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????? 太陽能煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)進展

????? 摘　要：太陽能煙囪式熱力發(fā)電是一項可利用太陽熱能進行大規(guī)模發(fā)電的、
非常有前景的清潔能源技術(shù)，在費用與性能上已經(jīng)顯示出了很大的優(yōu)勢，對人類
環(huán)境的改善和電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，必將成為21世紀一種重
要能源產(chǎn)業(yè)。為此，介紹了太陽能煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)產(chǎn)生的背景、原理與特點，
世界各國太陽能煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)的研究進展及應用前景，以及主要相關(guān)技術(shù)，
同時提出了發(fā)展中國太陽能煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)研究的建議。

????? 關(guān)鍵詞：太陽能

????? 煙囪；集熱棚；空氣渦輪機；熱力發(fā)電

????? Technology progress in solar chimney for thermal power ge neration


????? LONG Xinfeng

????? （Key Lab of National Education Committee Heat Transfer Enhancement
and Energy Co nservation， School of Chemical Engineering ， South China
Univof Tech ，Guangzhou 510640）

????? Abstract： The solar chimney for thermal power generation （SCTPG）

????? has been identified as apromising green energy technology for large
scale electricity generation using only solar energy It reveals great
advantages in low cost and excellent performance， and is of strategic
importance for environment improvement and continued development of electric
power industryThese advantages are bound to make it a kind of global important
energy industry in this century  In the present paper ， the development
background， working principle and characteristics of SCTPG are introduced
along with its research status and application in the world. The primary
technology concerned is analyzed， and the suggestion of developing t
he solar chimney for thermal power generation in China is also put forward.
Key words ：solarchimney；heat collector； air turbine；thermal power
generation

????? 以燃煤為主的電力發(fā)展不僅面臨環(huán)境與生態(tài)保護的巨大壓力，更面臨著煤
炭、石油和天然氣的儲量畢竟有限的現(xiàn)實情況。按照現(xiàn)有技術(shù)，電力生產(chǎn)資源供
給系統(tǒng)是不可持續(xù)的。從浩瀚無垠的太陽熱能中索取應有盡有的電力生產(chǎn)資源，
對實現(xiàn)人類社會與自然的可持續(xù)發(fā)展有著重要作用，必將成為世界經(jīng)濟發(fā)展新的
增長點，并將逐步成為當代新興能源產(chǎn)業(yè)，具有不容低估的生命力和廣闊市場。

????? 我國經(jīng)濟高速增長急劇增加了對電力的需求，未來的30年中，每10年需
求總量將增加1200TWh ，30年后中國可能超過美國而成為世界第一電力消費大國。
能源專家從社會可持續(xù)發(fā)展要求出發(fā)，估計我國可再生能源發(fā)電的總裝機容量2010
年應達到4GW ，2020年約10GW，到2050年應有100GW 的水平，占全部總裝機容量
的5%～7%，從而成為我國電力的重要組成部分。其中，風力與太陽能發(fā)電將占主
要份額，前期風力發(fā)電會較快發(fā)展，而后期的增長主要靠太陽能熱力發(fā)電［1 ］。

????? 那時，太陽能熱力發(fā)電無疑將成為重要的工業(yè)分支。利用太陽熱能發(fā)電
是一門綜合性的高技術(shù)，涉及太陽能利用、儲能、新型材料技術(shù)、高效汽輪機技
術(shù)和自動控制系統(tǒng)等問題，不少發(fā)達國家已投入大量人力物力。經(jīng)過近40年研究，
太陽能熱力發(fā)電裝置的單機容量已從千瓦級發(fā)展到了兆瓦級，目前世界上已有數(shù)
十余座兆瓦級太陽能熱電站投入運行［2 ］。許多科學家紛紛預測，至21世紀初
中期，太陽能熱電電價極有可能降到與化石能源電價相同之水平［3 ］。按集熱
器類型不同，太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)（STPGS ， solar thermal power generation
system）

????? 可分為四類，即：槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、煙囪式系統(tǒng)和碟式- 發(fā)動機小型
系統(tǒng)。

????? 太陽能煙囪式發(fā)電與其余三種方式相比，不需要高技術(shù)設備和人才，運
行與維修簡便，采用空氣渦輪機，適合于缺水地區(qū)，如沙漠；且建造該類電站的
主要材料是玻璃和水泥，可就地取材。如建在沙漠中，便可用沙漠里大量的沙、
石制造其建廠材料。該方式是解決廣大發(fā)展中國家由于缺乏電力致使經(jīng)濟長期處
于停滯狀態(tài)問題的好辦法。鑒于我國對太陽能煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)的研究幾乎
處于空白，且報導極少，故擬對該技術(shù)的結(jié)構(gòu)、原理、特點、發(fā)展概況及已經(jīng)取
得的重要進展進行綜述，以期引起相關(guān)部門的注意，使這一發(fā)電技術(shù)在我國逐步
形成科研、生產(chǎn)為一體的產(chǎn)業(yè)化。

????? 1 結(jié)構(gòu)與發(fā)電原理太陽能煙囪式熱力發(fā)電是20世紀80年代首先由斯圖加特
大學的喬根。施萊奇教授及其合作者提出并進行了長期的實驗研究［4 ，5 ］，
其基本原理是利用太陽能集熱棚加熱空氣以及煙囪產(chǎn)生上曳氣流效應，驅(qū)動空氣
渦輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。這種發(fā)電方式無需常規(guī)能源，其動力的供給完全來自于
集熱棚下面因太陽輻射所產(chǎn)生的熱空氣?；谶@一原理構(gòu)建的太陽能煙囪式熱力
發(fā)電系統(tǒng)由太陽能集熱棚、太陽能煙囪和空氣渦輪發(fā)電機組組成，屬于現(xiàn)有三項
成熟技術(shù)的創(chuàng)新性組合應用。圖1 顯示了該項技術(shù)的結(jié)構(gòu)與原理。由面蓋和支架
組成的集熱棚以太陽能煙囪中心，呈圓周狀分布，并與地面有一定間隙，以引入
周圍的空氣；太陽能煙囪離地面有一定距離，周邊與集熱棚密封相連，其底部裝
有空氣渦輪機。工作過程與原理是太陽光照射集熱棚，加熱棚下面的土地（或蓄
熱器）和棚內(nèi)空氣，空氣溫度升高，密度下降，在太陽能煙囪的抽吸作用下形成
一股強大的上升氣流，驅(qū)動安裝在煙囪底部中央的單臺空氣渦輪發(fā)電機或呈環(huán)形
排列的多臺小型空氣渦輪發(fā)電機發(fā)電。同時，集熱棚周圍的冷空氣進入棚內(nèi)，形
成持續(xù)不斷的空氣循環(huán)流動?？諝庋h(huán)流動時所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換過程為：太陽熱
能（棚外）→空氣內(nèi)能（棚內(nèi)）→空氣動能（棚內(nèi)+ 煙囪內(nèi)）→電能（渦輪發(fā)電
機）。

????? 太陽能煙囪式熱力發(fā)電設備簡單，運行成本低，維護方便。主要特點如下
：a ）太陽能集熱棚能同時利用太陽直射輻射和散射輻射，而其余3 種太陽能
熱力發(fā)電因采用聚焦型集熱器僅能利用太陽直射輻射生產(chǎn)蒸汽來驅(qū)動熱機發(fā)電，
這一點對多云天氣熱帶國家至關(guān)重要。b ）可在集熱棚下面安裝水管或直接利
用棚下面的土地作蓄熱器。水管只需一次加滿，無需補充水，蓄熱器白天吸熱，
夜晚將所儲存的熱量釋放出來對棚內(nèi)空氣加熱，使系統(tǒng)在夜間能夠持續(xù)發(fā)電，減
少了對天氣的依賴性，且不需要化石燃料。c ）與傳統(tǒng)熱力發(fā)電或其它3 種太
陽能熱力發(fā)電相比，不需要冷卻水源，適宜于太陽能資源豐富而又缺水的國家和
地區(qū)，如沙漠。d ）設備簡單，建材易得，建設成本低，所需建材主要為水泥
及透明面蓋材料（如玻璃），可就地取材，空氣渦輪發(fā)電機為成熟商品，不存在
因使用高新技術(shù)造成投資風險和成本過高等問題。在一些欠發(fā)達國家，僅依靠其
已有的工業(yè)基礎，在沒有外國專家?guī)椭?，就可?gòu)建、維護，保證電站正常運行。

????? e ）與其它3 種太陽能熱力發(fā)電相比，因未采用太陽能聚光器，太陽能
至電能的轉(zhuǎn)換效率低，需要更大面積的土地。發(fā)電效率除與當?shù)靥柲茌椛鋸姸?BR>有關(guān)外，還隨集熱棚面積和煙囪高度的增加而提高。為獲得較高的效率和經(jīng)濟性，
須構(gòu)建大規(guī)模的電站，如200MW 電站。

????? f ）運行過程中，使用太陽輻射熱能為動力源，空氣為驅(qū)動載體，既沒有
CO2 ，NOx 等有害氣體排放，也沒有固體廢棄物的排出，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境不產(chǎn)生
負面影響。我國具有居世界第二的豐富太陽能資源，年輻射量的平均值為59GJ/
（m2.a）。其中，寧夏北部和南部、甘肅北部和中部、新疆南部和東南部、青海
西部和東部、西藏西部和東南部、河北北部、山西北部、內(nèi)蒙古年日照時數(shù)大于
3000h ，年輻射總量高于6GJ/（m2.a）。這些西部地區(qū)人口稀少，荒漠面積大，
適合于建造太陽能煙囪式熱力發(fā)電站。

????? 2 技術(shù)現(xiàn)狀受德國研究與技術(shù)部資助，1982年在西班牙馬德里南部150
km處的Manzanares附近的La Mancha 沙漠地區(qū)建立了第一座峰值發(fā)電功率為50kW
的太陽能煙囪式實驗性電站（見圖2 ）。電站主要由太陽能煙囪、集熱棚和空氣
渦輪機3 大部分組成，該實驗電站的煙囪高195m，直徑10m.與煙囪相連的集熱棚
直徑240m，其邊緣處與地面間隙約2m，中間處距地面8m. 基于試驗目的，該電站
安裝了144 個傳感器，以測試自然氣象條件下各部件對渦輪發(fā)電機輸出功率和電
站效率的影響。該電站自1982年建成投運，至1989年停運，共運行了7a，結(jié)果表
明：發(fā)電成本可控制在0.1 馬克/kW ，可靠率超過95%.表1 給出該實驗電站的結(jié)
構(gòu)參數(shù)。

????? 自從德國政府投資1400萬馬克在西班牙建成了第一座太陽能煙囪式熱力發(fā)
電示范電站后，各國能源專家對這種簡潔而全環(huán)保的發(fā)電方式表現(xiàn)出濃厚興趣。

????? 南非的A.J.Gannon等人［6 ，7 ］對太陽能煙囪式熱力發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)及其
發(fā)電涉及的流動和傳熱問題進行了研究，認為投資近4 億美元在南非北好望角建
造200MW 的太陽能煙囪式電站是可行的，并有可能與化石燃料電站競爭。美國的
Krisst 1983 年在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座10W 家用太陽能煙囪
式發(fā)電裝置，該裝置的煙囪高10m ，集熱棚直徑6 m.1997年佛羅里達大學N.Pasurmarchi
教授對所構(gòu)建的3 種太陽能煙囪模型進行了理論和實驗研究。土耳其科學家Kulunk
在土耳其伊茲密爾市建造了一個煙囪高2m，直徑7cm ，集熱棚面積9 m2，發(fā)電功
率僅為0.14 W的微型電站，煙囪底部采用的渦輪機轉(zhuǎn)子功率0.45 W，發(fā)電效率31%
，煙囪底部溫差和壓差分別是4℃和200Pa.我國的華中科技大學受武漢市青年科技
晨光計劃資助已經(jīng)開始從事這方面的研究，目前正在籌備建造一座50 W太陽能煙
囪式發(fā)電裝置，擬對集熱棚和煙囪內(nèi)的傳熱和流動過程進行數(shù)值模擬研究［8 ］。

????? 上海交通大學教育部太陽能發(fā)電及制冷工程研究中心的代彥軍等人［9 ］
運用一種簡化分析方法對所構(gòu)建的概念太陽能煙囪式電站的性能進行了預測，并
針對寧夏地區(qū)氣候特點，對其在銀川、平羅和賀蘭三個地區(qū)應用的可行性做了分
析。太陽能煙囪式熱力發(fā)電站不需要復雜的技術(shù)，但占用土地面積大，須達到
100MW 級規(guī)模才能產(chǎn)生較佳的經(jīng)濟效益。澳大利亞首開先例，擬在新南威爾士州
建造一座目前世界上最大的太陽能熱力發(fā)電站——煙囪式發(fā)電站，發(fā)電容量高達
200MW ，超過了擬建的由80臺風輪機組成的裝機容量為130 MW的最大風力發(fā)電廠。
此外，電站建在內(nèi)陸而非風景秀麗的沿海，對景觀影響較小。為達到該額定裝機
容量，電站需用一個直徑7km 的太陽能集熱棚，并建一座1000m 高的煙囪，占地
達38 km2，將成為澳大利亞乃至世界上最高和最大的建筑物。該項巨大的工程由
Enviro Mission公司負責，Enviro Mission公司已完成了可行性論證、系統(tǒng)優(yōu)化、
選址、設計、合作商務談判與資金籌措，整個工程將耗時34個月，計劃于2006年
3 月完工，相關(guān)參數(shù)見表2.

????? 3 主要相關(guān)技術(shù)3.1 集熱棚驅(qū)動渦輪發(fā)電機所需的熱空氣是通過集熱棚的
溫室效應產(chǎn)生的。集熱棚由半透明的棚頂和支撐結(jié)構(gòu)組成，半透明的棚頂材料通
常為玻璃、聚碳酸酯或塑料膜，支撐結(jié)構(gòu)采用混凝土或鋼支架。與煙囪基礎相連
接的棚頂與地面間距隨煙囪高度增加而增加，通常為2 ～8 m ，距地面越高，則
風阻越小。在Manzanares的50kW實驗電站中，專門研制出一種用經(jīng)濟型材料制成
的6 ｍ×6 ｍ見方的薄膜板，作為棚頂面板，頂部面板用細長的鋼支架支撐，以
減小對棚頂下面流動空氣的阻力。澳大利亞擬建的200MW 太陽能電站的棚頂將由
4mm 厚、微凸的半透明反光材料構(gòu)成，由間隔6 m 的鋼制水平橫梁和橫向鋼板支
撐。橫梁上加裝了通往頂板的軌道。以便棚頂在積滿了灰塵時，吸塵器可沿軌道
運動清潔棚頂。3.2 蓄熱系統(tǒng)為彌補太陽熱輻射不能穩(wěn)定、持續(xù)供應的特點，
使之從輔助能源最終變?yōu)橐环N使用方便、可靠的清潔能源，儲能問題的解決是關(guān)
鍵的一環(huán)。對于太陽能熱力發(fā)電，儲能的作用是調(diào)節(jié)負荷，降低設備容量和投資
成本，進一步提高太陽能資源利用效率和設備利用率，提高太陽熱電系統(tǒng)的可靠
性和經(jīng)濟性。太陽能煙囪式熱力發(fā)電站的結(jié)構(gòu)特點和經(jīng)濟要求使之宜采用顯熱
蓄熱，棚頂下大面積的土壤層是其天然的顯熱蓄熱材料。為加強蓄熱能力，出于
經(jīng)濟方面的考慮，可在地層上敷設充水黑色管道，水的比熱容（4.2kJ/（kg.K））

????? 是土壤比熱容（0.75～0.8kJ/（kg.K））的5 ～6 倍，顯熱蓄熱能力遠大
于土壤，且水管與水之間的傳熱也遠高于表層土壤與深層土壤間的傳熱。這種簡
單而有效的土壤加充水黑色管道的吸熱與放熱過程見圖3.白天太陽輻射透過半透
明棚頂而被下面的土壤和水管吸收，溫度升高，太陽輻射能被轉(zhuǎn)換為土壤和充水
黑色管的熱能（顯熱）而儲存；夜間，溫度下降，土壤和充水黑色管將其所儲存
的熱能傳遞給周圍的空氣，加熱空氣，使渦輪機繼續(xù)發(fā)電。面積巨大的土壤和充
水黑色管網(wǎng)能確保發(fā)電站一天24h 期間的發(fā)電量維持相對穩(wěn)定。黑色管道中的注
水量可根據(jù)預期的發(fā)電量特性和天氣情況選擇，通常為5 ～20mm. 注水后，管道
密閉，水僅在管道內(nèi)流動，不會因蒸發(fā)而耗損。3.3 煙囪煙囪的作用是形成壓
差，為電站提供熱動力。壓差與棚內(nèi)外溫差和煙囪高度成正比，并與煙囪內(nèi)的磨
擦阻力有關(guān)。設計時應優(yōu)化煙囪內(nèi)表面積與容積的比值，以使磨擦阻力最小。在
壓差作用下，集熱棚內(nèi)被加熱的空氣沿煙囪上升，形成人造熱風，風速約與棚內(nèi)
外溫差ΔT 和煙囪高度H 成正比。擬建的澳大利亞200MW 太陽能煙囪式熱力電站
棚內(nèi)空氣的溫升達30℃以上，在1000m 高煙囪所形成的壓差作用下，形成的人造
熱風速度達到30～70m/s ，可以推動多臺兆瓦級渦輪機工作。

????? 

????? 人類有建造高塔的經(jīng)驗，如加拿大多侖多600m高的電視塔，其成功經(jīng)驗和
成熟的施工方法可資借鑒。因此就技術(shù)而言，建造1000m 或更高的煙囪沒有大的
問題。通常情況下，應首先考慮選用鋼筋混凝土，采用跳模、滑?；蚺滥＿M行常
規(guī)建設。采用漸變截面結(jié)構(gòu)，如煙囪底部厚1m，到頂部逐漸減到25cm. 在煙囪內(nèi)
部不同高度處建造一系列類似于自行車輪輻、空氣流損耗小于2%的金屬水平支撐，
以增加強度，防止圓筒形變成橢圓型。同時用一種薄且柔韌性好的塑料或金屬材
料覆蓋煙囪表面，并用帶預應力的鋼拉索網(wǎng)以保證煙囪的穩(wěn)定，防止地震。3.4
空氣渦輪機空氣渦輪機安裝于煙囪底部，由煙囪中的循環(huán)氣流驅(qū)動。與風力發(fā)電
所采用的速度級渦輪機不同，太陽能煙囪式發(fā)電采用的是壓力級渦輪機，這一點
與水力發(fā)電中的水輪機相似——靜壓被轉(zhuǎn)換成渦輪機旋轉(zhuǎn)能。在渦輪機前后風速
相等的情況下，壓力級渦輪機的出力是速度級的8 倍，出力與空氣的體積流量和
壓降成正比。運行時，渦輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)根據(jù)氣流對渦輪葉片進行調(diào)整，當渦輪機
葉片平面?zhèn)扰c氣流正交時，葉片無法旋轉(zhuǎn)；與氣流平行時，則無壓降，同樣發(fā)不
出電來。在這兩種極端情況之間，存在一個最佳葉片傾角。調(diào)節(jié)系統(tǒng)應將葉片調(diào)
整至該角度，以獲得最大出力，此時渦輪機壓降約為可得到的總壓差的三分之二。

????? 

????? 4 結(jié)論與建議太陽能煙囪式熱力發(fā)電可利用太陽能進行大規(guī)模發(fā)電，所
需設備與技術(shù)相對較低，在太陽能資源豐富、荒地多且廉價、少水又缺電的欠發(fā)
達工業(yè)國家和地區(qū)具有相當?shù)奈芭c常規(guī)能源發(fā)電的競爭力。國外對太陽能
煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)的三大部件在材料、設計、工藝及理論方面進行了長達二十
多年的研究，而國內(nèi)在這方面的研究時間短，力度小。我國應加大研究力度，使
之為西部大開發(fā)提供巨大的電力資源，從而推動我國太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推動西
部大開發(fā)的進程。

????? 基于中國國情，筆者建議應確定太陽能煙囪式熱力發(fā)電技術(shù)的近期、中期
及遠期開發(fā)內(nèi)容和目標；明確研究期限和階段成果；著重確定與研究所涉及的關(guān)
鍵技術(shù)，確定研究難點，以研究開發(fā)各項關(guān)鍵技術(shù)為基本骨架，進行相關(guān)研究；
研制出符合工作性能和可靠性要求的樣件，并進行千瓦級樣機可行性論證與試驗，
獲得熱力發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑與經(jīng)驗，為今后大功率系統(tǒng)的研制創(chuàng)造條
件。近期應集中力量，從以下三方面研究所涉及的關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)科學問題：
a ）在基礎、技術(shù)、工程應用三個層面上，結(jié)合能量利用系統(tǒng)創(chuàng)新集成優(yōu)化理論，
研究系統(tǒng)中太陽熱能轉(zhuǎn)換—儲存—傳輸—再生電能過程中的動力學、熱經(jīng)濟學，
熱傳遞現(xiàn)象理論，以及儲能系統(tǒng)中的應用基礎問題。b ）建立相應能量流轉(zhuǎn)換
的理論和模型。包括建立設計、運行、控制三個層次一體化模型，目標函數(shù)，決
策變量和約束集。拓展現(xiàn)代分析研究方法及有效健壯的數(shù)值方法，開發(fā)相應的計
算軟件和控制軟件。c ）實現(xiàn)能量流轉(zhuǎn)換、傳遞過程高效化和能量儲輸技術(shù)的
創(chuàng)新，并完成相關(guān)高效儲輸和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與優(yōu)化工作，力求達到
可工程應用的實用水平，為促進純太陽能熱力發(fā)電高技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供科學
與技術(shù)支撐。

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