[科普中国]-太阳能烟囱发电

简介

随着世界人口快速增长和工业的飞速发展，能源需求不断增加，环境污染也在加剧，地球温室效应影响继续上升，人类的生活环境日益恶化;廉价的石油和天然气也必将耗尽，世界各国对清洁的新能源需求的依赖也逐渐加强。各国专家都特别关注21世纪的新能源问题，并且非常看好新的可再生能源。寻求清洁能源利用新技术己成为研究热点之一，而太阳能发电技术将是最有发展前途的新能源技术2。

太阳能烟囱发电技术是被许多能源专家看好的一项新技术。建造太阳能烟囱电站的设想是由来自斯图加特大学的乔根·施莱奇教授提出的。他认为建造太阳能烟囱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。建造太阳能烟囱电站的主要材料是玻璃和水泥，可用沙漠里的沙、石制造。这种电站不像其他太阳能电力系统，它不需要高技术的设备和人才，维修简便。目前在西班牙己经建成了一座太阳能烟囱发电站。随着研究的深入，这项新技术会越来越成熟，最终太阳能烟囱发电技术将会在世界上得到更广泛的应用。

太阳能烟囱发电系统的构成太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分所构成(图1}。太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上;集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统;集热棚中间离地面一定距离处装着烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳辐射能，并加热土地和集热极覆盖层之间的空气，使集热棚内空气温度升高，密度下降，并沿着烟囱上升，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。在空气流动过程中，产生了3个能量转换过程。首先空气被加热，太阳能转化为空气内能;由于空气在烟囱内的上升流动，内能转变为动能;当空气流到涡轮机时，气流推动涡轮机转子转动，动能又转化成我们所需3。

太阳能烟囱发电技术中的一个重要因素是集热棚表面的覆盖层，而覆盖层的花费将占到整个安装费用的45 %。目前覆盖层所使用的材料能用到5一7年，但有关专家期望能够通过改进把覆盖层的使用寿命提高到20年。

太阳能烟囱发电技术的特点设备简单，运行费用低太阳能烟囱发电设备简单，只需太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮发电机组。太阳能烟囱发电的效率，随着集热棚面积的增加和烟囱高度的增加而提高，所以为了达到更好的效率和经济性，修建大规模的电站是必须的。一旦电站建成，这种电站将运行很长时间。烟囱本身将用100年或更长的时间。由于运动部件很少，所以这种电站的维修费用很低。作为主要运动组件的涡轮发电机组，将安装在稳定的空气流中，比安装在工况恶劣的阵阵狂风中的风力涡轮机所承受的应力小的多。发电站的工程技术人员在没有外国顾问帮助的情况下就能够维修，保证电站的正常运行4。

适合建设在人口稀少的沙漠地区我国是太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区的年日照时数大于2 000 h，太阳辐射量在5x10kJ/(m2/a)以上。我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地区的太阳总辐射量和日照时数为全国最高，属太阳能资源丰富地区。这些地区人口稀少，而且荒漠面积较大，适于建造太阳能烟囱电站。

不产生有害物，具有良好的环境效应研究表明，太阳能烟囱发电站在运行过程中既没有SO:等有害气体排出，也没有温室气体CO2的排出，还没有固体废弃物的排出，不影响生态环境。

太阳能烟囱发电技术的现状国外太阳能烟囱发电技术进展在西班牙曼札纳市，一个100 kW的实验性电站从1981年己经开始运行。这座实验性电站的烟囱高200 m，烟囱直径为10. 3 m;集热棚的半径为126 m，其边缘处与地面的间隙约2m，其中间处距地面8m。随后又将建设一个烟囱高达900m，最大输出电量为1 000 MW的电站。烟囱内的空气流速可以达到20一60 m/s，可以推动一个或者多个涡轮机工作。这个1 000 M W的电站，集热棚的直径大约为10 km，为建这个电站需要大约80 km2的土地。这个实验性的太阳能电站的烟囱重达200 t，它由长8m、宽1一1. 25 m的波纹钢板构成;每隔4m都有环孔加固。共有24根拉索保证烟囱的稳定，还可以防止地震。防震问题对在世界上某些地区是很重要的。对于建立更大的电站，这个问题己经受到足够的重视，通过用一种薄的、柔韧性好的塑料或金属材料覆盖层代替强化的混凝土或有预应力的钢拉索网，从而可以进一步减轻烟囱的重量。烟囱的底部装着涡轮机发电机组，由于设计得很好，涡轮发电机可以昼夜不停地发电。白天涡轮机转速为1500 r/min，产生100 kW的电量。晚上集热棚下的地面把白天吸收的热释放出来，推动涡轮机以1000 r/min的速度运行，发电量为40 kW。在集热棚表面覆盖层上每6 m2装有一个排水阀，排水阀平时是关闭的，以防止空气流失，下雨的时候打开排水阀，让雨水清洗集热棚上表面的污物和杂质。这样的结构与建立在镜面基础上的太阳能电站相比具有很大的优势(后者不得不定期对集热棚上表面进行清洗以达到最高的效率)。大型电站的安装费用为460美元/kW，运行费用为0. 02~ 0. 04美元/kWh。随着集热棚顶部温度的提高，烟囱和集热棚直径的增加，电站的容量将会增加，并且每千瓦时的费用也会降低。

太阳能烟囱电站的理想场所是戈壁沙漠地区，这些地区的太阳辐射强度都在500一600 W /m2之间。在欧洲南部和非洲北部，太阳辐射强度平均也达到了400 W /m2。如果这些地区每年有光照的天数为300 d或者更多的话，在这些地区太阳能烟囱电站是可行的。

除了进行发电外，太阳能烟囱电站还可能有其他应用。一是这种电站能够通过电解的方法产生氢气，然后向外输出氢气;另外一个应用是利用集热棚周围的空地，在温室内培育花卉等进行园艺生产4。

自从西班牙建成了第一座太阳能烟囱发电站后，美国、日本、德国、南非等国的专家己对太阳能烟囱电站表现出浓厚兴趣。从1995年，南非物理学家斯廷纳提出:在南非的北好望角建造太阳能烟囱电站。计划中的太阳能烟囱电站将建在南非边远的沙漠城锡兴附近，该工程预计耗资约4亿美元，发电能力将达到200 M W。斯廷纳认为在南非建造太阳能烟囱电站是有机会与化石燃料电站竞争的。虽然在南非煤很便宜，而且这个国家对电力生产优先考虑的是廉价而不是“清洁”，但是在南非建造太阳能烟囱电站还是可行的，因为它的运行费用和成本更低。这项庞大的工程仍存在巨大困难，建造1 500 m高的烟囱是目前世界上前所未有的。 1983年美国科学家Krisst在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座烟囱高度为10 m，集热棚直径为6m，输出功率10 W的庭园式太阳能烟囱发电装置。1997年N. Pasurmarchi报道了在美国佛罗里达大学建成了3种不同结构的太阳能烟囱模型，并进行了相应的理论和实验研究。土耳其科学家Kulunk在土耳其的伊兹密尔市建造了一个微型电站，这个电站的烟囱高2m，直径为7 cm，集热棚区域面积为9 m2，发电功率为0. 14 W。烟囱中的涡轮机转子功率为0. 45 W，发电机的效率为31%。烟囱底部的温差和压差分别为4℃和200 Pa.

我国太阳能烟囱发电技术现状在太阳能烟囱发电技术方面，我国只有华中科技大学己经开始从事这方面的研究，目前正在筹备建造一座发电功率为50W的太阳能烟囱发电装置，并且正在对集热棚和太阳能烟囱内的传热和流动过程进行数值模拟研究5。

太阳能烟囱发电技术发展前景展望斯图加特大学的斯蒂芬坚信太阳能烟囱的性能，对于一个较大的装置，流动模型可能不同，并且可能引起某些问题，但是这些问题是可以克服的，而太阳能烟囱电站将扮演未来大型电站的角色6。

我国幅员辽阔，太阳能资源丰富，太阳能利用条件较好的地方占我国国土面积的2/3以上。西北和青藏高原更是得天独厚，年平均日照时间2 000 h以上，年辐射总量在1 500一1 800kWh/m2，是我国重要的太阳能应用基地，将来一定会在我国的太阳能产业中发挥重要作用。我国西部地区太阳能资源丰富，在太阳能开发利用方面具有一定的基础，产业发展也初具规模。目前，许多国家和国际公司看好我国西北的太阳能利用市场，各种援助计划、示范应用项目纷至沓来。这对我国的太阳能产业既是个大好机遇，同时也是严峻的挑战。太阳能烟囱发电技术研究在国外进行的时间不长，国内在这方面的研究更少。我国应加大研究力度，如果太阳能烟囱发电技术成熟后，将为我国西部的开发提供取之不尽的电力资源，从而可以推动我国太阳能产业的发展，推动西部地区大开发的进程。

全球性常规能源短缺、供需矛盾日益激化，全球气候变暖、生态保护迫在眉睫，这双重的巨大压力将迫使人们寻找新能源和可再生能源.在众多能源中，太阳能优势独特，因为它储量无限，完全清洁.因此，太阳能越来越受到人们的重视.太阳能烟囱(SC)技术将古老的烟囱技术与现代太阳能热利用技术完美结合，基于热压作用下的自然通风原理，利用太阳辐射为空气流动提供动力，将热能转化为动能，从而增大了压头和排风量.最早开始研究SC的是法国科学家Trombe, Trombe的这一研究引起了人们的普遍关注.随后，人们对SC进行了一系列探索性研究，并将SC应用于许多领域.SC技术作为一项新技术，在改善室内居住环境、食品及农副产品干燥处理、海水淡化、改善局部地区小气候和发电领域等有着非常广阔的应用前景，成为本世纪新能源。