太陽(yáng)能煙囪發(fā)電

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電設(shè)備簡(jiǎn)單，只需太陽(yáng)能集熱棚、太陽(yáng)能煙囪和渦輪發(fā)電機(jī)組。太陽(yáng)能煙囪發(fā)電的效率，隨著集熱棚面積的增加和煙囪高度的增加而提高，所以為了達(dá)到更好的效率和經(jīng)濟(jì)性，修建大規(guī)模的電站是必須的。一旦電站建成，這種電站將運(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間。煙囪本身將用100年或更長(zhǎng)的時(shí)間。由于運(yùn)動(dòng)部件很少，所以這種電站的維修費(fèi)用很低。作為主要運(yùn)動(dòng)組件的渦輪發(fā)電機(jī)組，將安裝在穩(wěn)定的空氣流中，比安裝在工況惡劣的陣陣狂風(fēng)中的風(fēng)力渦輪機(jī)所承受的應(yīng)力小的多。發(fā)電站的工程技術(shù)人員在沒(méi)有外國(guó)顧問(wèn)幫助的情況下就能夠維修，保證電站的正常運(yùn)行 。

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電適合建設(shè)在人口稀少的沙漠地區(qū)

我國(guó)是太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，全國(guó)總面積2/3以上地區(qū)的年日照時(shí)數(shù)大于2 000 h，太陽(yáng)輻射量在5x10kJ/(m²/a)以上。我國(guó)西藏、青海、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地區(qū)的太陽(yáng)總輻射量和日照時(shí)數(shù)為全國(guó)最高，屬太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)。這些地區(qū)人口稀少，而且荒漠面積較大，適于建造太陽(yáng)能煙囪電站。

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電不產(chǎn)生有害物，具有良好的環(huán)境效應(yīng)

研究表明，太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站在運(yùn)行過(guò)程中既沒(méi)有SO:等有害氣體排出，也沒(méi)有溫室氣體CO2的排出，還沒(méi)有固體廢棄物的排出，不影響生態(tài)環(huán)境。

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電國(guó)外太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)進(jìn)展

在西班牙曼札納市，一個(gè)100 kW的實(shí)驗(yàn)性電站從1981年己經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行。這座實(shí)驗(yàn)性電站的煙囪高200 m，煙囪直徑為10. 3 m;集熱棚的半徑為126 m，其邊緣處與地面的間隙約2m，其中間處距地面8m。隨后又將建設(shè)一個(gè)煙囪高達(dá)900m，最大輸出電量為1 000 MW的電站。煙囪內(nèi)的空氣流速可以達(dá)到20一60 m/s，可以推動(dòng)一個(gè)或者多個(gè)渦輪機(jī)工作。這個(gè)1 000 M W的電站，集熱棚的直徑大約為10 km，為建這個(gè)電站需要大約80 km2的土地。這個(gè)實(shí)驗(yàn)性的太陽(yáng)能電站的煙囪重達(dá)200 t，它由長(zhǎng)8m、寬1一1. 25 m的波紋鋼板構(gòu)成;每隔4m都有環(huán)孔加固。共有24根拉索保證煙囪的穩(wěn)定，還可以防止地震。防震問(wèn)題對(duì)在世界上某些地區(qū)是很重要的。對(duì)于建立更大的電站，這個(gè)問(wèn)題己經(jīng)受到足夠的重視，通過(guò)用一種薄的、柔韌性好的塑料或金屬材料覆蓋層代替強(qiáng)化的混凝土或有預(yù)應(yīng)力的鋼拉索網(wǎng)，從而可以進(jìn)一步減輕煙囪的重量。煙囪的底部裝著渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，由于設(shè)計(jì)得很好，渦輪發(fā)電機(jī)可以晝夜不停地發(fā)電。白天渦輪機(jī)轉(zhuǎn)速為1500 r/min，產(chǎn)生100 kW的電量。晚上集熱棚下的地面把白天吸收的熱釋放出來(lái)，推動(dòng)渦輪機(jī)以1000 r/min的速度運(yùn)行，發(fā)電量為40 kW。在集熱棚表面覆蓋層上每6 m2裝有一個(gè)排水閥，排水閥平時(shí)是關(guān)閉的，以防止空氣流失，下雨的時(shí)候打開(kāi)排水閥，讓雨水清洗集熱棚上表面的污物和雜質(zhì)。這樣的結(jié)構(gòu)與建立在鏡面基礎(chǔ)上的太陽(yáng)能電站相比具有很大的優(yōu)勢(shì)(后者不得不定期對(duì)集熱棚上表面進(jìn)行清洗以達(dá)到最高的效率)。大型電站的安裝費(fèi)用為460美元/kW，運(yùn)行費(fèi)用為0. 02~ 0. 04美元/kWh。隨著集熱棚頂部溫度的提高，煙囪和集熱棚直徑的增加，電站的容量將會(huì)增加，并且每千瓦時(shí)的費(fèi)用也會(huì)降低。

太陽(yáng)能煙囪電站的理想場(chǎng)所是戈壁沙漠地區(qū)，這些地區(qū)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度都在500一600 W /m2之間。在歐洲南部和非洲北部，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度平均也達(dá)到了400 W /m²。如果這些地區(qū)每年有光照的天數(shù)為300 d或者更多的話，在這些地區(qū)太陽(yáng)能煙囪電站是可行的。

除了進(jìn)行發(fā)電外，太陽(yáng)能煙囪電站還可能有其他應(yīng)用。一是這種電站能夠通過(guò)電解的方法產(chǎn)生氫氣，然后向外輸出氫氣;另外一個(gè)應(yīng)用是利用集熱棚周?chē)目盏?，在溫室?nèi)培育花卉等進(jìn)行園藝生產(chǎn) 。

自從西班牙建成了第一座太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站后，美國(guó)、日本、德國(guó)、南非等國(guó)的專家己對(duì)太陽(yáng)能煙囪電站表現(xiàn)出濃厚興趣。從1995年，南非物理學(xué)家斯廷納提出:在南非的北好望角建造太陽(yáng)能煙囪電站。計(jì)劃中的太陽(yáng)能煙囪電站將建在南非邊遠(yuǎn)的沙漠城錫興附近，該工程預(yù)計(jì)耗資約4億美元，發(fā)電能力將達(dá)到200 M W。斯廷納認(rèn)為在南非建造太陽(yáng)能煙囪電站是有機(jī)會(huì)與化石燃料電站競(jìng)爭(zhēng)的。雖然在南非煤很便宜，而且這個(gè)國(guó)家對(duì)電力生產(chǎn)優(yōu)先考慮的是廉價(jià)而不是“清潔”，但是在南非建造太陽(yáng)能煙囪電站還是可行的，因?yàn)樗倪\(yùn)行費(fèi)用和成本更低。這項(xiàng)龐大的工程仍存在巨大困難，建造1 500 m高的煙囪是目前世界上前所未有的。 1983年美國(guó)科學(xué)家Krisst在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座煙囪高度為10 m，集熱棚直徑為6m，輸出功率10 W的庭園式太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置。1997年N. Pasurmarchi報(bào)道了在美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)建成了3種不同結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能煙囪模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。土耳其科學(xué)家Kulunk在土耳其的伊茲密爾市建造了一個(gè)微型電站，這個(gè)電站的煙囪高2m，直徑為7 cm，集熱棚區(qū)域面積為9 m2，發(fā)電功率為0. 14 W。煙囪中的渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子功率為0. 45 W，發(fā)電機(jī)的效率為31%。煙囪底部的溫差和壓差分別為4℃和200 Pa.

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電我國(guó)太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

在太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)方面，我國(guó)只有華中科技大學(xué)己經(jīng)開(kāi)始從事這方面的研究，目前正在籌備建造一座發(fā)電功率為50W的太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置，并且正在對(duì)集熱棚和太陽(yáng)能煙囪內(nèi)的傳熱和流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究 。

隨著世界人口快速增長(zhǎng)和工業(yè)的飛速發(fā)展，能源需求不斷增加，環(huán)境污染也在加劇，地球溫室效應(yīng)影響繼續(xù)上升，人類的生活環(huán)境日益惡化;廉價(jià)的石油和天然氣也必將耗盡，世界各國(guó)對(duì)清潔的新能源需求的依賴也逐漸加強(qiáng)。各國(guó)專家都特別關(guān)注21世紀(jì)的新能源問(wèn)題，并且非常看好新的可再生能源。尋求清潔能源利用新技術(shù)己成為研究熱點(diǎn)之一，而太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)將是最有發(fā)展前途的新能源技術(shù) 。

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)是被許多能源專家看好的一項(xiàng)新技術(shù)。建造太陽(yáng)能煙囪電站的設(shè)想是由來(lái)自斯圖加特大學(xué)的喬根·施萊奇教授提出的。他認(rèn)為建造太陽(yáng)能煙囪是解決廣大發(fā)展中國(guó)家由于缺乏電力致使經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)問(wèn)題的好辦法。建造太陽(yáng)能煙囪電站的主要材料是玻璃和水泥，可用沙漠里的沙、石制造。這種電站不像其他太陽(yáng)能電力系統(tǒng)，它不需要高技術(shù)的設(shè)備和人才，維修簡(jiǎn)便。目前在西班牙己經(jīng)建成了一座太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站。隨著研究的深入，這項(xiàng)新技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，最終太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)將會(huì)在世界上得到更廣泛的應(yīng)用。

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱棚、太陽(yáng)能煙囪和渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組3個(gè)基本部分所構(gòu)成(圖1}。太陽(yáng)能集熱棚建在一塊太陽(yáng)輻照強(qiáng)、絕熱性能比較好的土地上;集熱棚和地面有一定間隙，可以讓周?chē)諝膺M(jìn)入系統(tǒng);集熱棚中間離地面一定距離處裝著煙囪，在煙囪底部裝有渦輪機(jī)。太陽(yáng)光照射集熱棚，集熱棚下面的土地吸收透過(guò)覆蓋層的太陽(yáng)輻射能，并加熱土地和集熱極覆蓋層之間的空氣，使集熱棚內(nèi)空氣溫度升高，密度下降，并沿著煙囪上升，集熱棚周?chē)睦淇諝膺M(jìn)入系統(tǒng)，從而形成空氣循環(huán)流動(dòng)。由于集熱棚內(nèi)的空間足夠大，當(dāng)集熱棚內(nèi)的空氣流到達(dá)煙囪底部的時(shí)候，在煙囪內(nèi)將形成強(qiáng)大的氣流，利用這股強(qiáng)大的氣流推動(dòng)裝在煙囪底部的渦輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在空氣流動(dòng)過(guò)程中，產(chǎn)生了3個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。首先空氣被加熱，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能;由于空氣在煙囪內(nèi)的上升流動(dòng)，內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能;當(dāng)空氣流到渦輪機(jī)時(shí)，氣流推動(dòng)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成我們所需 。

太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)中的一個(gè)重要因素是集熱棚表面的覆蓋層，而覆蓋層的花費(fèi)將占到整個(gè)安裝費(fèi)用的45 %。目前覆蓋層所使用的材料能用到5一7年，但有關(guān)專家期望能夠通過(guò)改進(jìn)把覆蓋層的使用壽命提高到20年。

斯圖加特大學(xué)的斯蒂芬堅(jiān)信太陽(yáng)能煙囪的性能，對(duì)于一個(gè)較大的裝置，流動(dòng)模型可能不同，并且可能引起某些問(wèn)題，但是這些問(wèn)題是可以克服的，而太陽(yáng)能煙囪電站將扮演未來(lái)大型電站的角色 。

我國(guó)幅員遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能利用條件較好的地方占我國(guó)國(guó)土面積的2/3以上。西北和青藏高原更是得天獨(dú)厚，年平均日照時(shí)間2 000 h以上，年輻射總量在1 500一1 800kWh/m2，是我國(guó)重要的太陽(yáng)能應(yīng)用基地，將來(lái)一定會(huì)在我國(guó)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用。我國(guó)西部地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富，在太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用方面具有一定的基礎(chǔ)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展也初具規(guī)模。目前，許多國(guó)家和國(guó)際公司看好我國(guó)西北的太陽(yáng)能利用市場(chǎng)，各種援助計(jì)劃、示范應(yīng)用項(xiàng)目紛至沓來(lái)。這對(duì)我國(guó)的太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)既是個(gè)大好機(jī)遇，同時(shí)也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)研究在國(guó)外進(jìn)行的時(shí)間不長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)在這方面的研究更少。我國(guó)應(yīng)加大研究力度，如果太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)成熟后，將為我國(guó)西部的開(kāi)發(fā)提供取之不盡的電力資源，從而可以推動(dòng)我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)西部地區(qū)大開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。

全球性常規(guī)能源短缺、供需矛盾日益激化，全球氣候變暖、生態(tài)保護(hù)迫在眉睫，這雙重的巨大壓力將迫使人們尋找新能源和可再生能源.在眾多能源中，太陽(yáng)能優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，因?yàn)樗鼉?chǔ)量無(wú)限，完全清潔.因此，太陽(yáng)能越來(lái)越受到人們的重視.太陽(yáng)能煙囪(SC)技術(shù)將古老的煙囪技術(shù)與現(xiàn)代太陽(yáng)能熱利用技術(shù)完美結(jié)合，基于熱壓作用下的自然通風(fēng)原理，利用太陽(yáng)輻射為空氣流動(dòng)提供動(dòng)力，將熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而增大了壓頭和排風(fēng)量.最早開(kāi)始研究SC的是法國(guó)科學(xué)家Trombe, Trombe的這一研究引起了人們的普遍關(guān)注.隨后，人們對(duì)SC進(jìn)行了一系列探索性研究，并將SC應(yīng)用于許多領(lǐng)域.SC技術(shù)作為一項(xiàng)新技術(shù)，在改善室內(nèi)居住環(huán)境、食品及農(nóng)副產(chǎn)品干燥處理、海水淡化、改善局部地區(qū)小氣候和發(fā)電領(lǐng)域等有著非常廣闊的應(yīng)用前景，成為本世紀(jì)新能源。

太陽(yáng)能發(fā)電根據(jù)利用太陽(yáng)能的方式主要有通過(guò)熱過(guò)程的太陽(yáng)能熱發(fā)電（塔式發(fā)電、拋物面聚光發(fā)電、太陽(yáng)能煙囪發(fā)電、熱離子發(fā)電、熱光伏發(fā)電及溫差發(fā)電等）和不通過(guò)熱過(guò)程的光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電及光生物發(fā)電等。主要應(yīng)用的是直接利用太陽(yáng)能的光伏發(fā)電(PV，Photovoltaic)和間接利用太陽(yáng)能的太陽(yáng)能熱發(fā)電(CSP，Concentrating Solar Power)兩種方式。其中直接利用光能進(jìn)行發(fā)電的光伏發(fā)電由光伏(PV)電池、平衡系統(tǒng)組成；間接利用光能是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，由儲(chǔ)熱進(jìn)行發(fā)電的太陽(yáng)能熱發(fā)電（光=熱-電），CSP根據(jù)收集太陽(yáng)能設(shè)備的布置方式可分為槽式( Linear CSP)、塔式(Power Tower CSP)和盤(pán)式(Dish/EngineCSP)三種類型。

(1)光伏發(fā)電。

光伏發(fā)電站[photovoltaic (PV) power station]是將太陽(yáng)輻射能通過(guò)光伏電池組件直接轉(zhuǎn)換成直流電能，并通過(guò)功率變換裝置與電網(wǎng)連接在一起，向電網(wǎng)輸送有功功率和無(wú)功功率的發(fā)電系統(tǒng)，一般包括光伏陣列（將若干個(gè)光伏電池組件根據(jù)負(fù)載容量大小要求，串、并聯(lián)組成的較大供電裝置）、控制器、逆變器、儲(chǔ)能控制器、儲(chǔ)能裝置等。

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指將光伏電池輸出的直流電力，經(jīng)過(guò)并網(wǎng)光伏逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電流，接入電網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能。光伏發(fā)電的發(fā)電原理是由組成光伏方陣的光伏電池決定。光伏電池工作原理是利用光伏電池的光生伏特效應(yīng)（又稱光伏效應(yīng)）進(jìn)行的能量轉(zhuǎn)換，其中光伏效應(yīng)是利用半導(dǎo)體p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，太陽(yáng)光的光子將能量提供給電子，電子跳躍到更高的能帶，激發(fā)出電子空穴對(duì)，電 ，子和空穴分別向電池的兩端移動(dòng)，此時(shí)光生電場(chǎng)除了抵消勢(shì)壘電場(chǎng)外，還使p區(qū)帶正電，n區(qū)帶負(fù)電，在n區(qū)和p區(qū)間形成電動(dòng)勢(shì)，既光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生了電位差。這樣，如果外部構(gòu)成通路，就會(huì)產(chǎn)生電流，形成電能。

光伏電池根據(jù)其使用的材料可分為：硅系光伏電池、化合物系光伏電池、有機(jī)半導(dǎo)體系光伏電池。硅系光伏電池可分為結(jié)晶硅系和非晶硅系光伏電池。其中結(jié)晶硅系光伏電池又可分為單晶硅和多晶硅光伏電池。

比較成熟且廣泛應(yīng)用的是晶硅類電池。晶硅材料光伏電池優(yōu)點(diǎn)是原材料非常豐富，可靠性較高，特性比較穩(wěn)定，一般可使用20年以上。在能量轉(zhuǎn)換效率和使用壽命等綜合性能方面，晶硅光伏電池的單晶硅光伏電池在硅材料光伏電池中轉(zhuǎn)換效率最高，轉(zhuǎn)換效率的理論值為24%～26%，多晶硅的轉(zhuǎn)換效率略低，轉(zhuǎn)換效率的理論值為20%，但價(jià)格更便宜；同時(shí)單晶硅和多晶硅電池又優(yōu)于非晶硅電池。大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)條件下，單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到了16%～18%，多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率為12%～14%。采用多薄層、多p—n結(jié)的結(jié)構(gòu)形式的薄膜電池可實(shí)現(xiàn)40%～50%以上的光電轉(zhuǎn)換效率，基本原理是在非硅材料襯底上鋪上很薄的一層光電材料，大大減少了光電材料的硅半導(dǎo)體消耗，降低了光伏電池的成本。硅薄膜光伏電池由于原材料儲(chǔ)量豐富，且無(wú)毒，無(wú)污染，因此更具持續(xù)發(fā)展的前景。

(2)太陽(yáng)能熱發(fā)電。

太陽(yáng)能熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽(yáng)能熱發(fā)電(Concentrating Solar Power，簡(jiǎn)稱CSP)，與傳統(tǒng)發(fā)電站不一樣的是，它們是通過(guò)大量反射鏡以聚焦的方式將太陽(yáng)能光直射聚集起來(lái)，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)來(lái)發(fā)電。當(dāng)前太陽(yáng)能熱發(fā)電按照太陽(yáng)能采集方式可劃分為：槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電、塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電和碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電。