中國(guó)興業(yè)太陽(yáng)能技術(shù)控股有限公司 ■ 譚軍毅 姚莉 余國(guó)保 劉紅維

一 引言

自1978年德國(guó)學(xué)者Schlaich博士提出太陽(yáng)能煙囪電站概念以來(lái)，太陽(yáng)能煙囪發(fā)電以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)受到了各國(guó)學(xué)者的密切關(guān)注，關(guān)于太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電的理論研究日益深入，各種規(guī)模的實(shí)驗(yàn)電站也陸續(xù)建立，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了提高太陽(yáng)能煙囪發(fā)電效率的各種新技術(shù)。但是傳統(tǒng)意義上的太陽(yáng)能煙囪發(fā)電局限于荒漠偏遠(yuǎn)地區(qū)，浪費(fèi)了一些陽(yáng)光充足的城市等建筑密集地區(qū)的太陽(yáng)能資源。要打破這種局限，則需將該熱氣流發(fā)電與建筑結(jié)合，進(jìn)行太陽(yáng)能煙囪發(fā)電的建筑一體化研究。

二 太陽(yáng)能煙囪發(fā)電原理

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電(Solar Chimney Power，簡(jiǎn)稱SCP)也稱為太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電，是將風(fēng)力透平發(fā)電、溫室技術(shù)、煙囪技術(shù)組合為一體的新能源發(fā)電技術(shù)。

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)主要包括煙囪、集熱棚、蓄熱層及空氣渦輪機(jī)組四部分。如圖1所示，系統(tǒng)以煙囪為中心，透明面蓋和支架組成的集熱棚呈圓周狀分布，并與地面蓄熱層保持一定距離。透光集熱棚相當(dāng)于一個(gè)巨大的溫室，其地表蓄熱層吸收太陽(yáng)光短波輻射后溫度迅速升高，并加熱集熱棚中的空氣，空氣吸熱后，溫度升高，密度降低，與外界環(huán)境形成密度差，從而形成壓力差，起負(fù)壓管作用的煙囪加大了系統(tǒng)內(nèi)外的壓力差，形成了強(qiáng)大的上升氣流，驅(qū)動(dòng)位于煙囪底部中央的空氣渦輪發(fā)電機(jī)組；而冷空氣在壓差作用下從四周縫隙中補(bǔ)充進(jìn)入集熱棚，實(shí)現(xiàn)空氣的連續(xù)流動(dòng)；蓄熱層白天吸收了太陽(yáng)光的輻射能，夜間仍會(huì)不斷的釋放熱量加熱集熱棚中的空氣，因此渦輪發(fā)電機(jī)組可實(shí)現(xiàn)白天黑夜連續(xù)發(fā)電，為用戶提供源源不斷的電力[1～3]。

圖1 太陽(yáng)能煙囪發(fā)電原理

集熱棚是太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分，它的作用類似于空氣集熱器，主要收集太陽(yáng)能加熱棚內(nèi)的空氣，以獲得推動(dòng)空氣渦輪機(jī)發(fā)電的動(dòng)力。集熱棚的覆蓋層一般為透明的材料如玻璃等，這類材料能夠使得太陽(yáng)輻照中最主要的短波輻射進(jìn)入，并很好地阻止地面散熱發(fā)射的長(zhǎng)波透出，因此起到集熱的效果。集熱棚的效率跟集熱棚直徑有很大關(guān)系，集熱棚的直徑越大，集熱效率越高[4]。根據(jù)卡諾循環(huán)，煙囪發(fā)電系統(tǒng)的效率與集熱棚出口溫度有很大的關(guān)系，集熱棚出口空氣的溫度越高，整個(gè)系統(tǒng)的效率就會(huì)提高。但就目前的集熱棚集熱效果來(lái)看，一般出口溫度只能提升30℃左右，整個(gè)系統(tǒng)的效率很難達(dá)到1%，因此要提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，不僅要增大集熱棚的直徑，也要提高集熱棚的出口溫度[5]。采用空氣集熱器作為集熱棚的集熱部分是一種很好的途徑，空氣集熱器可以將空氣加熱到80℃左右，并且空氣集熱器也具有比集熱棚更高的集熱效率，可達(dá)到50%左右。另外，空氣集熱器也具有可以依附于建筑表面，與城市建筑一體化的特點(diǎn)，可以使得煙囪發(fā)電走出沙漠等荒漠區(qū)域，進(jìn)入城市高樓中應(yīng)用。

三 國(guó)內(nèi)外SCP電站的研究狀況

1 理論研究方面

自從Schlaich和Bergermann博士于20世紀(jì)70年代末提出太陽(yáng)能煙囪發(fā)電的概念并在西班牙建造了50kW試驗(yàn)電站后，太陽(yáng)能煙囪電站開始受到了人們的普遍專注，各國(guó)研究者相繼在這一領(lǐng)域進(jìn)行探索，特別是德、美、西班牙等國(guó)家。目前各國(guó)學(xué)者的研究領(lǐng)域主要集中在太陽(yáng)煙囪電站的可行性、各因素對(duì)發(fā)電效率的影響及與其他技術(shù)結(jié)合綜合利用等問題上，以下是近年來(lái)國(guó)外學(xué)者在理論研究上的部分成果[6]。

表1 近年來(lái)國(guó)外學(xué)者在太陽(yáng)能煙囪發(fā)電理論研究上的部分成果

在國(guó)內(nèi)，也對(duì)太陽(yáng)能煙囪電站進(jìn)行了大量的研究與試驗(yàn)，明廷臻、劉偉等人對(duì)太陽(yáng)能熱氣流電站系統(tǒng)首次提出了能量利用度的概念[15]。西安交通大學(xué)的張楚華利用熱力學(xué)方法，建立了太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)中各部分熱氣流能量轉(zhuǎn)化的模型，采用一維假設(shè)建立熱氣流傳熱模型并使用龍格－庫(kù)塔方法進(jìn)行求解[2]。葛新石根據(jù)Schliach給出的一個(gè)算例，計(jì)算了太陽(yáng)集熱棚和煙囪組合的第一定律效率及集熱棚和煙囪各自的第二定律效率，說(shuō)明太陽(yáng)煙囪發(fā)電技術(shù)受熱力學(xué)定律的制約，具有不完善性[1,16]。左潞建立了太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，主要研究了集熱系統(tǒng)的特性及蓄熱層的作用[17]。毛宏舉采用流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬，討論煙囪性狀、集熱棚直徑、太陽(yáng)輻照等因素對(duì)裝置內(nèi)部的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布的影響[4,18]。同樣，周新平、范振和等人也采用FLUENT對(duì)煙囪電站裝置的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究[1,19]。2009年，李卉梓等人提出了一種新型的螺旋集熱型太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)，該新型系統(tǒng)白天的運(yùn)行性能與西班牙試驗(yàn)電站模型近似相等，晚上的性能顯著下降，但是與之相比集熱棚占地面積和所需材料減少了約44%，節(jié)約了初期的投資成本及土地面積[20]。

2 商用化電站方面

20世紀(jì)90年代以來(lái)，太陽(yáng)能熱氣流電站已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，特別是在澳大利亞、南非、印度、埃及等陽(yáng)光充足并且存在大量荒漠地區(qū)的國(guó)家。上個(gè)世紀(jì)末，印度政府準(zhǔn)備在拉賈斯坦的塔爾沙漠建造一座100MW的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電站，但由于印巴基戰(zhàn)爭(zhēng)問題而擱淺[6]。1981年，西班牙Manzanares建造了世界上第一座太陽(yáng)能煙囪電站，該電站的集熱棚直徑為242m，煙囪直徑為10.3m，高度為195m，白天輸出功率為100kW，晚間輸出功率為40kW[21]。1995年，Stinnes的研究團(tuán)隊(duì)在南非邊遠(yuǎn)的沙漠城錫興附近建造一座實(shí)用規(guī)模的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電站。該電站的發(fā)電能力為200MW，煙囪高度為1500m，集熱棚直徑為4000m，工程耗資2.5億英鎊。2003年，澳大利亞Enviro Mission公司在澳大利亞的Mildura建造一個(gè)200MW的太陽(yáng)能熱氣流電站，該電站煙囪由Schlaich設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)高度為1000m，直徑為130m，集熱棚直徑為7000m，投資3.95億美元[6,22]。我國(guó)主要西北地區(qū)和青藏高原等地區(qū)比較具有興建熱氣流電站的優(yōu)勢(shì)，2009年我國(guó)第一座發(fā)電量為1MW的太陽(yáng)能熱氣流電站在寧夏開始興建。在烏海金沙灣地區(qū)正在投建一座200kW太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電站，該發(fā)電站的集熱棚呈橢圓狀布置，其面積為6170m，集熱棚出口面積為251.4m，煙囪高度為53m，煙囪直徑為18m，該工程計(jì)劃有3期，其工程規(guī)劃裝機(jī)容量為27.5 MW[23]。

四 太陽(yáng)能煙囪發(fā)電新技術(shù)

SCP屬于一種非聚光太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，收集太陽(yáng)能光能量密度低，因此占地面積大、初期投資高，并且滿足要求的煙囪在建造上也具有一定難度。近年來(lái)為了克服這些困難，學(xué)者們提出了各種煙囪發(fā)電的新技術(shù)。

1 強(qiáng)熱發(fā)電技術(shù)

強(qiáng)熱發(fā)電技術(shù)目前有兩種形式。一種是采用內(nèi)插式真空管集熱器，利用鼓風(fēng)機(jī)將空氣鼓入真空管集熱器中，將空氣加熱，然后通過(guò)常規(guī)集熱棚形成較高溫度空氣，密度變稀，形成對(duì)流氣流流動(dòng)發(fā)電，提高太陽(yáng)能煙囪的效率[24]。另一種是在地?zé)豳Y源豐富的地方，利用水泵將高溫水抽出，在太陽(yáng)能煙囪的集熱棚下方地面上設(shè)置環(huán)形水盤管換熱器，利用地?zé)崴訜峥諝?，這樣集熱棚中的空氣溫度可顯著提高，從而達(dá)到提高電廠效率的目的[25]。

2 浮動(dòng)煙囪太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電[26]

浮動(dòng)煙囪太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電(簡(jiǎn)稱FSCP)采用熱氣球或者高空飛艇材料作為制作煙囪單元的主要基材，煙囪單元是充注有氫氣或者氦氣、有一定高度的環(huán)形圓圈(圓柱體)，通過(guò)輕質(zhì)結(jié)構(gòu)將多個(gè)圓柱體連接起來(lái)形成很長(zhǎng)的煙囪結(jié)構(gòu)，在浮力作用下，煙囪漂浮在空中，而熱空氣能夠從煙囪的中間通道飄向空中。由于采用成熟而大量工業(yè)生產(chǎn)的飛艇外殼材料，大大降低了煙囪的建設(shè)成本，從而降低了太陽(yáng)能熱風(fēng)發(fā)電廠的造價(jià)(見圖2)。

圖2 熱風(fēng)發(fā)電浮動(dòng)煙囪結(jié)構(gòu)示意圖

3 斜坡太陽(yáng)能煙囪發(fā)電[22,27,28]

因太陽(yáng)能煙囪發(fā)電受集熱棚和煙囪高度的限制，為提高其發(fā)電效率，同時(shí)降低其工程造價(jià)，提出斜坡太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。在高緯度地區(qū)，利用南向山坡建造集熱棚，同時(shí)將煙囪建造在山頂上，充分利用南坡吸收太陽(yáng)光的有利條件，同時(shí)還可利用上山風(fēng)提高集熱棚入口出風(fēng)的速度，煙囪高度提高也有利于發(fā)電效率提高(見圖3)。

圖3 斜坡太陽(yáng)能發(fā)電結(jié)構(gòu)示意圖

五 太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)在建筑中的應(yīng)用

相對(duì)于其他類型的太陽(yáng)能發(fā)電途徑，太陽(yáng)能煙囪發(fā)電原理簡(jiǎn)單，設(shè)備成熟，被譽(yù)為“沙漠中的水電廠”，受到國(guó)內(nèi)外能源界的廣泛關(guān)注。目前，許多國(guó)家都已經(jīng)對(duì)太陽(yáng)能煙囪發(fā)電進(jìn)行了較為深入的研究，各種規(guī)模的示范電站甚至商業(yè)電站也有所建立，但由于電站一般位于沙漠等較為惡劣的環(huán)境中，煙囪高聳維護(hù)均具有很大的難度。設(shè)想將熱風(fēng)發(fā)電煙囪借用都市高樓的部分結(jié)構(gòu)，一方面對(duì)建筑物可進(jìn)行保溫隔熱，改善建筑的通風(fēng)性能，另一方面在結(jié)構(gòu)上更加安全牢固，大大降低了運(yùn)行維護(hù)的難度，投資成本也大大降低，同時(shí)又可將產(chǎn)生的電力直接用于建筑本身，是非常有意義的工作，國(guó)內(nèi)外的科研界也做了部分探索性的工作。

太陽(yáng)能煙囪電站與建筑一體化的主要形式有兩種。一種是與現(xiàn)代城市高樓的立面墻體相結(jié)合，利用建筑物向陽(yáng)面的墻體修建一條供氣體流通的通道，墻體的外立面為集熱棚，渦輪發(fā)電機(jī)放置于樓層底部(見圖4)；另一種是與人字形屋頂相結(jié)合，沿著屋頂修建空氣通道，渦輪發(fā)電機(jī)放置于屋頂頂部(見圖5)，這種形式與斜坡太陽(yáng)能煙囪發(fā)電有類似之處。2011年，K.V.Sreejaya等人在穩(wěn)態(tài)條件下建立了屋頂式太陽(yáng)能煙囪的模型，并模擬了白天系統(tǒng)短暫的運(yùn)行情況，對(duì)于15m的模型面積，煙囪內(nèi)最高速度可達(dá)0.17m/s，并且最大流量隨著太陽(yáng)輻射的增大而增大。在國(guó)內(nèi)，周艷、李慶玲等人進(jìn)行了基于太陽(yáng)墻技術(shù)的太陽(yáng)能熱氣流電站的建模與仿真，主要針對(duì)城市高樓的立面墻壁與太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電結(jié)合的研究，探討了太陽(yáng)輻照、立面高度等條件對(duì)煙囪發(fā)電效果的影響。研究表明，同傳統(tǒng)的太陽(yáng)能煙囪電站一樣，建筑一體化煙囪電站的效率與煙囪的高度及太陽(yáng)輻照度成正比，而且煙囪的高度與寬度之間存在一個(gè)最佳比值使得系統(tǒng)發(fā)電效率最高[29,30]。

目前對(duì)于太陽(yáng)能煙囪電站與建筑一體化的研究還比較有限，但是從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，利用太陽(yáng)能煙囪為建筑提供新風(fēng)或者地板采暖，已經(jīng)在許多建筑上得到成功的應(yīng)用并行之多年。因此適合城市高樓一體化的熱風(fēng)利用技術(shù)從原理上來(lái)講，沒有太多的技術(shù)難度，但是要作為一個(gè)建筑太陽(yáng)能煙囪發(fā)電應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主要問題在于發(fā)電效率較低，成本較高。

圖4 建筑一體化太陽(yáng)能煙囪發(fā)電示意圖

圖5 人字屋頂太陽(yáng)能煙囪發(fā)電示意圖

要在建筑中更好地應(yīng)用太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)，主要可以從以下兩方面來(lái)突破:

第一，提高渦輪機(jī)組的轉(zhuǎn)換效率，主要體現(xiàn)在渦輪的設(shè)計(jì)、解決因煙囪里空氣溫度過(guò)低造成的發(fā)電效率過(guò)低的問題、風(fēng)道流體的CFD靜態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)太陽(yáng)光負(fù)荷下的流場(chǎng)模擬；

第二，通過(guò)提高熱源溫度來(lái)提高太陽(yáng)能煙囪發(fā)電效率，隨著光熱建筑一體化技術(shù)的發(fā)展，可做成空氣集熱幕墻，把平板空氣集熱器做成幕墻建筑構(gòu)件的形式，利用鼓風(fēng)機(jī)將空氣鼓進(jìn)平板空氣集熱器空腔中，將空氣加熱，然后通過(guò)常規(guī)集熱棚形成較高溫度空氣，形成對(duì)流氣流流動(dòng)發(fā)電。目前平板空氣集熱器產(chǎn)品已經(jīng)較為成熟，并且容易形成模塊化安裝，易與建筑結(jié)合，既可以提高太陽(yáng)能煙囪的發(fā)電效率，也可以保證建筑的美觀性和安全性。

六 結(jié)語(yǔ)

相信隨著建筑能耗的日益增加及傳統(tǒng)能源的大量消耗，建筑一體化的太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)具有極為廣闊的前景。

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