太阳能烟囱发电技术研究现状及在建筑中的应用展望

中国兴业太阳能技术控股有限公司 ■ 谭军毅 姚莉 余国保 刘红维

一 引言

自1978年德国学者Schlaich博士提出太阳能烟囱电站概念以来，太阳能烟囱发电以其简单的结构受到了各国学者的密切关注，关于太阳能热气流发电的理论研究日益深入，各种规模的实验电站也陆续建立，并在此基础上发展了提高太阳能烟囱发电效率的各种新技术。但是传统意义上的太阳能烟囱发电局限于荒漠偏远地区，浪费了一些阳光充足的城市等建筑密集地区的太阳能资源。要打破这种局限，则需将该热气流发电与建筑结合，进行太阳能烟囱发电的建筑一体化研究。

二 太阳能烟囱发电原理

太阳能烟囱发电(Solar Chimney Power，简称SCP)也称为太阳能热气流发电，是将风力透平发电、温室技术、烟囱技术组合为一体的新能源发电技术。

太阳能烟囱发电系统主要包括烟囱、集热棚、蓄热层及空气涡轮机组四部分。如图1所示，系统以烟囱为中心，透明面盖和支架组成的集热棚呈圆周状分布，并与地面蓄热层保持一定距离。透光集热棚相当于一个巨大的温室，其地表蓄热层吸收太阳光短波辐射后温度迅速升高，并加热集热棚中的空气，空气吸热后，温度升高，密度降低，与外界环境形成密度差，从而形成压力差，起负压管作用的烟囱加大了系统内外的压力差，形成了强大的上升气流，驱动位于烟囱底部中央的空气涡轮发电机组；而冷空气在压差作用下从四周缝隙中补充进入集热棚，实现空气的连续流动；蓄热层白天吸收了太阳光的辐射能，夜间仍会不断的释放热量加热集热棚中的空气，因此涡轮发电机组可实现白天黑夜连续发电，为用户提供源源不断的电力[1～3]。

图1 太阳能烟囱发电原理

集热棚是太阳能烟囱发电系统中最重要的部分，它的作用类似于空气集热器，主要收集太阳能加热棚内的空气，以获得推动空气涡轮机发电的动力。集热棚的覆盖层一般为透明的材料如玻璃等，这类材料能够使得太阳辐照中最主要的短波辐射进入，并很好地阻止地面散热发射的长波透出，因此起到集热的效果。集热棚的效率跟集热棚直径有很大关系，集热棚的直径越大，集热效率越高[4]。根据卡诺循环，烟囱发电系统的效率与集热棚出口温度有很大的关系，集热棚出口空气的温度越高，整个系统的效率就会提高。但就目前的集热棚集热效果来看，一般出口温度只能提升30℃左右，整个系统的效率很难达到1%，因此要提高整个系统的效率，不仅要增大集热棚的直径，也要提高集热棚的出口温度[5]。采用空气集热器作为集热棚的集热部分是一种很好的途径，空气集热器可以将空气加热到80℃左右，并且空气集热器也具有比集热棚更高的集热效率，可达到50%左右。另外，空气集热器也具有可以依附于建筑表面，与城市建筑一体化的特点，可以使得烟囱发电走出沙漠等荒漠区域，进入城市高楼中应用。

三 国内外SCP电站的研究状况

1 理论研究方面

自从Schlaich和Bergermann博士于20世纪70年代末提出太阳能烟囱发电的概念并在西班牙建造了50kW试验电站后，太阳能烟囱电站开始受到了人们的普遍专注，各国研究者相继在这一领域进行探索，特别是德、美、西班牙等国家。目前各国学者的研究领域主要集中在太阳烟囱电站的可行性、各因素对发电效率的影响及与其他技术结合综合利用等问题上，以下是近年来国外学者在理论研究上的部分成果[6]。

表1 近年来国外学者在太阳能烟囱发电理论研究上的部分成果

在国内，也对太阳能烟囱电站进行了大量的研究与试验，明廷臻、刘伟等人对太阳能热气流电站系统首次提出了能量利用度的概念[15]。西安交通大学的张楚华利用热力学方法，建立了太阳能烟囱发电系统中各部分热气流能量转化的模型，采用一维假设建立热气流传热模型并使用龙格－库塔方法进行求解[2]。葛新石根据Schliach给出的一个算例，计算了太阳集热棚和烟囱组合的第一定律效率及集热棚和烟囱各自的第二定律效率，说明太阳烟囱发电技术受热力学定律的制约，具有不完善性[1,16]。左潞建立了太阳能烟囱发电系统的非稳态传热模型，主要研究了集热系统的特性及蓄热层的作用[17]。毛宏举采用流体动力学的方法对太阳能烟囱发电装置进行了数值模拟，讨论烟囱性状、集热棚直径、太阳辐照等因素对装置内部的温度场、速度场、压力场分布的影响[4,18]。同样，周新平、范振和等人也采用FLUENT对烟囱电站装置的流场进行了模拟研究[1,19]。2009年，李卉梓等人提出了一种新型的螺旋集热型太阳能热气流发电系统，该新型系统白天的运行性能与西班牙试验电站模型近似相等，晚上的性能显著下降，但是与之相比集热棚占地面积和所需材料减少了约44%，节约了初期的投资成本及土地面积[20]。

2 商用化电站方面

20世纪90年代以来，太阳能热气流电站已经进入实用阶段，特别是在澳大利亚、南非、印度、埃及等阳光充足并且存在大量荒漠地区的国家。上个世纪末，印度政府准备在拉贾斯坦的塔尔沙漠建造一座100MW的太阳能热气流发电站，但由于印巴基战争问题而搁浅[6]。1981年，西班牙Manzanares建造了世界上第一座太阳能烟囱电站，该电站的集热棚直径为242m，烟囱直径为10.3m，高度为195m，白天输出功率为100kW，晚间输出功率为40kW[21]。1995年，Stinnes的研究团队在南非边远的沙漠城锡兴附近建造一座实用规模的太阳能热气流发电站。该电站的发电能力为200MW，烟囱高度为1500m，集热棚直径为4000m，工程耗资2.5亿英镑。2003年，澳大利亚Enviro Mission公司在澳大利亚的Mildura建造一个200MW的太阳能热气流电站，该电站烟囱由Schlaich设计，设计高度为1000m，直径为130m，集热棚直径为7000m，投资3.95亿美元[6,22]。我国主要西北地区和青藏高原等地区比较具有兴建热气流电站的优势，2009年我国第一座发电量为1MW的太阳能热气流电站在宁夏开始兴建。在乌海金沙湾地区正在投建一座200kW太阳能热风发电站，该发电站的集热棚呈椭圆状布置，其面积为6170m，集热棚出口面积为251.4m，烟囱高度为53m，烟囱直径为18m，该工程计划有3期，其工程规划装机容量为27.5 MW[23]。

四 太阳能烟囱发电新技术

SCP属于一种非聚光太阳能发电技术，收集太阳能光能量密度低，因此占地面积大、初期投资高，并且满足要求的烟囱在建造上也具有一定难度。近年来为了克服这些困难，学者们提出了各种烟囱发电的新技术。

1 强热发电技术

强热发电技术目前有两种形式。一种是采用内插式真空管集热器，利用鼓风机将空气鼓入真空管集热器中，将空气加热，然后通过常规集热棚形成较高温度空气，密度变稀，形成对流气流流动发电，提高太阳能烟囱的效率[24]。另一种是在地热资源丰富的地方，利用水泵将高温水抽出，在太阳能烟囱的集热棚下方地面上设置环形水盘管换热器，利用地热水加热空气，这样集热棚中的空气温度可显著提高，从而达到提高电厂效率的目的[25]。

2 浮动烟囱太阳能热风发电[26]

浮动烟囱太阳能热风发电(简称FSCP)采用热气球或者高空飞艇材料作为制作烟囱单元的主要基材，烟囱单元是充注有氢气或者氦气、有一定高度的环形圆圈(圆柱体)，通过轻质结构将多个圆柱体连接起来形成很长的烟囱结构，在浮力作用下，烟囱漂浮在空中，而热空气能够从烟囱的中间通道飘向空中。由于采用成熟而大量工业生产的飞艇外壳材料，大大降低了烟囱的建设成本，从而降低了太阳能热风发电厂的造价(见图2)。

图2 热风发电浮动烟囱结构示意图

3 斜坡太阳能烟囱发电[22,27,28]

因太阳能烟囱发电受集热棚和烟囱高度的限制，为提高其发电效率，同时降低其工程造价，提出斜坡太阳能发电系统。在高纬度地区，利用南向山坡建造集热棚，同时将烟囱建造在山顶上，充分利用南坡吸收太阳光的有利条件，同时还可利用上山风提高集热棚入口出风的速度，烟囱高度提高也有利于发电效率提高(见图3)。

图3 斜坡太阳能发电结构示意图

五 太阳能烟囱发电技术在建筑中的应用

相对于其他类型的太阳能发电途径，太阳能烟囱发电原理简单，设备成熟，被誉为“沙漠中的水电厂”，受到国内外能源界的广泛关注。目前，许多国家都已经对太阳能烟囱发电进行了较为深入的研究，各种规模的示范电站甚至商业电站也有所建立，但由于电站一般位于沙漠等较为恶劣的环境中，烟囱高耸维护均具有很大的难度。设想将热风发电烟囱借用都市高楼的部分结构，一方面对建筑物可进行保温隔热，改善建筑的通风性能，另一方面在结构上更加安全牢固，大大降低了运行维护的难度，投资成本也大大降低，同时又可将产生的电力直接用于建筑本身，是非常有意义的工作，国内外的科研界也做了部分探索性的工作。

太阳能烟囱电站与建筑一体化的主要形式有两种。一种是与现代城市高楼的立面墙体相结合，利用建筑物向阳面的墙体修建一条供气体流通的通道，墙体的外立面为集热棚，涡轮发电机放置于楼层底部(见图4)；另一种是与人字形屋顶相结合，沿着屋顶修建空气通道，涡轮发电机放置于屋顶顶部(见图5)，这种形式与斜坡太阳能烟囱发电有类似之处。2011年，K.V.Sreejaya等人在稳态条件下建立了屋顶式太阳能烟囱的模型，并模拟了白天系统短暂的运行情况，对于15m的模型面积，烟囱内最高速度可达0.17m/s，并且最大流量随着太阳辐射的增大而增大。在国内，周艳、李庆玲等人进行了基于太阳墙技术的太阳能热气流电站的建模与仿真，主要针对城市高楼的立面墙壁与太阳能热气流发电结合的研究，探讨了太阳辐照、立面高度等条件对烟囱发电效果的影响。研究表明，同传统的太阳能烟囱电站一样，建筑一体化烟囱电站的效率与烟囱的高度及太阳辐照度成正比，而且烟囱的高度与宽度之间存在一个最佳比值使得系统发电效率最高[29,30]。

目前对于太阳能烟囱电站与建筑一体化的研究还比较有限，但是从技术层面上来说，利用太阳能烟囱为建筑提供新风或者地板采暖，已经在许多建筑上得到成功的应用并行之多年。因此适合城市高楼一体化的热风利用技术从原理上来讲，没有太多的技术难度，但是要作为一个建筑太阳能烟囱发电应用来说，主要问题在于发电效率较低，成本较高。

图4 建筑一体化太阳能烟囱发电示意图

图5 人字屋顶太阳能烟囱发电示意图

要在建筑中更好地应用太阳能烟囱发电技术，主要可以从以下两方面来突破:

第一，提高涡轮机组的转换效率，主要体现在涡轮的设计、解决因烟囱里空气温度过低造成的发电效率过低的问题、风道流体的CFD静态模拟和动态太阳光负荷下的流场模拟；

第二，通过提高热源温度来提高太阳能烟囱发电效率，随着光热建筑一体化技术的发展，可做成空气集热幕墙，把平板空气集热器做成幕墙建筑构件的形式，利用鼓风机将空气鼓进平板空气集热器空腔中，将空气加热，然后通过常规集热棚形成较高温度空气，形成对流气流流动发电。目前平板空气集热器产品已经较为成熟，并且容易形成模块化安装，易与建筑结合，既可以提高太阳能烟囱的发电效率，也可以保证建筑的美观性和安全性。

六 结语

相信随着建筑能耗的日益增加及传统能源的大量消耗，建筑一体化的太阳能烟囱发电技术具有极为广阔的前景。

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