魏毅立，王 瓊

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

太陽能由于其具有清潔、安全、無污染、可再生且儲量極大等優(yōu)點，在現(xiàn)代可再生能源領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的共識。從20世紀80年代開始至本世紀初期，英國、西班牙的科研人員在太陽能熱氣流發(fā)電領域做了大量的研究與實踐工作。與此同時在理論研究上，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、應用，也包含渦輪機性能改進與能量轉換效率，甚至包括對周邊環(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，熱空氣流推動系統(tǒng)中安裝的渦輪發(fā)電機組使其發(fā)電［1］。此發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠進行太陽能發(fā)電，而且可以進行太陽能和風能混合發(fā)電。由可控進風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能和太陽能的發(fā)電方式，其被稱為太陽能熱風發(fā)電［2］。在烏海實施建設了沙漠太陽能熱風發(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，底部隔水設計，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，不會產(chǎn)生任何污染，環(huán)保性能極好［3］。烏海太陽能熱風發(fā)電站如圖1所示。

圖1 烏海沙漠太陽能熱風發(fā)電站

1 水平軸和垂直軸渦輪發(fā)電機組的選型

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化為棚內(nèi)空氣的熱能，從而使位于集熱棚中央的導流塔筒兩端產(chǎn)生壓力差，并在導流塔筒和集熱棚內(nèi)產(chǎn)生強大氣流以驅動渦輪發(fā)電機組發(fā)電［4］。采用垂直軸渦輪發(fā)電機組的熱風發(fā)電系統(tǒng)只需安裝一臺渦輪發(fā)電機組，并且一般安裝在塔筒底部。水平軸風力發(fā)電機組可選用多臺發(fā)電機組，降低每臺發(fā)電機組的容量。因為水平軸風力發(fā)電機組比垂直風力發(fā)電機組的制造技術成熟，所以選用水平軸風力發(fā)電機組。

選用的水平軸風力發(fā)電機組安裝在集熱棚下面的塔筒底部附近，共設有5組渦輪發(fā)電機組，每組渦輪發(fā)電機組容量為40 kW。集熱棚透光材料采用玻璃，并用鋼結構支撐。在集熱棚和塔筒之間設有圓形的月亮門，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力發(fā)電機風輪，風輪采用成熟的三槳葉升力型葉片［5］。

2 結構設計

烏海太陽能熱風發(fā)電站的設計主要包括集熱棚、塔筒設計和渦輪機的選型，其中集熱棚和塔筒的設計是整體工程項目經(jīng)濟合理的決定因素。本文在進行集熱棚和塔筒設計時，主要考慮了以下因素：

(1)集熱棚的設計與所在場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，綜合考慮二者的建設難度和造價等經(jīng)濟因素，合理設計裝機容量。

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

(4)考慮場址實際情況，設備的安裝、運輸條件以及運行維護條件是否滿足建設條件。

(5)結合集熱棚和塔筒的尺寸確定渦輪發(fā)電機的各項參數(shù)值。

2.1 集熱棚的設計

太陽能集熱棚是太陽能和自然風能的一個有效捕集系統(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通道，在集熱棚和塔筒連接處設有熱風通道口，通道口為圓形。集熱棚的熱氣流通過圓形通道進入塔筒，月亮門上安裝的風力發(fā)電機組的上風口可認為是集熱棚的出口。

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，熱風平均速度也越大。結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)進入系統(tǒng)內(nèi)部。

當自然風能功率為零時，設太陽能發(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

集熱棚實際建設面積A1為6 170 m2。集熱棚外形輪廓呈近似橢圓形，設有13個可控進風口(如圖2所示)，自動調節(jié)可控進風口，可以使迎向自然風能的進風口打開，當?shù)刂饕俏鞅憋L，可控風門的設計大多迎向西北方向，圖2中可控進風口1～11朝向西北方向。該設計創(chuàng)造性地利用了風能，增加了發(fā)電量，降低了發(fā)電成本。當有風時，系統(tǒng)打開迎風的進風口，自動調節(jié)進風量，風力增加了渦輪機的驅動力，可直接利用太陽能和自然風能通過同一套機組同時發(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?shù)氐奶栞椛浣牵斴椪毡砻鎯A斜的角度與當?shù)氐木暥认嗤瑫r，太陽對表面的輻照最強。沙子中水分蒸發(fā)時，要吸收汽化潛熱，降低了太陽能利用率，因此，在沙子上敷設隔水層，隔水層的設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?shù)厣匙樱谏匙由戏笊w卵石，以防沙子流動，沙子和卵石還具有儲能的功能。由于溫室作用，蓄熱介質向上發(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 塔筒的設計

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

已知每臺發(fā)電機額定功率為40 kW，尾流空氣密度ρ2=1.25 kg/m3，風力發(fā)電機風能利用系數(shù)Kp=0.35。設額定尾流風速υ2=13.1 m/s，把以上參數(shù)代入文獻［10］中的數(shù)學模型得風輪尾流截面積A2=52.8 m2。

5臺發(fā)電機組全部額定功率運行時，5臺發(fā)電機組風輪尾流全部流入塔筒，因此塔筒截面積應為5倍的風輪尾流截面積A2，所以有A3=5A2=264 m2，塔筒內(nèi)徑d3=18.3 m，實際建設時d3為18.5 m，A3為269 m2。

當輸出功率Pout=2.5 kW時，根據(jù)文獻［10］中的數(shù)學模型可計算出風速 υ2=5.20 m/s，設WP=0，可得

圖3 熱風發(fā)電塔筒截面示意圖

設環(huán)境溫度T=300K，可以計算出塔筒有效高度h=67.39 m，實際建設時塔筒總高度為53 m，h0為7.1 m，實際塔筒有效高度h為45.9 m。

3 用集熱棚吸收功率曲線和塔筒結構曲線求解熱風速度

熱風速度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構特征方程曲線的交點就是發(fā)電系統(tǒng)運行的熱風風速 υ2和溫度T1［11］。

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

圖4 集熱棚吸收功率曲線和塔筒結構曲線

4 實際運行結果

在烏海實施建設的沙漠太陽能熱風發(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55分到14時25分和某日10時03分到11時33分的光照、環(huán)境風速及發(fā)電輸出功率曲線。

從圖5、圖6中可以看出，當平均環(huán)境風速在2 m/s時，發(fā)電系統(tǒng)輸出的平均功率為3 kW。但是當外界平均環(huán)境風速達到17 m/s，發(fā)電系統(tǒng)輸出的平均功率將達到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能進行發(fā)電，烏海沙漠太陽能熱風發(fā)電是一種結合了風能的太陽能熱氣流發(fā)電的新型太陽能風能耦合發(fā)電方式。

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

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

5 結論

太陽能熱風發(fā)電方式能夠進行太陽能與自然風能混合發(fā)電。熱風發(fā)電的特點是發(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。由于太陽能熱風發(fā)電的主體是鋼混凝土，所以發(fā)電壽命遠大于光伏發(fā)電。提高太陽能熱風發(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發(fā)電系統(tǒng)的建設提供了理論支撐及具體的技術指導，對研究推廣這一新興技術，緩解能源壓力，保護環(huán)境有著重大的意義。

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