。系统吸引力在于其简单性，集热器建造简单且可适应地形，塔可利用现有高层结构或顺应自然上升地形。本工作回顾了研究项目五个渐进阶段，包括建立尺寸关系、缩减集热器形状、引入热聚光、模拟山地适应及涡轮建模与优化。

2. 历史背景

达芬奇500年前即在其热空气旋转烤肉叉装置插图中捕捉了太阳能上升气流塔的动态特性。1903年西班牙上校Isodoro Cabanyes提出概念并发表于杂志，二十多年后法国工程师Bernard Dubos向法国科学院提出利用山坡克服塔高度挑战的类似概念。1931年德国作者Günther发表了太阳能上升气流塔温室效应概念。二战后，Ridley于1956年进行预热塔增加热增益实验，Nazare于1964年提出扩散器几何形状建议。西班牙Manzanares原型由Schlaich Bergermann建造，目标输出50 kW，由德国研究技术部资助，运行于1982至1989年，至今仍是最大模型和主要实验数据来源。2011年11月作者开始探索该技术，2012年正式开展实践实验，构建了基础模型，其集热器周边入口高30 cm，靠近烟囱基部增至80 cm。主要限制是聚乙烯覆盖材料对灰尘、雨水及强风的敏感性。

3. 几何优化建模

早期研究包括研究环境条件和大规模几何对输出功率的影响，组装首个Ansys Fluent CFD模型模拟西班牙原型，建立含储热层的分区数学模型，模拟无涡轮无储热增强的自然对流，并利用扩展Darcy模型研究系统效率，指出烟囱出口显著损失。几何研究持续通过CFD进行，包括研究发散烟囱集成倾斜集热器布局、优化集热器入口开度与烟囱发散角、开发无量纲模型、建立非稳态模拟模型以确认塔高与输出的直接关系。此外研究了合并对流轴对称域中主组件几何约束比，及聚敛形倾斜集热器中空气热力学。本研究采用稳态二维轴对称模型，基于不可压缩流动和均匀加热假设，忽略横向流、温度梯度及瞬态效应，物性固定除密度采用Boussinesque近似，使用标准k-epsilon湍流模型。利用Ansys Fluent建模，采用离散坐标辐射模型。由于实验中断，利用西班牙原型数据和边界条件构建验证模型，经过网格无关性验证，0.9 m单元尺寸被选用。通过西班牙实验数据的速度和温度对比及Rayleigh数文献对比完成验证。参数研究揭示了集热器下温度、压力和速度的径向分布，过渡区即烟囱基部附近出现最高值。通过180多个案例测试建立了集热器直径与塔“高度和直径”的匹配关系，并通过130个案例建立了集热器入口面积与集热器直径的关系。

4. 实验工作与缩减几何

自西班牙La Mancha平原装置倒塌后，全球开展了多项实验研究。1998年佛罗里达州盖恩斯维尔实验关注集热器扩展和储热材料作用。中国武汉实验聚焦集热器内时间-温度效应。土耳其Adiyaman实验确认环境温度作用并绘制集热器下气流剖面。印度Kota实验验证了Ansys Fluent模拟结果。日本福冈团队建议4度发散角塔。土耳其Edirne团队实验了35%穿孔面积的可渗透集热器。伊朗Tafresh团队比较了三种集热器配置。本阶段工作源于对集热器面积有限的担忧，设计了仅保留圆形集热器面积三分之一的楔形集热器，集热器两侧封闭，限制空气仅从朝南的前端进入。集热器分为16个扇区，每个扇区7排。温度数据由12个传感器采集，配备数据记录器、风速计和日射强度计。2017年秋至2018年春进行数据收集。集热器效应(E_c)被定义为最大温差与环境温度的关系。结果表明温度和速度同时达到峰值，太阳辐射正午最高，环境温度约两小时后最高。封闭侧边使气流更呈纵向而非径向，类似通道流动。

5. 太阳热聚光效应

为弥补集热器面积缩减至三分之一的不足，引入了反射式跟踪太阳热聚光。相关研究包括带跟踪镜的方形缩比集热器、带增强器和空气汇的聚光系统、带八边形烟囱的实验室装置及使用定日镜模型的手动反射系统。本研究采用1×1.6 m平面反射镜，由两个直流电机驱动的跟踪机构支持，用于日常和季节性调整，置于系统北侧，将太阳辐射反射至塔基。研究发现热聚光显著提高了塔基温度，峰值时最大可达温度增加10.25%，气流速度最大改善22.2%。建立了包含直射、散射和反射辐射的能量守恒算法进行模拟，与实验对比平均偏差温度结果7%，气流速度7.7%。热传递机制基于准稳态能量平衡方程。2018年8月18日，由于工程学院行政决定将该区域用作停车场，实验装置被强制拆除，持续六年的实验工作终结，后续研究转向建模与模拟。

6. 适应斜坡集热器的景观

为解决山地或丘陵地形限制大型平坦集热器建设的问题，本研究模拟了与自然景观平行的斜坡集热器。相关研究包括突尼斯Sfax团队关于集热器屋顶高度和入口开度的影响，印度Telangana团队关于塔高和集热器坡度的影响，及阿尔及利亚团队关于入口坡度的研究。本研究在Ansys Fluent中建立三维稳态不可压缩流动模拟，采用Boussinesque近似和标准k-epsilon湍流模型。初始35度集热器坡度使塔高降低70 m，水平跨度减少22 m至100 m。研究发现35度是集热器有效表面全年太阳覆盖的阈值坡度角，而0至5度是获得最佳温度结果的坡度范围。随着坡度增加，塔容量减少近36%，整体空气体积减少约22%。与常规系统相比，斜坡集热器太阳能上升气流塔气流速度落后最高43.14%，最大可达温度落后40.9%。通过网格无关性验证选择了0.6 m单元尺寸。

7. 涡轮效应的发展

涡轮是太阳能上升气流塔发电的关键部件。西班牙实验部署了基于滑翔机设计的FX W-151-A复合材料四叶片可变桨距转子，利用系统总压降的80%。相关研究包括南非Maitland团队对涡轮入口过渡区的流动特性研究，南非Stellenbosch团队对转子布置和入口导叶的研究，中国武汉团队使用CLARK Y翼型的三叶片转子模拟，中国西安团队和韩国首尔团队对反向风扇模型与涡轮模型对比的研究，及其他团队对涡轮压降-集热器效率关系、最佳涡轮位置、轴向流动转子设计及导叶作用的研究。本研究基于叶素动量理论建立涡轮设计数学模型，选用NACA 4412翼型，因其在低转速下具有良好性能。模拟在Matlab中进行，通过三阶段比较验证：5 m直径配置（弦长偏差6.36-8.75%，相对流动角偏差2.48%，扭角偏差10.87%）、3.75 m直径三叶片S890翼型配置（最大偏差7.646%）及全尺寸CLARK Y翼型配置（最大偏差9.63%）。模型与QBlade软件及文献数据对比验证。由于集成和收敛问题，优化后的涡轮模型无法直接集成到斜坡集热器配置中，改用反向风扇模型。该模型在平集热器系统测试中显示了可接受的温度（偏差5.05%至10.36%）和速度（偏差4.97%至7.96%）结果。