太陽能光伏熱氣流復合系統(tǒng)發(fā)電特性初探

黃亮一

摘 要：本文研究了太陽能光伏熱氣流發(fā)電站采用在普通的太陽能熱氣流電站的集熱棚上覆蓋光伏電池的方法?；谔m州地區(qū)的氣象參數(shù)（太陽輻射度，月平均日照時數(shù)）建立了一個數(shù)學模型并通過計算機編程輔助加以計算。計算分析結(jié)果表明在集熱棚上覆蓋了光伏電池雖然會降低系統(tǒng)的輸出功率，但通過這種方法表現(xiàn)出小尺寸的太陽能光伏電站具有解決目前太陽能熱氣流電站需要超大尺寸與超高煙囪問題的潛力。

關(guān)鍵詞：太陽能；熱氣流發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)

目前將太陽能轉(zhuǎn)換為電能主要有兩種方法：光電法和光熱法。太陽能光伏熱氣流發(fā)電站采用在普通的太陽能熱氣流電站的集熱棚上覆蓋光伏電池的方法。太陽能熱氣流發(fā)電作為二十世紀80年代才興起的新興太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，具有較高的效率和經(jīng)濟性。該系統(tǒng)由集熱棚、煙囪和透平三個主要部分組成，它成功地將3種成熟技術(shù)結(jié)合為一體：溫室技術(shù)、煙囪技術(shù)和風力透平機技術(shù)。[1]

集熱棚使用金屬框架作為支撐，其四周與地面留有一定的間隙。大約90%的太陽可見光能夠以短波輻射的穿過由玻璃或塑料等透明材料組成的集熱棚并被棚內(nèi)地面吸收。同時集熱棚利用溫室效應(yīng)能阻隔由地面發(fā)出的長波輻射。因此，太陽能集熱棚是形成了一個有效捕集和貯存太陽能的系統(tǒng)。集熱棚內(nèi)的空氣溫度由于棚內(nèi)被加熱的地面與棚內(nèi)空氣之間發(fā)生了熱交換而升高。集熱棚內(nèi)部空氣在受熱后密度下降而造成空氣上升，進入煙囪中。在煙囪中上升過程中熱空氣速度提高并推動煙囪內(nèi)透平發(fā)電。同時集熱棚外部的冷空氣通過四周的間隙流入集熱棚中。從而形成了集熱棚內(nèi)空氣的連續(xù)流動。[2]

質(zhì)量流量變小時，空氣在集熱棚中的升溫和在煙囪內(nèi)膨脹導致的溫降都會變大，熱氣流電站內(nèi)透平功率仍然減??；當質(zhì)量流量變大時，氣流速度隨之變快，空氣在集熱棚內(nèi)部流動時間短，溫升量變低，透平功率隨之變大?？諝庠诩療崤飪?nèi)獲取的太陽能能大部分被用于向上推動煙囪內(nèi)的熱氣流，克服集熱棚和煙囪的摩擦力損失以及隨煙囪出口氣流所攜帶動能而流失，而用于推動透平旋轉(zhuǎn)從而發(fā)電的有用功比較小。[3]

太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)因為直接利用溫室效應(yīng)而沒使用太陽能聚光設(shè)備，光電轉(zhuǎn)換效率較低，因此為了達到設(shè)計功率需要巨大面積的集熱棚和高大的煙囪。[4]為了經(jīng)濟方面上降低電力生產(chǎn)成本，電站就應(yīng)該就建成萬千瓦級別電站。該級別的熱氣流電站需要數(shù)公里直徑長的集熱棚、千米級別的煙囪，這在設(shè)計和建造上是巨大的挑戰(zhàn)。[5]

我們通過數(shù)學建模和計算機模擬，研究了光伏電池面積比對太陽能光伏熱氣流復合系統(tǒng)發(fā)電性能的影響規(guī)律，提出了最佳面積比的設(shè)計準則，主要研究工作如下：

（1）利用全年平均太陽輻照度，建立斜坡太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，用C語言編制相關(guān)計算程序。通過程序模擬的基礎(chǔ)，提出太陽能光伏熱氣流復合系統(tǒng)光伏電池面積比的設(shè)計準則。

（2）基于集熱棚效率、總體發(fā)電效率、出口空氣參數(shù)分析太陽能光伏熱氣流復合系統(tǒng)光伏電池面積比對復合發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的影響。

第一項工作主要是從熱力學、傳熱學等基本定律出發(fā)，基于年平均太陽輻照度和集熱棚面積與光伏電池面積建立了光伏熱氣流系統(tǒng)的數(shù)學模型。在求解方程時，需要輸入該地的氣象輻射資料和日照小時數(shù)并設(shè)定太陽能光伏熱氣流復合發(fā)電系統(tǒng)的幾何尺寸。

第二項工作主要是通過實驗模擬來證明，集熱棚有效面積是影響復合系統(tǒng)性能的重要因素?；谔m州的太陽輻射度，平均日照時數(shù)，我們在建立了一定的前提的背景下建立了太陽能光伏熱氣流復合系統(tǒng)的數(shù)學模型并通過計算機編程進行計算。通過計算機程序的模擬運算得到不同光伏電池面積比下的系統(tǒng)性能與各項參數(shù)，最終得出了如下實驗結(jié)果：

（1）光電系統(tǒng)中光伏電池的面積和光熱系統(tǒng)中集熱棚的面積都是影響各自系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。隨著光伏電池面積的增加或者集熱棚面積的增加，相應(yīng)系統(tǒng)的功率都在隨著增加。太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的總功率與其集熱棚面積近乎線性關(guān)系，而光伏電池發(fā)電系統(tǒng)總功率與光伏電池面積的關(guān)系較復雜在光伏電池面積百分比超過67%時，光伏電池的發(fā)電功率持續(xù)提高。因此，光伏電池面積占總面積百分比不斷增加的時候，總產(chǎn)電功率先是下降，到達復合系統(tǒng)總功率谷底時，隨著電池面積不斷增加，集熱棚面積不斷減少總產(chǎn)電功率開始再次升高。

（2）雖然光伏電池占總面積百分比超過70%且繼續(xù)增加時，總發(fā)電量開始反彈，但是在光伏電池占面積84%時發(fā)電量依然不如純粹的太陽能熱氣流電站發(fā)電效率?？紤]到光伏電池的配套設(shè)備自身也需要一定的集熱棚面積進行安置。可以認為安裝了500000塊光伏電池時已經(jīng)是極限情況的發(fā)電量。

（3）集熱棚覆蓋面上平均溫度會隨著光伏電池面積的增加，集熱棚可用面積的減少而不斷降低。然而在覆蓋了500000塊光伏電池的極限情況下，集熱棚平均溫度從286K降低到284K降溫幅度只有0.6%。其對太陽能光伏熱氣流復合系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)的影響可以忽略不計。可以看出復合系統(tǒng)功率的主要因素仍然是光伏面積與集熱棚面積。

（4）隨著光伏電池面積的增加，集熱棚的有效面積不斷減小，然而有效面積對其出口密度和集熱棚自身效率的影響很小。當集熱棚面積減小時，大幅度的影響了出口速度使其快速下降，這也導致了出口流量的大幅度減小和煙囪內(nèi)透平的發(fā)電功率下降。

（5）在光伏電池面積變化率相同時，每月日照時數(shù)與光伏部分功率變化率以及光熱部分功率變化率呈正比。而室外溫度的變化對系統(tǒng)總體效率的影響較小。

我們的研究是基于復合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最大的原則設(shè)計并進行了計算機模擬運算。光伏電池的數(shù)目影響到光伏部分的有效面積與光熱部分的集熱棚面積，從而直接影響到系統(tǒng)總發(fā)電量，同時光伏電池部分覆蓋率對總電量的影響同樣每月日照時數(shù)所控制。事實上由于各地電站的地理位置差異，和各個月太陽輻射量不同，進一步的工作應(yīng)該確定出具體氣象因素對面積和發(fā)電量變化率的影響。

參考文獻：

[1]朱海林.太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)集熱器的傳熱與流動過程的研究[D].東華大學碩士學位論文，2011.

[2]周新平，楊家寬.肖波.太陽能煙囪發(fā)電試驗裝置內(nèi)流場的CFD模擬研究[J].熱力發(fā)電，2006（3）：23-26.

[3]張楚華.大型太陽能煙囪發(fā)電站熱力分析與計算[J].可再生能源，2007（7）：3-4.

[4]徐濤，劉曉紅.對煙囪式和塔式太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)的分析[J].廣州航海高等?？茖W校學報，2009（2）：24-27.

[5]言惠.太陽能煙囪發(fā)電--太陽能利用的新葩[J].上海大中型電機，2004（1）：1-2.