引言太阳能是可再生能源,分布广泛,使用清洁,无污染。在各种开发利用太阳能资源的技术当中,利用太阳能发电一直是人们研究的重点。太阳能发电主要有两种方式,即光伏发电和热发电,前者利用太阳能电池,后者通过大型太阳能聚焦装置产生蒸汽,然后驱动热机发电。此外,还有另外一项太阳能发电技术-太阳能热风发电技术,该技术上世纪80年代由J.Schaich和他的合作者提出并进行了长期运行测试[1,2],其原理是利用太阳能集热以及烟囱效应驱动风力涡轮带动发电机发电。运行结果表明,这套装置发电成本可控制在0.1马克/度,具有构造简单、维护方便、能充分利用太阳能等突出优点,适合于太阳能资源较好,人口密度较小,地域辽阔的地区,如我国的西北地区等。近期,南非的A. J.Gannon等人[3,4]报道了他们对太阳能热风发电站系统循环,以及热风发电涉及的流动和传热问题的研究成果。本文根据这一原理构建了一座太阳能热风发电站,并针对宁夏地区的气候特点,对其在该地区应用的可行性进行了分析。 太阳能热风发电站构成及工作原理 太阳能热风发电站主要由太阳能空气集热器、带有发电机的风力涡轮,以及太阳能烟囱等组成,为三项已有成熟技术的创新性组合应用。具体结构示于图1。工作原理是利用烟囱对空气的抽吸作用产生的气流驱动风力涡轮进行发电,太阳能集热器则用于加热空气,强化烟囱效应。从技术角度来讲,太阳能热风发电站与水利电站颇为相似,都是将流体流动动能转变成叶轮机械旋转机械能进行发电。这里太阳能热风集热器以太阳能烟囱所在位置为中心,呈 圆周状分布,包括面盖和支架两部分,集热器四周开口用以引入空气,面盖及地面构成空气流动的通道。太阳能烟囱与地面垂直,建筑结构与常规烟囱类似,烟囱底部和太阳能集热器连接处要求有较好的密封。热空气密度小,在烟囱通道内上升,同时在太阳能集热器内被加热的热空气进入烟囱,冷空气进入集热器,形成持续不断的气流流动。气流流动具有的动能通过置于太阳能烟囱气流流道底部的风力涡轮带动发电机组转变为电能,通常这种风力涡轮可设置一台或多台。这种太阳能热风发电站运行成本低,维护方便。主要优点如下:1)对天气的依赖性相对较小。太阳能热风集热器无论是直射辐射还是散射辐射都能充分吸收,晴天和多云天气下都能运行,而依靠聚焦型太阳能集热器生产蒸汽来驱动热机发电的系统则只能吸收直射辐射;2)被集热器面盖所覆盖的地面能够起到自然贮能作用,白天地面吸热,夜晚将所储存的热量释放出来对空气加热,使系统在夜间能够持续发电;此外,这种集热器结构还可用作农业大棚,为提高作物产量,促进农业生产发挥作用;3)与传统热力发电站相比,不需要冷却水源,运行维护费用低,不需要化石燃料;4)建设成本低,所需建材主要为混凝土以及透明面盖材料,涡轮风力机也为成熟产品,不存在使用高新技术造成投资成本高的问题。 2太阳能热风发电站性能预测太阳能热风发电站的性能与烟囱的材料、结构高度、太阳能集热器面盖材料、集热器面积,地面土壤或岩石等的成分,以及风力涡轮和控制系统等密切相关。涉及具体换热和流动以及上述各种条件的详细计算可通过CFD方法及相应程序进行[3,4]。 这里介绍一种简化的分析方法,主要与太阳能集热、气流可用功以及风力涡率输出等有关,可用于太阳能热风发电站性能理论评估。 2.1集热器所用太阳能空气集热器吸热面就是地面,面盖材料可为玻璃或透明薄膜材料,四周开口,中央部位与太阳能烟囱底部相连接。热平衡方程为:.Q = m·CpΔT = (τα)AcollG-βΔTaAcoll=ηcollAcollG (1)其中,流经太阳能烟囱的热空气质量流量为:m·=ρcollAcVc(2)太阳能集热器出口空气流速可表示为:Vc=(τα)AcollG-βΔTaAcollρcollAcCpΔT(3)集热器效率可表示为:ηcoll= (τα)-βΔTaG(4)上述各式中,Ac———太阳能烟囱横截面面积;Acoll———集热器集热面面积;G———太阳辐照度;α———集热器的太阳能吸收率;β———集热器面盖的热损失系数;ρcoll———集热器出口空气密度;ΔTa———太阳能空气集热器吸热面温度(地面温度)与环境温度之差,这里近似取为集热器内空气平均温度与环境温度之差;ΔT———集热器出口空气温度(太阳能烟囱进口)与环境温度的差值,假设集热器内沿气流方向,空气温度按线性规律增加,则根据文献[5]推荐的方法,ΔT可通过下面方法计算。ΔT =2.QAcβFR(1-F″) (5)这里,集热器热迁移因子FR可通过近似公式求得,FR=11F′+Acollβ2m·Cp(6)F′———集热器的效率因子;F″———集热器流动因子,F″=FRF′(7)根据假设,进一步可得:ΔTa=12ΔT (8)计算中,需给出空气流量和温差的初值,经迭代计算最终确定气流温升和空气流量。 2.2太阳能烟囱太阳能烟囱相当于一个具有低摩擦损失系数的压力管道,其内表面通常要尽可能做得光滑,以减少流动阻力。文献[1]给出太阳能烟囱的效率:ηsc=Ptot.Q=gHscCpT0(9)其中Hsc表示太阳能烟囱的高度,Ptot为气流具有的可用功,可表示为:Ptot=ηsc.Q =gHscT0ρcollVcΔTAc(10)气流在太阳能烟囱内产生的总压差为:ΔPtot=ρcollgHscΔTT0(11) 2.3风力涡轮风力涡轮设于太阳能烟囱的底部,其作用在于将气流的动能转化为机械能带动发电机发电。根据文献[1]推荐,风力涡轮获得的最大机械能可表示为:Pwt,max=23VcAcΔPtot(12)由式(1),(3),(4),(7)以及(8)进一步可得太阳能热风发电站的最大发电能力为:Pwt,max=23ηcollgCpT0HscAcollG (13)从而得到实际发电能力:Pe=23ηcollηwtgCpT0HscAcollG (14) 3太阳能热风发电站性能分析 根据上面介绍的方法,选取表1所列参数,对太阳能热风发电站性能进行了分析。环境温度及太阳辐照度对热风发电站发电能力的影响,辐照度越大,环境温度越高,发电能力也越强。但太阳辐照度变化对系统性能影响更大。在环境温度为20℃,辐照度600W/m2时,系统可发电约180kW,能够解决附近村庄的生活用电需求。