用于太陽能熱氣流發(fā)電技術的超高聳煙囪結構研究

太陽能熱氣流發(fā)電技術是一種符合我國國情的新型環(huán)保能源開發(fā)技術,而超高聳煙囪則是該技術的重要組成部分和關鍵，目前國內外有關該技術的研究大多集中于能源和熱力學方面，有關煙囪單體的結構研究基本空白。考慮到超高聳太陽能煙囪與現有高聳結構、大跨結構在結構選型、荷載環(huán)境、建造高度、施工技術等方面的不同，本項目擬對超高聳太陽能煙囪的結構形體、荷載作用、受力性能、破壞機理和施工成形分析等內容進行深入研究，解決該結構設計、分析和施工中的關鍵問題,為超高聳煙囪結構的成功建造和安全工作提供理論依據和技術支持，并最終促進太陽能熱氣流發(fā)電技術在我國的成功應用。超高聳太陽能煙囪的結構研究將同時推動我國高聳結構相關領域發(fā)展,為實現超高、超大結構提供理論基礎。

太陽能熱氣流發(fā)電的原理是在以大地為吸熱材料的地面大棚式太陽能空氣集熱器中央建造高大的豎直煙囪，煙囪的底部在地面空氣集熱器的透明蓋板下面開設吸風口，上面安裝風輪，地面空氣集熱器根據溫度效應生產熱空氣，從吸風口吸入煙囪，形成熱氣流，驅動安裝在煙囪內的風輪并帶動發(fā)電機發(fā)電。

太陽能熱氣流發(fā)電站的實際構造由三部分組成：大棚式地面空氣集熱器、煙囪和風力機。太陽能熱氣流發(fā)電站的地面空氣集熱器是一個近地面一定高度、罩著透明材料的大棚。陽光透過透明材料直接照射到大地上，大約有50%的太陽輻射能量被土壤所吸收，其中1/3的熱量加熱罩內的空氣，1/3的熱量儲于土壤中，1/3的熱量為反射輻射和對流熱損失，所以，大地是太陽能熱氣流電站的蓄熱槽。

研究表明，影響電站運行特性的因素有云遮、空氣中的塵埃、集熱器的清潔度、土壤特性、環(huán)境風速、大氣溫度疊層、環(huán)境氣溫及大棚和煙囪的結構質。

《太陽能熱氣流發(fā)電系統理論與技術應用》圍繞太陽能熱氣流發(fā)電系統開展基礎理論和技術應用研究，太陽能熱氣流發(fā)電系統主要由集熱棚、蓄熱層、風力透平和煙囪四個部件組成?！短柲軣釟饬靼l(fā)電系統理論與技術應用》著重分析系統的熱力學性能及其影響因素、提高效率的方法及特定條件下系統效率的極限，依次對系統的流動與傳熱特性、環(huán)境風對系統性能的影響、儲能特性展開數值模擬分析，提出一種將風能發(fā)電和太陽能熱氣流發(fā)電相結合的綜合集成系統，提出一種在中國干旱、半干旱地區(qū)利用太陽能熱氣流系統的空氣取水技術及實現全球溫室氣體大規(guī)模移除的新方法，對太陽能熱氣流發(fā)電系統的經濟性展開分析比較，并對其未來發(fā)展進行分析。

熱聲技術在早期主要用于驅動行波熱聲制冷機及脈沖管制冷機，以實現完全無運動部件的制冷系統。熱聲發(fā)電技術的研究相對較晚。

2002年，在NASA的資助下，美國Los Alamos實驗室的B ackhaus等人首先開展了熱聲發(fā)電的研究。如圖6所示，整個發(fā)電系統通過一個行波回路熱聲發(fā)動機驅動2臺直線電機構成。發(fā)電機除了用于將聲功轉變?yōu)殡娔?，還起到了替代諧振管的作用，有助于減小系統的體積。實驗在熱端溫度與環(huán)境溫度分別為650攝氏度與30℃的條件下，以18%的最大熱電效率獲得39W的發(fā)電量，以15%的熱電效率獲得58W的最大發(fā)電量。隨后，經過改進，該系統可以16.8%的熱電效率輸出70W聲功0。然而，由于行波熱聲發(fā)動機環(huán)路出口駐波聲場特性，直線發(fā)電機工作于駐波聲場，必須通過大掃氣量來實現聲電轉換，這對直線發(fā)電機工作是不利的 。

2007年，羅二倉等提出采用諧振管來改善直線發(fā)電機相位，研制了一臺傳統型行波熱聲發(fā)動機驅動直線發(fā)電機的百瓦級功率演示樣機。該系統主要利用諧振管來滿足發(fā)動機出口聲場的要求，直線電機入口處的聲場則可以通過直線電機自身結構參數調節(jié)，降低了兩者的藕合要求。為揭示行波熱聲發(fā)動機與直線電機間的匹配規(guī)律、提高熱聲發(fā)電系統的輸出功率及效率，他們在后續(xù)的研究中重點研究了行波熱聲發(fā)動機的聲功輸出與負載阻抗間的變化規(guī)律，并重新設計了一臺行波熱聲發(fā)電系統。2011年，理化所吳張華等通過在氦氣中添加4.5 %摩爾體積的氫氣，降低了系統的工作頻率以更好地實現發(fā)動機和發(fā)電機間的匹配。在熱端溫度650℃的條件下，系統的最大發(fā)電量與最大熱電效率分別為1043 W和19.8%。在此基礎上，還進行了太陽能驅動行波熱聲發(fā)電系統的研究。整個系統包括一臺行波熱聲發(fā)電機，一架太陽能碟式集熱器以及吸熱器。

聚光比與設計值相差較大，吸熱器的導熱效果也不理想，系統獲得最大發(fā)電量僅為200W。但是該系統驗證了利用太陽能進行熱聲發(fā)電的可行性。浙江大學的孫大明等人也設計過一套類似的行波熱聲發(fā)電系統并進行了實驗研究

2013年，在雙作用型行波熱聲發(fā)動機基礎上，吳張華等采用直線電機研制了世界上第一臺雙作用型行波熱聲發(fā)電系統。每個直線電機包含兩個活塞，其中一個活塞作為膨脹活塞接收上一級發(fā)動機單元輸出的聲功，另一活塞作為壓縮活塞向下一級發(fā)動機單元輸入聲功，兩者的差值用于發(fā)電。在熱端溫度接近650 }C的實驗條件下，系統以16.g%的熱電效率獲得了1.57kW的發(fā)電量。直線電機引起的機械阻尼以及各單元之間的不一致性成為制約系統性能的關鍵因素。在實驗樣機的基礎上，理化所聯合中科力函在云南楚雄搭建了一臺太陽能雙作用行波熱聲發(fā)電機，進一步推動了熱聲發(fā)電的實用化進程。

隨著聲學雙作用行波熱聲發(fā)動機的提出及其具有的獨特優(yōu)勢，2014年，吳張華等開始了聲學雙作用行波熱聲發(fā)電系統的研制。圖11所示為聲學雙作用行波熱聲發(fā)電系統示意圖及實驗照片，它包含1臺聲學雙作用行波熱聲發(fā)動機與多個直線發(fā)電機，直線發(fā)電機旁接于諧振管上。為減小振動，2臺直線電機對置且動子相向運動。前期實驗中，三單元系統獲得了4.69kW的最高輸出電功以及18.4%的最大熱電效率，四單元系統獲得了6kW的發(fā)電功功率及18%的熱電效率，六單元系統獲得了7.2kW的發(fā)電功率及15%的熱電效率。這一工作突破了大功率熱聲發(fā)電技術，相應的研究仍然在進行中。同時，針對太陽能利用的工程樣機也正在開發(fā)中。