1978年1月,德国斯图加特大学教授J.Schlaich博士在一篇会议论文中首先阐述了“太阳能烟囱电站”的发电技术新构想,J.Schlaich博士从“太阳能烟囱电站”的可行性、发电理论、制造技术等方面进行了详细的论证,并于20世纪80年代初在原西德研究技术部和西班牙电力公司的支持下,在西班牙马德里南150km的Manzanars建造了一座造型奇特的太阳能试验电站,并且通过试验获得成功。
图3.11 太阳能热气流发电的原理示意图
1—烟囱；2—风力机；3—集热器
目前,国外在太阳能热气流发电领域的研究集中在太阳能热气流电站的可行性、发电效率的提高、局域生态环境的治理及综合治理利用等问题上,尚没有重大理论和技术突破。国内在该研究方面与世界先进国家存在较大差距。
1.太阳能热气流发电的原理
由图3.11可以看到,在以大地为吸热材料的地面大棚式太阳能空气集热器中央建造高大的竖直烟囱。烟囱的底部在地面空气集热器的透明盖板下面开设吸风口,上面安装风轮,地面空气集热器根据温度效应生产热空气,从吸风口吸入烟囱,形成热气流,驱动安装在烟囱内的风轮并带动发电机发电。这就是太阳能热气流发电的原理。(www.xing528.com)
太阳能热气流发电站的实际构造由三部分组成：大棚式地面空气集热器、烟囱和风力机。太阳能热气流发电站的地面空气集热器是一个近地面一定高度、罩着透明材料的大棚。阳光透过透明材料直接照射到大地上,大约有50%的太阳辐射能量被土壤所吸收,其中1/3的热量加热罩内的空气,1/3的热量储于土壤中,1/3的热量为反射辐射和对流热损失,所以,大地是太阳能热气流电站的蓄热槽。
形成的热空气能在烟囱中流动是由于烟囱内外侧空气的温差,也就是密度差,产生了驱动空气在烟囱内向上流动的动力。这里的烟囱是将空气中的热能转换为压力能的变换器。烟囱的效率随其高度而线性增大,并当空气和地面温差降到只有几摄氏度时保持恒定。
研究表明,影响电站运行特性的因素有云遮、空气中的尘埃、集热器的清洁度、土壤特性、环境风速、大气温度叠层、环境气温及大棚和烟囱的结构质。
2.太阳能热气流发电的优点
太阳能热气流发电站技术得到国内外专家同行的赞誉和支持。计算表明,建造一座功率为10～100MW的太阳能热气流发电站,集热棚直径约为1～2km,烟囱高度为400～600m,而200～300MW装机容量的太阳能热气流发电站被认为是比较经济的。能量密度低、日照波动大是太阳辐射的基本特征,也是人类在大规模开发和利用太阳能时难以逾越的障碍。但是,太阳能热气流发电克服了上述困难,显现出十分明显的优势：①发电成本远低于其他太阳能热电技术(表3.2),且可大规模开发；②不需要冷却水,只占用沙漠和戈壁滩等荒芜土地,这对于太阳光充足但严重缺水的国家具有重要意义；③设计、施工简单,建筑材料如玻璃、水泥和钢材等均可在当地获得；④集热棚可以利用所有太阳直射和散射辐射,故多云天气同样可行,而晚上放热形成热气流继续发电,使电站能够连续发电；⑤电站运行非常可靠,仅涡轮机、传动装置和发电机是电站的运动部分,发电设备简单,一次性投资与建造同容量的水电机组相近,运行维修费用低廉；⑥电站不需燃料,替代相同规模的燃煤电站可减少SO x、NO x、CO2的排放量,还可以利用温室效应绿化环境,改善气候条件,提高进口空气质量,具有良好的经济效益和社会效益；⑦不需要高技术的设备和人才,维修方便,无须引进外资,减少了发电投资,同时可以创造大量的工作机会。
表3.2 太阳能热气流发电与其他太阳能热电技术的成本比较
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