魏毅立，王 瓊

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014010)

太陽能由于其具有清潔、安全、無污染、可再生且儲(chǔ)量極大等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代可再生能源領(lǐng)域得到了極大的重視，開發(fā)和利用太陽能成為了人類社會(huì)的共識(shí)。從20世紀(jì)80年代開始至本世紀(jì)初期，英國、西班牙的科研人員在太陽能熱氣流發(fā)電領(lǐng)域做了大量的研究與實(shí)踐工作。與此同時(shí)在理論研究上，國內(nèi)外的科研人員在大量研究數(shù)據(jù)的支撐下發(fā)表了眾多論文，內(nèi)容涉及各種熱力方程的建立、應(yīng)用，也包含渦輪機(jī)性能改進(jìn)與能量轉(zhuǎn)換效率，甚至包括對(duì)周邊環(huán)境影響等問題。太陽能熱氣流發(fā)電站通常有集熱棚、塔筒和渦輪機(jī)三大基本組成部分。集熱棚接收太陽能使塔筒形成內(nèi)外溫差，從而產(chǎn)生塔筒抽吸力，在抽吸力作用下形成熱空氣流，熱空氣流推動(dòng)系統(tǒng)中安裝的渦輪發(fā)電機(jī)組使其發(fā)電［1］。此發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行太陽能發(fā)電，而且可以進(jìn)行太陽能和風(fēng)能混合發(fā)電。由可控進(jìn)風(fēng)口及太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)組成了一種能夠利用自然風(fēng)能和太陽能的發(fā)電方式，其被稱為太陽能熱風(fēng)發(fā)電［2］。在烏海實(shí)施建設(shè)了沙漠太陽能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)，于2010年10月并網(wǎng)發(fā)電，該電站建在沙漠上，覆蓋大片的沙漠，減少沙塵，底部隔水設(shè)計(jì)，可減少沙漠水蒸發(fā)量，雨水收集系統(tǒng)可灌溉綠化部分沙漠，不會(huì)產(chǎn)生任何污染，環(huán)保性能極好［3］。烏海太陽能熱風(fēng)發(fā)電站如圖1所示。

圖1 烏海沙漠太陽能熱風(fēng)發(fā)電站

1 水平軸和垂直軸渦輪發(fā)電機(jī)組的選型

太陽能集熱棚用于大面積收集低能量密度的太陽輻射能并將其轉(zhuǎn)化為棚內(nèi)空氣的熱能，從而使位于集熱棚中央的導(dǎo)流塔筒兩端產(chǎn)生壓力差，并在導(dǎo)流塔筒和集熱棚內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大氣流以驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電［4］。采用垂直軸渦輪發(fā)電機(jī)組的熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)只需安裝一臺(tái)渦輪發(fā)電機(jī)組，并且一般安裝在塔筒底部。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可選用多臺(tái)發(fā)電機(jī)組，降低每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的容量。因?yàn)樗捷S風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的制造技術(shù)成熟，所以選用水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

選用的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝在集熱棚下面的塔筒底部附近，共設(shè)有5組渦輪發(fā)電機(jī)組，每組渦輪發(fā)電機(jī)組容量為40 kW。集熱棚透光材料采用玻璃，并用鋼結(jié)構(gòu)支撐。在集熱棚和塔筒之間設(shè)有圓形的月亮門，月亮門是集熱棚和塔筒的連接環(huán)節(jié)。集熱棚內(nèi)加熱的空氣經(jīng)月亮門流過，在中空的月亮門圓形軸部位同軸安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪，風(fēng)輪采用成熟的三槳葉升力型葉片［5］。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

烏海太陽能熱風(fēng)發(fā)電站的設(shè)計(jì)主要包括集熱棚、塔筒設(shè)計(jì)和渦輪機(jī)的選型，其中集熱棚和塔筒的設(shè)計(jì)是整體工程項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)合理的決定因素。本文在進(jìn)行集熱棚和塔筒設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了以下因素：

(1)集熱棚的設(shè)計(jì)與所在場(chǎng)址的太陽能資源特征匹配，使得太陽能資源能夠得到充分利用［6-9］。

(2)根據(jù)集熱棚和塔筒的作用及性質(zhì)，綜合考慮二者的建設(shè)難度和造價(jià)等經(jīng)濟(jì)因素，合理設(shè)計(jì)裝機(jī)容量。

(3)集熱棚和塔筒的氣密性要很好，熱風(fēng)流在棚內(nèi)和塔筒內(nèi)流動(dòng)時(shí)，沒有質(zhì)量損失，不會(huì)影響到塔筒抽吸力以及熱風(fēng)流的速度和發(fā)電效率［7］。

(4)考慮場(chǎng)址實(shí)際情況，設(shè)備的安裝、運(yùn)輸條件以及運(yùn)行維護(hù)條件是否滿足建設(shè)條件。

(5)結(jié)合集熱棚和塔筒的尺寸確定渦輪發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)值。

2.1 集熱棚的設(shè)計(jì)

太陽能集熱棚是太陽能和自然風(fēng)能的一個(gè)有效捕集系統(tǒng)，在集熱棚的中央建造豎直塔筒，在塔筒底部和太陽能集熱棚透明蓋板的下面為熱風(fēng)通道，在集熱棚和塔筒連接處設(shè)有熱風(fēng)通道口，通道口為圓形。集熱棚的熱氣流通過圓形通道進(jìn)入塔筒，月亮門上安裝的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的上風(fēng)口可認(rèn)為是集熱棚的出口。

集熱棚的面積越大，加熱空氣流的溫升越高，在塔筒底部所產(chǎn)生的壓差越大，熱風(fēng)平均速度也越大。結(jié)合烏海金沙灣太陽能資源狀況，集熱棚采用鋼化玻璃制成，高效吸收太陽輻射能(短波輻射)進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部。

當(dāng)自然風(fēng)能功率為零時(shí)，設(shè)太陽能發(fā)電功率為2.5 kW。已知太陽常數(shù)ISG=1 370 W/m2，取太陽能吸收系數(shù)ε=0.2，發(fā)電系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化效率η=0.15%，得到集熱棚吸收太陽能的有效面積A1為

集熱棚實(shí)際建設(shè)面積A1為6 170 m2。集熱棚外形輪廓呈近似橢圓形，設(shè)有13個(gè)可控進(jìn)風(fēng)口(如圖2所示)，自動(dòng)調(diào)節(jié)可控進(jìn)風(fēng)口，可以使迎向自然風(fēng)能的進(jìn)風(fēng)口打開，當(dāng)?shù)刂饕俏鞅憋L(fēng)，可控風(fēng)門的設(shè)計(jì)大多迎向西北方向，圖2中可控進(jìn)風(fēng)口1～11朝向西北方向。該設(shè)計(jì)創(chuàng)造性地利用了風(fēng)能，增加了發(fā)電量，降低了發(fā)電成本。當(dāng)有風(fēng)時(shí)，系統(tǒng)打開迎風(fēng)的進(jìn)風(fēng)口，自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)量，風(fēng)力增加了渦輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)力，可直接利用太陽能和自然風(fēng)能通過同一套機(jī)組同時(shí)發(fā)電。

圖2 發(fā)電系統(tǒng)俯視示意圖

集熱棚傾斜度的選取主要依據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栞椛浣?，?dāng)輻照表面傾斜的角度與當(dāng)?shù)氐木暥认嗤瑫r(shí)，太陽對(duì)表面的輻照最強(qiáng)。沙子中水分蒸發(fā)時(shí)，要吸收汽化潛熱，降低了太陽能利用率，因此，在沙子上敷設(shè)隔水層，隔水層的設(shè)置可以減少水分的蒸發(fā)量，有利于集熱棚周邊的綠化。隔水層上可以敷蓋當(dāng)?shù)厣匙?，在沙子上敷蓋卵石，以防沙子流動(dòng)，沙子和卵石還具有儲(chǔ)能的功能。由于溫室作用，蓄熱介質(zhì)向上發(fā)射長波輻射，集熱棚能夠很好地阻隔地面發(fā)出的長波輻射，可有效加熱集熱棚內(nèi)的空氣［8］。

2.2 塔筒的設(shè)計(jì)

太陽能熱風(fēng)發(fā)電的塔筒需要相對(duì)薄的加固的環(huán)形殼壁。塔筒高度是塔筒結(jié)構(gòu)主要參數(shù)之一［9］。圖3為熱風(fēng)發(fā)電塔筒截面示意圖。

已知每臺(tái)發(fā)電機(jī)額定功率為40 kW，尾流空氣密度ρ2=1.25 kg/m3，風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)Kp=0.35。設(shè)額定尾流風(fēng)速υ2=13.1 m/s，把以上參數(shù)代入文獻(xiàn)［10］中的數(shù)學(xué)模型得風(fēng)輪尾流截面積A2=52.8 m2。

5臺(tái)發(fā)電機(jī)組全部額定功率運(yùn)行時(shí)，5臺(tái)發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪尾流全部流入塔筒，因此塔筒截面積應(yīng)為5倍的風(fēng)輪尾流截面積A2，所以有A3=5A2=264 m2，塔筒內(nèi)徑d3=18.3 m，實(shí)際建設(shè)時(shí)d3為18.5 m，A3為269 m2。

當(dāng)輸出功率Pout=2.5 kW時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)［10］中的數(shù)學(xué)模型可計(jì)算出風(fēng)速 υ2=5.20 m/s，設(shè)WP=0，可得

圖3 熱風(fēng)發(fā)電塔筒截面示意圖

設(shè)環(huán)境溫度T=300K，可以計(jì)算出塔筒有效高度h=67.39 m，實(shí)際建設(shè)時(shí)塔筒總高度為53 m，h0為7.1 m，實(shí)際塔筒有效高度h為45.9 m。

3 用集熱棚吸收功率曲線和塔筒結(jié)構(gòu)曲線求解熱風(fēng)速度

熱風(fēng)速度υ2和集熱棚出口溫度T1是發(fā)電系統(tǒng)的重要參數(shù)，發(fā)電系統(tǒng)吸收能量功率方程曲線與塔筒結(jié)構(gòu)特征方程曲線的交點(diǎn)就是發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的熱風(fēng)風(fēng)速 υ2和溫度T1［11］。

由圖4可知，塔筒結(jié)構(gòu)特征曲線斜率為正，集熱棚吸收功率曲線斜率為負(fù)，因此，這兩條曲線必然有一交點(diǎn)，即穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型有唯一解，并且解是穩(wěn)定的。發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)，運(yùn)行穩(wěn)定［12］。

圖4 集熱棚吸收功率曲線和塔筒結(jié)構(gòu)曲線

4 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果

在烏海實(shí)施建設(shè)的沙漠太陽能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的塔筒高度為53 m，集熱棚面積為6 300 m2。圖5和圖6分別為某日13時(shí)55分到14時(shí)25分和某日10時(shí)03分到11時(shí)33分的光照、環(huán)境風(fēng)速及發(fā)電輸出功率曲線。

從圖5、圖6中可以看出，當(dāng)平均環(huán)境風(fēng)速在2 m/s時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)輸出的平均功率為3 kW。但是當(dāng)外界平均環(huán)境風(fēng)速達(dá)到17 m/s，發(fā)電系統(tǒng)輸出的平均功率將達(dá)到30 kW，它是前者的輸出功率的10倍。所以該發(fā)電系統(tǒng)可以充分利用自然風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，烏海沙漠太陽能熱風(fēng)發(fā)電是一種結(jié)合了風(fēng)能的太陽能熱氣流發(fā)電的新型太陽能風(fēng)能耦合發(fā)電方式。

圖5 某日13時(shí)55分到14時(shí)25分的光照、環(huán)境風(fēng)速及發(fā)電輸出功率曲線

圖6 某日10時(shí)03分到10時(shí)33分的光照、環(huán)境風(fēng)速及發(fā)電輸出功率曲線

5 結(jié)論

太陽能熱風(fēng)發(fā)電方式能夠進(jìn)行太陽能與自然風(fēng)能混合發(fā)電。熱風(fēng)發(fā)電的特點(diǎn)是發(fā)電過程無需水，并且可以固定沙子、減少蒸發(fā)量、綠化部分沙漠。由于太陽能熱風(fēng)發(fā)電的主體是鋼混凝土，所以發(fā)電壽命遠(yuǎn)大于光伏發(fā)電。提高太陽能熱風(fēng)發(fā)電量的途徑是升高塔筒高度、提高集熱棚吸收能量的功率。本文的研究為太陽能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)提供了理論支撐及具體的技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)研究推廣這一新興技術(shù)，緩解能源壓力，保護(hù)環(huán)境有著重大的意義。

［1］魏毅立.一種風(fēng)光混合發(fā)電或風(fēng)能發(fā)電的方法：中國，ZL200910004172.5［P］.2012-08-15.

［2］毛宏舉，李戩洪.集熱棚對(duì)太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)效率的影響［J］.可再生能源，2006(6)：6-9.

［3］毛宏舉，李戩洪.煙囪性狀對(duì)太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)效率的影響［J］.可再生能源，2006(5)：12-15.

［4］陳義勝，楊燕，魏毅立，等.沙漠太陽能熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)及其應(yīng)用［J］.能源研究與信息，2010，26(2)：117-121.

［5］Reinhard Harte，Martin Graffmann，Wilfried B Kr?tzig.Optimization of Solar Updraft Chimneys by Nonlinear Response A-nalysis［A］//3rd International Conference on Solar Updraft Tower Technology.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2012：1-12.

［6］陳俊俊，龐赟佶，陳義勝，等.太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)輔助加熱與塔窗高度研究［J］.熱力發(fā)電，2012(12)：68-69.

［7］陳義勝，楊靖輝，魏毅立，等.太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)中渦輪機(jī)的研究［J］.節(jié)能，2010，29(2)：39-42.

［8］Wei Yi-li，Wu Zhen-kui.Shed Absorbability and Tower Structure Characteristics of the Solar Heated Wind Updraft tower power［A］//3rd International Conference on Solar Updraft Tower Technology，Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2012，1-12.

［9］楊燕，陳義勝，魏毅立，等.太陽能熱風(fēng)發(fā)電站集熱棚的實(shí)驗(yàn)和CFD計(jì)算模擬研究［J］.內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(1)：62-65.

［10］代彥軍，黃海賓，王如竹.太陽能熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于寧夏地區(qū)的研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2003，24(3)：408-412.

［11］葛新石，葉宏.太陽煙囪發(fā)電系統(tǒng)及其固有的熱力學(xué)不完善性分析［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2004，25(2)：263-268.

［12］Pretorius J P，Kroger D G .Critical evaluation of solar chimney power plant performance［J］.Solar Energy，2006，80(5)：535-544.