太陽能熱氣流發(fā)電

1、太陽能熱氣流發(fā)電摘要太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)(Solar Chimney Power Plant System,簡稱Solar Chimney或SC)。它所采用的集能源替代、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)重建于一體的太陽能 熱氣流發(fā)電技術(shù)將更好地調(diào)和目前能源利用與環(huán)境之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境 的協(xié)調(diào)發(fā)展。而大規(guī)模太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的利用則成為可再生能源發(fā)電的一 種新方式。由此可見，此課題是一種不燒煤、不排污、不用水，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì) 效益皆優(yōu)的可再生綠色能源，因此，太陽能熱氣流既符合國家能源政策和開發(fā)可 再生能源的要求，又達(dá)到了節(jié)約能源保護(hù)環(huán)境的指標(biāo)，為解決我國能源困境提供 了一條有效途徑。當(dāng)今，相關(guān)人士對太陽

2、能熱氣流發(fā)電技術(shù)從不同領(lǐng)域的深入研 究并提出一些新型課題，以求最大限度地造福人類。本文著重介紹太陽能熱氣 流發(fā)電的研究現(xiàn)狀。關(guān)鍵字：太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)可再生能源發(fā)電研究現(xiàn)狀引言為從根本上扭轉(zhuǎn)我國能源面臨的資源短缺、需求增勢高、結(jié)構(gòu)不合理、環(huán)境 壓力大等困境，本文從國情出發(fā)，提出充分利用我國廣大荒漠化、沙化土地及其 太陽能資源，大規(guī)模開發(fā)太陽能熱氣流發(fā)電，大幅度提高電力在終端能源結(jié)構(gòu)中 的比重，處理好與其它類型發(fā)電的兼容性與互補(bǔ)性，從根本上改善現(xiàn)行不合理的 能源結(jié)構(gòu)，將是在聚變能實(shí)現(xiàn)前即本世紀(jì)上半葉乃至中葉，解決我國能源困境的 有效途徑。太陽能熱氣流發(fā)電與風(fēng)能的大規(guī)?；パa(bǔ)聯(lián)合開發(fā)，將有利于提高

3、供電 穩(wěn)定性和電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)大面積荒漠綠化、沙塵暴治理和局域氣候改善；發(fā)展基 于太陽能熱氣流發(fā)電的電解制氫和海水淡化，將緩解我國油、氣、水資源之不足； 利用節(jié)余燃煤發(fā)展煤的液化、氣化可進(jìn)一步彌補(bǔ)我國油、氣不足。正文1原理利用煙囪中向上流動(dòng)的熱氣流驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪做功，并不是今天的新概念，早在 20世紀(jì)前就有這樣的提法。由于現(xiàn)代技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，可以建造高大的 煙囪，使得太陽能熱氣流發(fā)電在技術(shù)上已經(jīng)變得可行。此外，油價(jià)的上漲及環(huán)保 的要求，使太陽能熱氣流發(fā)電逐漸成為人們開發(fā)利用新能源的一個(gè)值得探索的途 徑。在以大氣為吸熱材料的巨大篷式地面太陽空氣集熱器的中央，建造高大的豎 直煙囪。煙囪的地步在近空氣

4、集熱器透明蓋板的下面開吸風(fēng)口，上面安裝風(fēng)輪。 地面空氣集熱器根據(jù)溫室效應(yīng)產(chǎn)生熱空氣，從吸風(fēng)口進(jìn)入煙囪，形成熱氣流，驅(qū) 動(dòng)安裝在煙囪內(nèi)的風(fēng)輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，這就是太陽能熱氣流發(fā)電的原理。太陽能熱氣流電站的實(shí)際構(gòu)造由3部分組成：大篷式地面空氣集熱器、煙囪 和風(fēng)力機(jī)。太陽能熱氣流發(fā)電站的地面空氣集熱器，是一個(gè)近地面一定高度、罩著透明 材料的大篷。陽光透過透明材料直接照射到大地上，大約有50%太陽輻射能量 為土地所吸收，其中1/3的熱量加熱罩篷內(nèi)的空氣，1/3的熱量貯于土壤，1/3的 熱量用于反射輻射和對流熱損失。所以，大地是太陽能熱氣流電站的蓄熱槽。形成的熱空氣在煙囪中流動(dòng)，理論上是由于煙囪內(nèi)外側(cè)空

5、氣的溫差，也就是 密度差，產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)空氣在煙囪內(nèi)向上流動(dòng)的動(dòng)力。這里的煙囪是將空氣中的熱 能轉(zhuǎn)化為壓力能的變換器。煙囪的效率隨其高度而線性增大，并幾乎保持恒定地 下降到溫差只有幾度時(shí)的效率值。2出現(xiàn)的一些太陽能熱氣流發(fā)電方法2.1 一種新型的太陽能熱氣流風(fēng)力發(fā)電方法風(fēng)力發(fā)電機(jī)在自然風(fēng)能發(fā)電的基礎(chǔ)上疊加熱氣流的風(fēng)能發(fā)電，該熱氣流是利 用太陽能產(chǎn)生的熱量對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)塔架導(dǎo)風(fēng)筒底部的空氣加熱，由于筒狀塔架 導(dǎo)風(fēng)筒的拔風(fēng)效應(yīng)，塔架導(dǎo)風(fēng)筒底部的熱空氣將以熱氣流的形式沿塔架內(nèi)腔高速 上升，該熱氣流產(chǎn)生的風(fēng)力去驅(qū)動(dòng)位于塔架內(nèi)部的渦輪旋轉(zhuǎn)，該渦輪通過傳動(dòng)軸 與風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙的齒輪箱內(nèi)部的齒輪連接，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)

6、電機(jī)。熱氣流通過集熱 裝置收集太陽能，該集熱裝置為一上下開口呈錐面塔形結(jié)構(gòu)；其頂部開口與塔架 的導(dǎo)風(fēng)筒部分下端開口匹配相連，底部固定于底座或支架。集熱裝置將太陽能轉(zhuǎn) 化為熱能，加熱塔架導(dǎo)風(fēng)筒底部錐形塔內(nèi)部的空氣，內(nèi)部空氣越熱，塔架導(dǎo)風(fēng)筒 內(nèi)部的熱氣流風(fēng)速越大，塔架內(nèi)部的渦輪轉(zhuǎn)速也就越大。旋轉(zhuǎn)的渦輪通過傳動(dòng)軸 和風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部的齒輪箱驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電。2.2山體豎井式煙囪高效太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)2.3依托高樓的新型太陽能熱氣流電站系統(tǒng)2.4沙漠溫度差發(fā)電3我國太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀在國內(nèi)建設(shè)太陽能熱氣流電站還可實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)方面的目標(biāo)：3.1化石能源替我國能源資源正在迅速減少，要解決化石能源

7、匱乏的問題，必須盡快發(fā)展新 能源，而太陽能熱氣流發(fā)電可望成為最容易而且是最可能實(shí)現(xiàn)的太陽能低溫發(fā)電 新模型。3.2環(huán)境改善我國建造的以煤為主的火電站造成了巨大的環(huán)境污染，根據(jù)目前的國際國內(nèi) 形勢，以化石能源為主的火力發(fā)電模式在圍際上將逐漸被取代，而生物質(zhì)發(fā)電模 式、風(fēng)能發(fā)電模式和太陽能高溫?zé)岚l(fā)電模式均存在一些自身難以克服的弱點(diǎn)，因 此，大規(guī)模發(fā)展太陽能低溫發(fā)電站將成為大勢所趨。3.3生態(tài)重建目前有專家認(rèn)為，太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)效率低，占地空間大。不適于發(fā)展。 但是在西部的戈壁地區(qū)，建造多個(gè)太陽能熱氣流發(fā)電站，抽取地下水，用以灌溉 集熱棚內(nèi)的植物，可形成濕潤的空氣，從而可以大大改善當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境

8、，實(shí)現(xiàn) 生態(tài)重建。一旦在中國西部戈壁地區(qū)建造太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)群，形成幾百甚 全數(shù)千km的局部新萬方數(shù)據(jù)4太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以空氣作為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱與傳熱介質(zhì)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）從大氣來，到大氣去；取之不盡，用之不竭，不污染環(huán)境；（2）沒有因相變來 的麻煩；（3）允許很高的工作溫度；（4）易于運(yùn)行和維護(hù)，啟動(dòng)快，無須附加的保 溫和冷啟動(dòng)加熱系統(tǒng)。與太陽能熱發(fā)電相比，新型的太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單、取材方 便、運(yùn)行可靠、運(yùn)動(dòng)部件少、維修方便、維修及運(yùn)營成本低廉、無環(huán)境污染、晝 夜運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定、使用周期長等特點(diǎn)。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：能量收集穩(wěn)定，技術(shù)簡潔廉價(jià),荒漠

9、環(huán)境改善?？山鉀Q缺電或少電的發(fā)展中國 家和地區(qū)的電力需求，具有過闊的應(yīng)用前景。研究表明，影響電站運(yùn)行特性的因素有云遮、空氣中的塵埃、集熱器的清潔 度、土壤特性、環(huán)境風(fēng)速、大氣溫度疊層、環(huán)境氣溫及大篷和煙囪的結(jié)構(gòu)質(zhì)量等。太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)也存在著一些缺點(diǎn)：例如運(yùn)行效率低，煙囪太高，電 站體型巨大，施工建造困難、一次性投資過高，成本相對較高，風(fēng)險(xiǎn)較大等。此 外，電站長期運(yùn)行后，大量灰塵將粘附在焦熱棚影響其清潔度。5太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)展望荒漠化問題是影響我國西部大開發(fā)的核心問題，也是威脅人類生存和發(fā)展的 環(huán)境問題。我國西部大部分地區(qū)亦屬沙漠化脆弱生態(tài)環(huán)境。應(yīng)用太陽能熱氣流發(fā) 電技術(shù)，還有地下水地

10、區(qū)使用電力抽水灌溉，可使荒漠化得到更為有效的治理。 同時(shí)，還可利用電站集熱棚這一巨大的溫室，在自其入口全出口的大部分區(qū)域沿 程種植各種適合不同溫度特性的農(nóng)作物。它所完成的化石能源替代、環(huán)境改善、 生態(tài)重建這三大目標(biāo)將普惠千秋萬代！5.1高效太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的可行性分析太陽能熱氣流（煙囪式）發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研發(fā)工作始 于20世紀(jì)70年代末，由于工藝、材料、部件及相關(guān)技術(shù)未得到根本解決，國家 相關(guān)政策及研發(fā)導(dǎo)向重視程度不夠，研發(fā)經(jīng)費(fèi)不足，使熱發(fā)電項(xiàng)目的研發(fā)相對滯 后，至今研發(fā)太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)示范性電站的工作尚未進(jìn)行。因此，我國太 陽能熱發(fā)電技術(shù)與國外差距很大。5.2太陽能

11、熱氣流發(fā)電系統(tǒng)透平發(fā)電及其能量損失對MW級太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行的二維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明： 太陽輻射和透平壓降對系統(tǒng)輸出功率以及系統(tǒng)出口參數(shù)的影響均非常顯著；當(dāng)太 陽輻射高于400W/m，透平壓降高于300Pa時(shí)，系統(tǒng)輸出功率可達(dá)1MW以上， 大流量的流體流出煙囪是造成系統(tǒng)能量損失的主要因素，集熱篷頂棚也會(huì)引起較 高的能量損失。另外，還有太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬；太陽能熱氣流透平發(fā) 電系統(tǒng)流動(dòng)和傳熱特性分析；太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)流道優(yōu)化研究；提出的斜坡 太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)新概念等方面都取得而很大的進(jìn)展。6結(jié)束語巨大的太陽能是地球上萬物生長之源。作為一種新型的清潔能源，太陽能發(fā) 電在電力行業(yè)正在蓬勃發(fā)展。其中的太陽能熱氣流發(fā)電是太陽能熱發(fā)電的一種重 要形式。太陽能熱氣流發(fā)電有其特有的優(yōu)勢，將是未來能源發(fā)展的趨勢。參考文獻(xiàn):1劉偉，明廷臻，楊昆，等.MW級太陽能熱氣流電站傳熱和流動(dòng)特性研究J. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005, 33(8)： 5-7 歐陽穗，高偉，黃樹紅等.太陽能熱氣流電站中渦輪機(jī)流動(dòng)特性分析