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业
产
品
功
能
北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/11 13:58:57
摘 要：太阳能烟囱式热力发电是一项可利用太阳热能进行大规模发电的、非常有前景的清洁能源技术，在费用与性能上已经显示出了很大的优势，对人类环境的改善和电力行业可持续发展具有重要的战略意义，必将成为21世纪一种重要能源产业。为此，介绍了太阳能烟囱式热力发电技术产生的背景、原理与特点，世界各国太阳能烟囱式热力发电技术的研究进展及应用前景，以及主要相关技术，同时提出了发展中国太阳能烟囱式热力发电技术研究的建议。
关键词：太阳能烟囱；集热棚；空气涡轮机；热力发电
Technologyprogressinsolarchimneyforthermalpowergeneration
LONGXinfeng
(KeyLabofNationalEducationCommitteeHeatTransferEnhancementandEnergyConservation,SchoolofChemicalEngineering,SouthChinaUnivofTech,Guangzhou510640)
Abstract:Thesolarchimneyforthermalpowergeneration(SCTPG)hasbeenidentifiedasapromisinggreenenergytechnologyforlargescaleelectricitygenerationusingonlysolarenergyItrevealsgreatadvantagesinlowcostandexcellentperformance,andisofstrategicimportanceforenvironmentimprovementandcontinueddevelopmentofelectricpowerindustryTheseadvantagesareboundtomakeitakindofglobalimportantenergyindustryinthiscenturyInthepresentpaper,thedevelopmentbackground,workingprincipleandcharacteristicsofSCTPGareintroducedalongwithitsresearchstatusandapplicationintheworld.Theprimarytechnologyconcernedisanalyzed,andthesuggestionofdevelopingthesolarchimneyforthermalpowergenerationinChinaisalsoputforward.
Keywords:solarchimney;heatcollector;airturbine;thermalpowergeneration
以燃煤为主的电力发展不仅面临环境与生态保护的巨大压力，更面临着煤炭、石油和天然气的储量毕竟有限的现实情况。按照现有技术，电力生产资源供给系统是不可持续的。从浩瀚无垠的太阳热能中索取应有尽有的电力生产资源，对实现人类社会与自然的可持续发展有着重要作用，必将成为世界经济发展新的增长点，并将逐步成为当代新兴能源产业，具有不容低估的生命力和广阔市场。
我国经济高速增长急剧增加了对电力的需求，未来的30年中，每10年需求总量将增加1200TWh，30年后中国可能超过美国而成为世界第一电力消费大国。能源专家从社会可持续发展要求出发，估计我国可再生能源发电的总装机容量2010年应达到4GW，2020年约10GW，到2050年应有100GW的水平，占全部总装机容量的5～7，从而成为我国电力的重要组成部分。其中，风力与太阳能发电将占主要份额，前期风力发电会较快发展，而后期的增长主要靠太阳能热力发电［1］。那时，太阳能热力发电无疑将成为重要的工业分支。
利用太阳热能发电是一门综合性的高技术，涉及太阳能利用、储能、新型材料技术、高效汽轮机技术和自动控制系统等问题，不少发达国家已投入大量人力物力。经过近40年研究，太阳能热力发电装置的单机容量已从千瓦级发展到了兆瓦级，目前世界上已有数十余座兆瓦级太阳能热电站投入运行［2］。许多科学家纷纷预测，至21世纪初中期，太阳能热电电价极有可能降到与化石能源电价相同之水平［3］。按集热器类型不同，太阳能热力发电系统(STPGS,solarthermalpowergenerationsystem)可分为四类，即:槽式系统、塔式系统、烟囱式系统和碟式-发动机小型系统。
太阳能烟囱式发电与其余三种方式相比，不需要高技术设备和人才，运行与维修简便，采用空气涡轮机，适合于缺水地区，如沙漠；且建造该类电站的主要材料是玻璃和水泥，可就地取材。如建在沙漠中，便可用沙漠里大量的沙、石制造其建厂材料。该方式是解决广大发展中国家由于缺乏电力致使经济长期处于停滞状态问题的好办法。
鉴于我国对太阳能烟囱式热力发电技术的研究几乎处于空白，且报导极少，故拟对该技术的结构、原理、特点、发展概况及已经取得的重要进展进行综述，以期引起相关部门的注意，使这一发电技术在我国逐步形成科研、生产为一体的产业化。
1结构与发电原理
太阳能烟囱式热力发电是20世纪80年代首先由斯图加特大学的乔根·施莱奇教授及其合作者提出并进行了长期的实验研究［4，5］，其基本原理是利用太阳能集热棚加热空气以及烟囱产生上曳气流效应，驱动空气涡轮机带动发电机发电。这种发电方式无需常规能源，其动力的供给完全来自于集热棚下面因太阳辐射所产生的热空气。基于这一原理构建的太阳能烟囱式热力发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和空气涡轮发电机组组成，属于现有三项成熟技术的创新性组合应用。图1显示了该项技术的结构与原理。由面盖和支架组成的集热棚以太阳能烟囱中心，呈圆周状分布，并与地面有一定间隙，以引入周围的空气；太阳能烟囱离地面有一定距离，周边与集热棚密封相连，其底部装有空气涡轮机。工作过程与原理是太阳光照射集热棚，加热棚下面的土地（或蓄热器）和棚内空气，空气温度升高，密度下降，在太阳能烟囱的抽吸作用下形成一股强大的上升气流，驱动安装在烟囱底部中央的单台空气涡轮发电机或呈环形排列的多台小型空气涡轮发电机发电。同时，集热棚周围的冷空气进入棚内，形成持续不断的空气循环流动。空气循环流动时所产生的能量转换过程为：太阳热能(棚外)→空气内能(棚内)→空气动能(棚内 烟囱内)→电能(涡轮发电机)。
太阳能烟囱式热力发电设备简单，运行成本低，维护方便。主要特点如下：
a)太阳能集热棚能同时利用太阳直射辐射和散射辐射，而其余3种太阳能热力发电因采用聚焦型集热器仅能利用太阳直射辐射生产蒸汽来驱动热机发电，这一点对多云天气热带国家至关重要。
b)可在集热棚下面安装水管或直接利用棚下面的土地作蓄热器。水管只需一次加满，无需补充水，蓄热器白天吸热，夜晚将所储存的热量释放出来对棚内空气加热，使系统在夜间能够持续发电，减少了对天气的依赖性，且不需要化石燃料。
c)与传统热力发电或其它3种太阳能热力发电相比，不需要冷却水源，适宜于太阳能资源丰富而又缺水的国家和地区，如沙漠。
d)设备简单，建材易得，建设成本低，所需建材主要为水泥及透明面盖材料(如玻璃)，可就地取材，空气涡轮发电机为成熟商品，不存在因使用高新技术造成投资风险和成本过高等问题。在一些欠发达国家，仅依靠其已有的工业基础，在没有外国专家帮助下，就可构建、维护，保证电站正常运行。
e)与其它3种太阳能热力发电相比，因未采用太阳能聚光器，太阳能至电能的转换效率低，需要更大面积的土地。发电效率除与当地太阳能辐射强度有关外，还随集热棚面积和烟囱高度的增加而提高。为获得较高的效率和经济性，须构建大规模的电站，如200MW电站。
f)运行过程中，使用太阳辐射热能为动力源，空气为驱动载体，既没有CO2,NOx等有害气体排放，也没有固体废弃物的排出，对当地生态环境不产生负面影响。
我国具有居世界第二的丰富太阳能资源，年辐射量的平均值为59GJ/(m2·a)。其中，宁夏北部和南部、甘肃北部和中部、新疆南部和东南部、青海西部和东部、西藏西部和东南部、河北北部、山西北部、内蒙古年日照时数大于3000h，年辐射总量高于6GJ/(m2·a)。这些西部地区人口稀少，荒漠面积大，适合于建造太阳能烟囱式热力发电站。
2技术现状
受德国研究与技术部资助，1982年在西班牙马德里南部150km处的Manzanares附近的LaMancha沙漠地区建立了第一座峰值发电功率为50kW的太阳能烟囱式实验性电站(见图2)。电站主要由太阳能烟囱、集热棚和空气涡轮机3大部分组成，该实验电站的烟囱高195m，直径10m。与烟囱相连的集热棚直径240m，其边缘处与地面间隙约2m，中间处距地面8m。基于试验目的，该电站安装了144个传感器，以测试自然气象条件下各部件对涡轮发电机输出功率和电站效率的影响。该电站自1982年建成投运，至1989年停运，共运行了7a，结果表明：发电成本可控制在0.1马克/kW，可靠率超过95。表1给出该实验电站的结构参数。
自从德国政府投资1400万马克在西班牙建成了第一座太阳能烟囱式热力发电示范电站后，各国能源专家对这种简洁而全环保的发电方式表现出浓厚兴趣。南非的A.J.Gannon等人［6,7］对太阳能烟囱式热力发电系统循环及其发电涉及的流动和传热问题进行了研究，认为投资近4亿美元在南非北好望角建造200MW的太阳能烟囱式电站是可行的，并有可能与化石燃料电站竞争。美国的Krisst1983年在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座10W家用太阳能烟囱式发电装置，该装置的烟囱高10m，集热棚直径6m。1997年佛罗里达大学N.Pasurmarchi教授对所构建的3种太阳能烟囱模型进行了理论和实验研究。土耳其科学家Kulunk在土耳其伊兹密尔市建造了一个烟囱高2m，直径7cm，集热棚面积9m2，发电功率仅为0.14W的微型电站，烟囱底部采用的涡轮机转子功率0.45W，发电效率31，烟囱底部温差和压差分别是4℃和200Pa。我国的华中科技大学受武汉市青年科技晨光计划资助已经开始从事这方面的研究，目前正在筹备建造一座50W太阳能烟囱式发电装置，拟对集热棚和烟囱内的传热和流动过程进行数值模拟研究［8］。上海交通大学教育部太阳能发电及制冷工程研究中心的代彦军等人［9］运用一种简化分析方法对所构建的概念太阳能烟囱式电站的性能进行了预测，并针对宁夏地区气候特点，对其在银川、平罗和贺兰三个地区应用的可行性做了分析。
太阳能烟囱式热力发电站不需要复杂的技术，但占用土地面积大，须达到100MW级规模才能产生较佳的经济效益。澳大利亚首开先例，拟在新南威尔士州建造一座目前世界上最大的太阳能热力发电站——烟囱式发电站，发电容量高达200MW，超过了拟建的由80台风轮机组成的装机容量为130MW的最大风力发电厂。此外，电站建在内陆而非风景秀丽的沿海，对景观影响较小。为达到该额定装机容量，电站需用一个直径7km的太阳能集热棚，并建一座1000m高的烟囱，占地达38km2，将成为澳大利亚乃至世界上最高和最大的建筑物。该项巨大的工程由EnviroMission公司负责，EnviroMission公司已完成了可行性论证、系统优化、选址、设计、合作商务谈判与资金筹措，整个工程将耗时34个月，计划于2006年3月完工，相关参数见表2。
3主要相关技术
3.1集热棚
驱动涡轮发电机所需的热空气是通过集热棚的温室效应产生的。集热棚由半透明的棚顶和支撑结构组成，半透明的棚顶材料通常为玻璃、聚碳酸酯或塑料膜，支撑结构采用混凝土或钢支架。与烟囱基础相连接的棚顶与地面间距随烟囱高度增加而增加，通常为2～8m，距地面越高，则风阻越小。在Manzanares的50kW实验电站中，专门研制出一种用经济型材料制成的6ｍ×6ｍ见方的薄膜板，作为棚顶面板，顶部面板用细长的钢支架支撑，以减小对棚顶下面流动空气的阻力。澳大利亚拟建的200MW太阳能电站的棚顶将由4mm厚、微凸的半透明反光材料构成，由间隔6m的钢制水平横梁和横向钢板支撑。横梁上加装了通往顶板的轨道。以便棚顶在积满了灰尘时，吸尘器可沿轨道运动清洁棚顶。
3.2蓄热系统
为弥补太阳热辐射不能稳定、持续供应的特点，使之从辅助能源最终变为一种使用方便、可靠的清洁能源，储能问题的解决是关键的一环。对于太阳能热力发电，储能的作用是调节负荷，降低设备容量和投资成本，进一步提高太阳能资源利用效率和设备利用率，提高太阳热电系统的可靠性和经济性。
太阳能烟囱式热力发电站的结构特点和经济要求使之宜采用显热蓄热，棚顶下大面积的土壤层是其天然的显热蓄热材料。为加强蓄热能力，出于经济方面的考虑，可在地层上敷设充水黑色管道，水的比热容(4.2kJ/(kg·K))是土壤比热容(0.75～0.8kJ/(kg·K))的5～6倍，显热蓄热能力远大于土壤，且水管与水之间的传热也远高于表层土壤与深层土壤间的传热。这种简单而有效的土壤加充水黑色管道的吸热与放热过程见图3。白天太阳辐射透过半透明棚顶而被下面的土壤和水管吸收，温度升高，太阳辐射能被转换为土壤和充水黑色管的热能(显热)而储存；夜间，温度下降，土壤和充水黑色管将其所储存的热能传递给周围的空气，加热空气，使涡轮机继续发电。面积巨大的土壤和充水黑色管网能确保发电站一天24h期间的发电量维持相对稳定。黑色管道中的注水量可根据预期的发电量特性和天气情况选择，通常为5～20mm。注水后，管道密闭，水仅在管道内流动，不会因蒸发而耗损。
3.3烟囱
烟囱的作用是形成压差，为电站提供热动力。压差与棚内外温差和烟囱高度成正比，并与烟囱内的磨擦阻力有关。设计时应优化烟囱内表面积与容积的比值，以使磨擦阻力最小。在压差作用下，集热棚内被加热的空气沿烟囱上升，形成人造热风，风速约与棚内外温差ΔT和烟囱高度H成正比。拟建的澳大利亚200MW太阳能烟囱式热力电站棚内空气的温升达30℃以上，在1000m高烟囱所形成的压差作用下，形成的人造热风速度达到30～70m/s，可以推动多台兆瓦级涡轮机工作。
人类有建造高塔的经验，如加拿大多仑多600m高的电视塔，其成功经验和成熟的施工方法可资借鉴。因此就技术而言，建造1000m或更高的烟囱没有大的问题。通常情况下，应首先考虑选用钢筋混凝土，采用跳模、滑模或爬模进行常规建设。采用渐变截面结构，如烟囱底部厚1m，到顶部逐渐减到25cm。在烟囱内部不同高度处建造一系列类似于自行车轮辐、空气流损耗小于2的金属水平支撑，以增加强度，防止圆筒形变成椭圆型。同时用一种薄且柔韧性好的塑料或金属材料覆盖烟囱表面，并用带预应力的钢拉索网以保证烟囱的稳定，防止地震。
3.4空气涡轮机
空气涡轮机安装于烟囱底部，由烟囱中的循环气流驱动。与风力发电所采用的速度级涡轮机不同，太阳能烟囱式发电采用的是压力级涡轮机，这一点与水力发电中的水轮机相似——静压被转换成涡轮机旋转能。在涡轮机前后风速相等的情况下，压力级涡轮机的出力是速度级的8倍，出力与空气的体积流量和压降成正比。运行时，涡轮机调节系统根据气流对涡轮叶片进行调整，当涡轮机叶片平面侧与气流正交时，叶片无法旋转；与气流平行时，则无压降，同样发不出电来。在这两种极端情况之间，存在一个最佳叶片倾角。调节系统应将叶片调整至该角度，以获得最大出力，此时涡轮机压降约为可得到的总压差的三分之二。
4结论与建议
太阳能烟囱式热力发电可利用太阳能进行大规模发电，所需设备与技术相对较低，在太阳能资源丰富、荒地多且廉价、少水又缺电的欠发达工业国家和地区具有相当的吸引力及与常规能源发电的竞争力。国外对太阳能烟囱式热力发电技术的三大部件在材料、设计、工艺及理论方面进行了长达二十多年的研究，而国内在这方面的研究时间短，力度小。我国应加大研究力度，使之为西部大开发提供巨大的电力资源，从而推动我国太阳能产业的发展，推动西部大开发的进程。
基于中国国情，笔者建议应确定太阳能烟囱式热力发电技术的近期、中期及远期开发内容和目标；明确研究期限和阶段成果；着重确定与研究所涉及的关键技术，确定研究难点，以研究开发各项关键技术为基本骨架，进行相关研究；研制出符合工作性能和可靠性要求的样件，并进行千瓦级样机可行性论证与试验，获得热力发电系统关键技术的解决途径与经验，为今后大功率系统的研制创造条件。近期应集中力量，从以下三方面研究所涉及的关键技术和相关科学问题：
a)在基础、技术、工程应用三个层面上，结合能量利用系统创新集成优化理论，研究系统中太阳热能转换—储存—传输—再生电能过程中的动力学、热经济学，热传递现象理论，以及储能系统中的应用基础问题。
b)建立相应能量流转换的理论和模型。包括建立设计、运行、控制三个层次一体化模型，目标函数，决策变量和约束集。拓展现代分析研究方法及有效健壮的数值方法，开发相应的计算软件和控制软件。
c)实现能量流转换、传递过程高效化和能量储输技术的创新，并完成相关高效储输和转换系统中关键技术的研发与优化工作，力求达到可工程应用的实用水平，为促进纯太阳能热力发电高技术和产业的发展提供科学与技术支撑。
参考文献
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