太阳能光伏热气流复合系统发电特性初探

黄亮一

摘 要：本文研究了太阳能光伏热气流发电站采用在普通的太阳能热气流电站的集热棚上覆盖光伏电池的方法。基于兰州地区的气象参数（太阳辐射度，月平均日照时数）建立了一个数学模型并通过计算机编程辅助加以计算。计算分析结果表明在集热棚上覆盖了光伏电池虽然会降低系统的输出功率，但通过这种方法表现出小尺寸的太阳能光伏电站具有解决目前太阳能热气流电站需要超大尺寸与超高烟囱问题的潜力。

关键词：太阳能；热气流发电系统；光伏发电系统

目前将太阳能转换为电能主要有两种方法：光电法和光热法。太阳能光伏热气流发电站采用在普通的太阳能热气流电站的集热棚上覆盖光伏电池的方法。太阳能热气流发电作为二十世纪80年代才兴起的新兴太阳能光热发电技术，具有较高的效率和经济性。该系统由集热棚、烟囱和透平三个主要部分组成，它成功地将3种成熟技术结合为一体：温室技术、烟囱技术和风力透平机技术。[1]

集热棚使用金属框架作为支撑，其四周与地面留有一定的间隙。大约90%的太阳可见光能够以短波辐射的穿过由玻璃或塑料等透明材料组成的集热棚并被棚内地面吸收。同时集热棚利用温室效应能阻隔由地面发出的长波辐射。因此，太阳能集热棚是形成了一个有效捕集和贮存太阳能的系统。集热棚内的空气温度由于棚内被加热的地面与棚内空气之间发生了热交换而升高。集热棚内部空气在受热后密度下降而造成空气上升，进入烟囱中。在烟囱中上升过程中热空气速度提高并推动烟囱内透平发电。同时集热棚外部的冷空气通过四周的间隙流入集热棚中。从而形成了集热棚内空气的连续流动。[2]

质量流量变小时，空气在集热棚中的升温和在烟囱内膨胀导致的温降都会变大，热气流电站内透平功率仍然减小；当质量流量变大时，气流速度随之变快，空气在集热棚内部流动时间短，温升量变低，透平功率随之变大。空气在集热棚内获取的太阳能能大部分被用于向上推动烟囱内的热气流，克服集热棚和烟囱的摩擦力损失以及随烟囱出口气流所携带动能而流失，而用于推动透平旋转从而发电的有用功比较小。[3]

太阳能热气流发电系统因为直接利用温室效应而没使用太阳能聚光设备，光电转换效率较低，因此为了达到设计功率需要巨大面积的集热棚和高大的烟囱。[4]为了经济方面上降低电力生产成本，电站就应该就建成万千瓦级别电站。该级别的热气流电站需要数公里直径长的集热棚、千米级别的烟囱，这在设计和建造上是巨大的挑战。[5]

我们通过数学建模和计算机模拟，研究了光伏电池面积比对太阳能光伏热气流复合系统发电性能的影响规律，提出了最佳面积比的设计准则，主要研究工作如下：

（1）利用全年平均太阳辐照度，建立斜坡太阳能热气流发电系统的数学模型，用C语言编制相关计算程序。通过程序模拟的基础，提出太阳能光伏热气流复合系统光伏电池面积比的设计准则。

（2）基于集热棚效率、总体发电效率、出口空气参数分析太阳能光伏热气流复合系统光伏电池面积比对复合发电系统参数的影响。

第一项工作主要是从热力学、传热学等基本定律出发，基于年平均太阳辐照度和集热棚面积与光伏电池面积建立了光伏热气流系统的数学模型。在求解方程时，需要输入该地的气象辐射资料和日照小时数并设定太阳能光伏热气流复合发电系统的几何尺寸。

第二项工作主要是通过实验模拟来证明，集热棚有效面积是影响复合系统性能的重要因素。基于兰州的太阳辐射度，平均日照时数，我们在建立了一定的前提的背景下建立了太阳能光伏热气流复合系统的数学模型并通过计算机编程进行计算。通过计算机程序的模拟运算得到不同光伏电池面积比下的系统性能与各项参数，最终得出了如下实验结果：

（1）光电系统中光伏电池的面积和光热系统中集热棚的面积都是影响各自系统性能的关键因素。随着光伏电池面积的增加或者集热棚面积的增加，相应系统的功率都在随着增加。太阳能热气流发电系统的总功率与其集热棚面积近乎线性关系，而光伏电池发电系统总功率与光伏电池面积的关系较复杂在光伏电池面积百分比超过67%时，光伏电池的发电功率持续提高。因此，光伏电池面积占总面积百分比不断增加的时候，总产电功率先是下降，到达复合系统总功率谷底时，随着电池面积不断增加，集热棚面积不断减少总产电功率开始再次升高。

（2）虽然光伏电池占总面积百分比超过70%且继续增加时，总发电量开始反弹，但是在光伏电池占面积84%时发电量依然不如纯粹的太阳能热气流电站发电效率。考虑到光伏电池的配套设备自身也需要一定的集热棚面积进行安置。可以认为安装了500000块光伏电池时已经是极限情况的发电量。

（3）集热棚覆盖面上平均温度会随着光伏电池面积的增加，集热棚可用面积的减少而不断降低。然而在覆盖了500000块光伏电池的极限情况下，集热棚平均温度从286K降低到284K降温幅度只有0.6%。其对太阳能光伏热气流复合系统自身的工作状态的影响可以忽略不计。可以看出复合系统功率的主要因素仍然是光伏面积与集热棚面积。

（4）随着光伏电池面积的增加，集热棚的有效面积不断减小，然而有效面积对其出口密度和集热棚自身效率的影响很小。当集热棚面积减小时，大幅度的影响了出口速度使其快速下降，这也导致了出口流量的大幅度减小和烟囱内透平的发电功率下降。

（5）在光伏电池面积变化率相同时，每月日照时数与光伏部分功率变化率以及光热部分功率变化率呈正比。而室外温度的变化对系统总体效率的影响较小。

我们的研究是基于复合发电系统发电量最大的原则设计并进行了计算机模拟运算。光伏电池的数目影响到光伏部分的有效面积与光热部分的集热棚面积，从而直接影响到系统总发电量，同时光伏电池部分覆盖率对总电量的影响同样每月日照时数所控制。事实上由于各地电站的地理位置差异，和各个月太阳辐射量不同，进一步的工作应该确定出具体气象因素对面积和发电量变化率的影响。

参考文献：

[1]朱海林.太阳能烟囱发电系统集热器的传热与流动过程的研究[D].东华大学硕士学位论文，2011.

[2]周新平，杨家宽.肖波.太阳能烟囱发电试验装置内流场的CFD模拟研究[J].热力发电，2006（3）：23-26.

[3]张楚华.大型太阳能烟囱发电站热力分析与计算[J].可再生能源，2007（7）：3-4.

[4]徐涛，刘晓红.对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析[J].广州航海高等专科学校学报，2009（2）：24-27.

[5]言惠.太阳能烟囱发电--太阳能利用的新葩[J].上海大中型电机，2004（1）：1-2.