用于太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)的超高聳煙囪結(jié)構(gòu)研究

太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)是一種符合我國國情的新型環(huán)保能源開發(fā)技術(shù),而超高聳煙囪則是該技術(shù)的重要組成部分和關(guān)鍵，目前國內(nèi)外有關(guān)該技術(shù)的研究大多集中于能源和熱力學(xué)方面，有關(guān)煙囪單體的結(jié)構(gòu)研究基本空白?？紤]到超高聳太陽能煙囪與現(xiàn)有高聳結(jié)構(gòu)、大跨結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)選型、荷載環(huán)境、建造高度、施工技術(shù)等方面的不同，本項(xiàng)目擬對超高聳太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)形體、荷載作用、受力性能、破壞機(jī)理和施工成形分析等內(nèi)容進(jìn)行深入研究，解決該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析和施工中的關(guān)鍵問題,為超高聳煙囪結(jié)構(gòu)的成功建造和安全工作提供理論依據(jù)和技術(shù)支持，并最終促進(jìn)太陽能熱氣流發(fā)電技術(shù)在我國的成功應(yīng)用。超高聳太陽能煙囪的結(jié)構(gòu)研究將同時(shí)推動(dòng)我國高聳結(jié)構(gòu)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展,為實(shí)現(xiàn)超高、超大結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)。

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(shè)吸風(fēng)口，上面安裝風(fēng)輪，地面空氣集熱器根據(jù)溫度效應(yīng)生產(chǎn)熱空氣，從吸風(fēng)口吸入煙囪，形成熱氣流，驅(qū)動(dòng)安裝在煙囪內(nèi)的風(fēng)輪并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

太陽能熱氣流發(fā)電站的實(shí)際構(gòu)造由三部分組成：大棚式地面空氣集熱器、煙囪和風(fēng)力機(jī)。太陽能熱氣流發(fā)電站的地面空氣集熱器是一個(gè)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(nèi)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(yùn)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(fēng)速、大氣溫度疊層、環(huán)境氣溫及大棚和煙囪的結(jié)構(gòu)質(zhì)。

《太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)理論與技術(shù)應(yīng)用》圍繞太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)開展基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用研究，太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)主要由集熱棚、蓄熱層、風(fēng)力透平和煙囪四個(gè)部件組成?！短柲軣釟饬靼l(fā)電系統(tǒng)理論與技術(shù)應(yīng)用》著重分析系統(tǒng)的熱力學(xué)性能及其影響因素、提高效率的方法及特定條件下系統(tǒng)效率的極限，依次對系統(tǒng)的流動(dòng)與傳熱特性、環(huán)境風(fēng)對系統(tǒng)性能的影響、儲能特性展開數(shù)值模擬分析，提出一種將風(fēng)能發(fā)電和太陽能熱氣流發(fā)電相結(jié)合的綜合集成系統(tǒng)，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(tǒng)的空氣取水技術(shù)及實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性展開分析比較，并對其未來發(fā)展進(jìn)行分析。

熱聲技術(shù)在早期主要用于驅(qū)動(dòng)行波熱聲制冷機(jī)及脈沖管制冷機(jī)，以實(shí)現(xiàn)完全無運(yùn)動(dòng)部件的制冷系統(tǒng)。熱聲發(fā)電技術(shù)的研究相對較晚。

2002年，在NASA的資助下，美國Los Alamos實(shí)驗(yàn)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(gè)發(fā)電系統(tǒng)通過一個(gè)行波回路熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)2臺直線電機(jī)構(gòu)成。發(fā)電機(jī)除了用于將聲功轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，還起到了替代諧振管的作用，有助于減小系統(tǒng)的體積。實(shí)驗(yàn)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(jīng)過改進(jìn)，該系統(tǒng)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(dòng)機(jī)環(huán)路出口駐波聲場特性，直線發(fā)電機(jī)工作于駐波聲場，必須通過大掃氣量來實(shí)現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換，這對直線發(fā)電機(jī)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(jī)相位，研制了一臺傳統(tǒng)型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)直線發(fā)電機(jī)的百瓦級功率演示樣機(jī)。該系統(tǒng)主要利用諧振管來滿足發(fā)動(dòng)機(jī)出口聲場的要求，直線電機(jī)入口處的聲場則可以通過直線電機(jī)自身結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)，降低了兩者的藕合要求。為揭示行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與直線電機(jī)間的匹配規(guī)律、提高熱聲發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率及效率，他們在后續(xù)的研究中重點(diǎn)研究了行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的聲功輸出與負(fù)載阻抗間的變化規(guī)律，并重新設(shè)計(jì)了一臺行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)。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(tǒng)的工作頻率以更好地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)間的匹配。在熱端溫度650℃的條件下，系統(tǒng)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(chǔ)上，還進(jìn)行了太陽能驅(qū)動(dòng)行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的研究。整個(gè)系統(tǒng)包括一臺行波熱聲發(fā)電機(jī)，一架太陽能碟式集熱器以及吸熱器。

聚光比與設(shè)計(jì)值相差較大，吸熱器的導(dǎo)熱效果也不理想，系統(tǒng)獲得最大發(fā)電量僅為200W。但是該系統(tǒng)驗(yàn)證了利用太陽能進(jìn)行熱聲發(fā)電的可行性。浙江大學(xué)的孫大明等人也設(shè)計(jì)過一套類似的行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究

2013年，在雙作用型行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上，吳張華等采用直線電機(jī)研制了世界上第一臺雙作用型行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)。每個(gè)直線電機(jī)包含兩個(gè)活塞，其中一個(gè)活塞作為膨脹活塞接收上一級發(fā)動(dòng)機(jī)單元輸出的聲功，另一活塞作為壓縮活塞向下一級發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)條件下，系統(tǒng)以16.g%的熱電效率獲得了1.57kW的發(fā)電量。直線電機(jī)引起的機(jī)械阻尼以及各單元之間的不一致性成為制約系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的基礎(chǔ)上，理化所聯(lián)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(jī)，進(jìn)一步推動(dòng)了熱聲發(fā)電的實(shí)用化進(jìn)程。

隨著聲學(xué)雙作用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)的提出及其具有的獨(dú)特優(yōu)勢，2014年，吳張華等開始了聲學(xué)雙作用行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)的研制。圖11所示為聲學(xué)雙作用行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)示意圖及實(shí)驗(yàn)照片，它包含1臺聲學(xué)雙作用行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī)與多個(gè)直線發(fā)電機(jī)，直線發(fā)電機(jī)旁接于諧振管上。為減小振動(dòng)，2臺直線電機(jī)對置且動(dòng)子相向運(yùn)動(dòng)。前期實(shí)驗(yàn)中，三單元系統(tǒng)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(tǒng)獲得了6kW的發(fā)電功功率及18%的熱電效率，六單元系統(tǒng)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(shù)，相應(yīng)的研究仍然在進(jìn)行中。同時(shí)，針對太陽能利用的工程樣機(jī)也正在開發(fā)中。