太陽能煙囪發電技術研究現狀及在建筑中的應用展望

中國興業太陽能技術控股有限公司 ■ 譚軍毅 姚莉 余國保 劉紅維

一 引言

自1978年德國學者Schlaich博士提出太陽能煙囪電站概念以來，太陽能煙囪發電以其簡單的結構受到了各國學者的密切關注，關于太陽能熱氣流發電的理論研究日益深入，各種規模的實驗電站也陸續建立，并在此基礎上發展了提高太陽能煙囪發電效率的各種新技術。但是傳統意義上的太陽能煙囪發電局限于荒漠偏遠地區，浪費了一些陽光充足的城市等建筑密集地區的太陽能資源。要打破這種局限，則需將該熱氣流發電與建筑結合，進行太陽能煙囪發電的建筑一體化研究。

二 太陽能煙囪發電原理

太陽能煙囪發電(Solar Chimney Power，簡稱SCP)也稱為太陽能熱氣流發電，是將風力透平發電、溫室技術、煙囪技術組合為一體的新能源發電技術。

太陽能煙囪發電系統主要包括煙囪、集熱棚、蓄熱層及空氣渦輪機組四部分。如圖1所示，系統以煙囪為中心，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。透光集熱棚相當于一個巨大的溫室，其地表蓄熱層吸收太陽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，與外界環境形成密度差，從而形成壓力差，起負壓管作用的煙囪加大了系統內外的壓力差，形成了強大的上升氣流，驅動位于煙囪底部中央的空氣渦輪發電機組；而冷空氣在壓差作用下從四周縫隙中補充進入集熱棚，實現空氣的連續流動；蓄熱層白天吸收了太陽光的輻射能，夜間仍會不斷的釋放熱量加熱集熱棚中的空氣，因此渦輪發電機組可實現白天黑夜連續發電，為用戶提供源源不斷的電力[1～3]。

圖1 太陽能煙囪發電原理

集熱棚是太陽能煙囪發電系統中最重要的部分，它的作用類似于空氣集熱器，主要收集太陽能加熱棚內的空氣，以獲得推動空氣渦輪機發電的動力。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輻照中最主要的短波輻射進入，并很好地阻止地面散熱發射的長波透出，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系，集熱棚的直徑越大，集熱效率越高[4]。根據卡諾循環，煙囪發電系統的效率與集熱棚出口溫度有很大的關系，集熱棚出口空氣的溫度越高，整個系統的效率就會提高。但就目前的集熱棚集熱效果來看，一般出口溫度只能提升30℃左右，整個系統的效率很難達到1%，因此要提高整個系統的效率，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，可以使得煙囪發電走出沙漠等荒漠區域，進入城市高樓中應用。

三 國內外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70年代末提出太陽能煙囪發電的概念并在西班牙建造了50kW試驗電站后，太陽能煙囪電站開始受到了人們的普遍專注，各國研究者相繼在這一領域進行探索，特別是德、美、西班牙等國家。目前各國學者的研究領域主要集中在太陽煙囪電站的可行性、各因素對發電效率的影響及與其他技術結合綜合利用等問題上，以下是近年來國外學者在理論研究上的部分成果[6]。

表1 近年來國外學者在太陽能煙囪發電理論研究上的部分成果

在國內，也對太陽能煙囪電站進行了大量的研究與試驗，明廷臻、劉偉等人對太陽能熱氣流電站系統首次提出了能量利用度的概念[15]。西安交通大學的張楚華利用熱力學方法，建立了太陽能煙囪發電系統中各部分熱氣流能量轉化的模型，采用一維假設建立熱氣流傳熱模型并使用龍格－庫塔方法進行求解[2]。葛新石根據Schliach給出的一個算例，計算了太陽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，說明太陽煙囪發電技術受熱力學定律的制約，具有不完善性[1,16]。左潞建立了太陽能煙囪發電系統的非穩態傳熱模型，主要研究了集熱系統的特性及蓄熱層的作用[17]。毛宏舉采用流體動力學的方法對太陽能煙囪發電裝置進行了數值模擬，討論煙囪性狀、集熱棚直徑、太陽輻照等因素對裝置內部的溫度場、速度場、壓力場分布的影響[4,18]。同樣，周新平、范振和等人也采用FLUENT對煙囪電站裝置的流場進行了模擬研究[1,19]。2009年，李卉梓等人提出了一種新型的螺旋集熱型太陽能熱氣流發電系統，該新型系統白天的運行性能與西班牙試驗電站模型近似相等，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90年代以來，太陽能熱氣流電站已經進入實用階段，特別是在澳大利亞、南非、印度、埃及等陽光充足并且存在大量荒漠地區的國家。上個世紀末，印度政府準備在拉賈斯坦的塔爾沙漠建造一座100MW的太陽能熱氣流發電站，但由于印巴基戰爭問題而擱淺[6]。1981年，西班牙Manzanares建造了世界上第一座太陽能煙囪電站，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的研究團隊在南非邊遠的沙漠城錫興附近建造一座實用規模的太陽能熱氣流發電站。該電站的發電能力為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200MW的太陽能熱氣流電站，該電站煙囪由Schlaich設計，設計高度為1000m，直徑為130m，集熱棚直徑為7000m，投資3.95億美元[6,22]。我國主要西北地區和青藏高原等地區比較具有興建熱氣流電站的優勢，2009年我國第一座發電量為1MW的太陽能熱氣流電站在寧夏開始興建。在烏海金沙灣地區正在投建一座200kW太陽能熱風發電站，該發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，該工程計劃有3期，其工程規劃裝機容量為27.5 MW[23]。

四 太陽能煙囪發電新技術

SCP屬于一種非聚光太陽能發電技術，收集太陽能光能量密度低，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。近年來為了克服這些困難，學者們提出了各種煙囪發電的新技術。

1 強熱發電技術

強熱發電技術目前有兩種形式。一種是采用內插式真空管集熱器，利用鼓風機將空氣鼓入真空管集熱器中，將空氣加熱，然后通過常規集熱棚形成較高溫度空氣，密度變稀，形成對流氣流流動發電，提高太陽能煙囪的效率[24]。另一種是在地熱資源豐富的地方，利用水泵將高溫水抽出，在太陽能煙囪的集熱棚下方地面上設置環形水盤管換熱器，利用地熱水加熱空氣，這樣集熱棚中的空氣溫度可顯著提高，從而達到提高電廠效率的目的[25]。

2 浮動煙囪太陽能熱風發電[26]

浮動煙囪太陽能熱風發電(簡稱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、有一定高度的環形圓圈(圓柱體)，通過輕質結構將多個圓柱體連接起來形成很長的煙囪結構，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生產的飛艇外殼材料，大大降低了煙囪的建設成本，從而降低了太陽能熱風發電廠的造價(見圖2)。

圖2 熱風發電浮動煙囪結構示意圖

3 斜坡太陽能煙囪發電[22,27,28]

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

圖3 斜坡太陽能發電結構示意圖

五 太陽能煙囪發電技術在建筑中的應用

相對于其他類型的太陽能發電途徑，太陽能煙囪發電原理簡單，設備成熟，被譽為“沙漠中的水電廠”，受到國內外能源界的廣泛關注。目前，許多國家都已經對太陽能煙囪發電進行了較為深入的研究，各種規模的示范電站甚至商業電站也有所建立，但由于電站一般位于沙漠等較為惡劣的環境中，煙囪高聳維護均具有很大的難度。設想將熱風發電煙囪借用都市高樓的部分結構，一方面對建筑物可進行保溫隔熱，改善建筑的通風性能，另一方面在結構上更加安全牢固，大大降低了運行維護的難度，投資成本也大大降低，同時又可將產生的電力直接用于建筑本身，是非常有意義的工作，國內外的科研界也做了部分探索性的工作。

太陽能煙囪電站與建筑一體化的主要形式有兩種。一種是與現代城市高樓的立面墻體相結合，利用建筑物向陽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，渦輪發電機放置于樓層底部(見圖4)；另一種是與人字形屋頂相結合，沿著屋頂修建空氣通道，渦輪發電機放置于屋頂頂部(見圖5)，這種形式與斜坡太陽能煙囪發電有類似之處。2011年，K.V.Sreejaya等人在穩態條件下建立了屋頂式太陽能煙囪的模型，并模擬了白天系統短暫的運行情況，對于15m的模型面積，煙囪內最高速度可達0.17m/s，并且最大流量隨著太陽輻射的增大而增大。在國內，周艷、李慶玲等人進行了基于太陽墻技術的太陽能熱氣流電站的建模與仿真，主要針對城市高樓的立面墻壁與太陽能熱氣流發電結合的研究，探討了太陽輻照、立面高度等條件對煙囪發電效果的影響。研究表明，同傳統的太陽能煙囪電站一樣，建筑一體化煙囪電站的效率與煙囪的高度及太陽輻照度成正比，而且煙囪的高度與寬度之間存在一個最佳比值使得系統發電效率最高[29,30]。

目前對于太陽能煙囪電站與建筑一體化的研究還比較有限，但是從技術層面上來說，利用太陽能煙囪為建筑提供新風或者地板采暖，已經在許多建筑上得到成功的應用并行之多年。因此適合城市高樓一體化的熱風利用技術從原理上來講，沒有太多的技術難度，但是要作為一個建筑太陽能煙囪發電應用來說，主要問題在于發電效率較低，成本較高。

圖4 建筑一體化太陽能煙囪發電示意圖

圖5 人字屋頂太陽能煙囪發電示意圖

要在建筑中更好地應用太陽能煙囪發電技術，主要可以從以下兩方面來突破:

第一，提高渦輪機組的轉換效率，主要體現在渦輪的設計、解決因煙囪里空氣溫度過低造成的發電效率過低的問題、風道流體的CFD靜態模擬和動態太陽光負荷下的流場模擬；

第二，通過提高熱源溫度來提高太陽能煙囪發電效率，隨著光熱建筑一體化技術的發展，可做成空氣集熱幕墻，把平板空氣集熱器做成幕墻建筑構件的形式，利用鼓風機將空氣鼓進平板空氣集熱器空腔中，將空氣加熱，然后通過常規集熱棚形成較高溫度空氣，形成對流氣流流動發電。目前平板空氣集熱器產品已經較為成熟，并且容易形成模塊化安裝，易與建筑結合，既可以提高太陽能煙囪的發電效率，也可以保證建筑的美觀性和安全性。

六 結語

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

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