太阳能烟囱式发电与聚焦式太阳能热发电方式相比,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。

太阳能烟囱式发电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,驱动空气涡轮机发电。图1为太阳能烟囱式发电系统的结构与原理。由图可见,太阳能烟囱式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。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)。下面简单介绍太阳能烟囱式发电系统的主要组成部分。

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。由面盖和支架组成的集热棚以太阳能烟囱为中心,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。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。

2   蓄热系统

为使太阳能烟囱发电系统24小时全天发电,储热系统是必备的。太阳能烟囱式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。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,注水后,管道密闭,水仅在管道内流动,不会因蒸发而耗损。

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,风速与棚内外温差和烟囱高度成正比。发电系统的原理见图1。

图1  太阳能烟囱式发电系统的原理图

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。

5   太阳能烟囱式发电系统的主要优缺点

(1)太阳能烟囱式发电系统的主要优点

①设备简单,运行成本低,维护方便;

②太阳能集热棚能同时利用太阳直射辐射和散射辐射,而其余四种太阳能热发电系统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,所以,其光热转换效率很高;

③作为蓄热器用的水管只需一次加满水,无需补充,无需其他的辅助加热;

④与传统热力发电或其它四种聚焦型太阳能热发电系统相比,不需要冷却水源,适宜于太阳能资源丰富而又缺水的沙漠地区;

⑤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;

⑥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;

⑦可以在太阳能烟囱上安装风力发电机,利用风能和太阳能进行互补,一方面提高发电功率,另一方面削减大风对太阳能烟囱装备的破坏。

(2)太阳能烟囱式发电系统的主要缺点

①集热棚的透明材料,很容易被尘土盖上,不易清洗,使透明材料的热交换效率下降;

②在大风下,透明材料易被破坏;

③超高烟囱的防风防震的安全问题是一巨大隐患;

④与普通的风力机相比,大结构的太阳能烟囱内的涡轮发电机在经济上是不合算的;

⑤发电效率与太阳能辐射强度、集热棚面积和烟囱高度等诸多因素有关。为获得较高的效率和经济性,须构建大规模的电站,如200MW以上的电站。建造大功率的太阳能烟囱发电站,需要更高的烟囱高度H和更大的集热棚直径DA,电站的输出功率P与H、DA的关系如图2所示。从图2中可以查出,若要建200MW的电站,烟囱高度为900m时,集热棚的直径要达到4km以上。显然电站需要占据很大的地面面积,且超高烟囱的安全性也是一个很大的问题。

图2  电站的输出功率P与烟囱高度H、集热棚直径DA关系

（御风）