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太阳能烟囱发电新技术、高空安装、高空施工
摘 要:介绍了一种太阳能烟囱发电新技术。太阳光辐射透过太阳能集热棚,加热集热棚下面的地面,被加热的地面与集热棚内的空气进行热量交换,使其温度上升,被加热的空气上升并进入与集热棚中部相连的烟囱,在烟囱内上升气流推动涡轮发电机旋转、发电。整个太阳能烟囱发电技术的能量转化以及效率可以从三个部分来分析:通过集热棚太阳能转化为空气热能,通过烟囱将热能转化为动能,通过涡轮发电机将动能转化为电能。另外,总结了太阳能烟囱发电技术的优缺点,指出它是一种适合于我国西部地区的一种能源开发新途径。
关键词:太阳能烟囱;清洁能源;能量转换;效率
1 太阳能烟囱发电技术起源
太阳能烟囱发电的构想是在1978年由德国j•schlaich教授首先提出的。随后由德国政府和西班牙一家电力企业联合资助,于1982年在西班牙man-zanares建成世界上第一座太阳能烟囱发电站[1]。这座电站的烟囱高度为200m,烟囱直径10•3m,集热棚覆盖区域直径约为250m。白天,涡轮发电机的转速为1500rpm,输出功率为100kw;在夜间涡轮发电机的转速为1000rpm,输出功率为40kw[2]。
2 太阳能烟囱发电技术的原理
太阳能烟囱发电技术的基本原理图可用图1表示。它成功地将3种成熟技术结合为一体:温室技术、烟囱技术和风力透平机技术。集热棚用玻璃或塑料等透明材料建成,并用金属框架作为支撑,集热棚四周与地面留有一定的间隙(高度为hp)。大约90%的太阳可见光(短波辐射)能够穿过透明的集热棚,被棚内地面(直径为r)吸收,同时由于温室效应,集热棚能够很好地阻隔地面发出的长波辐射。因此,太阳能集热棚是太阳能的一个有效捕集和贮存系统。棚内被加热的地面(温度为ts)与棚内空气(温度为ti)之间的热交换使集热棚内的空气温度升高,受热空气由于密度下降而上升,进入集热棚中部的烟囱(半径为r,高度为hc)。同时棚外的冷空气(温度为ta)通过四周的间隙进入集热棚,这样就形成了集热棚内空气的连续流动。热空气在烟囱中上升速度提高,同时上升气流推动涡轮发电机运转发电。
3 太阳能烟囱发电技术国内外研究现状
太阳能烟囱发电技术自从提出以后,广泛收到关注。从20世纪80年代开始一直到现在,美国、德国、西班牙、印度、澳大利亚、埃及、摩落哥和南非等一些国家对太阳能烟囱发电及相关技术开展了一系列研究。1983年美国科学家krisst建了一座烟囱高度为10m,集热棚直径6m,输出功率10w的庭院式太阳能发电装置[3]。1997年在美国佛罗里达大学花园中建了三种不同型式的太阳能烟囱模型进行了大量的理论和实验研究[4]。在印度[5]的拉贾斯坦的塔尔沙漠建一座100mw太阳能烟囱发电站的计划曾得到论证并开始实施,但由于印度和巴基斯坦之间的核竞赛使该计划落空。自从1995年起,由物理学家沃尔夫沃尔特•斯廷纳领导的小组已提出计划2004年在南非边远的沙漠城锡兴附近建造200mw太阳能烟囱发电站方案,但这庞大的计划仍存在许多巨大的困难,其中所需要的1500m高烟囱的计划是目世界上前所未有的。在最近几年,国外每年均有不少与太阳能烟囱发电技术相关的文章发表,围绕太阳烟囱发电站结
构模型、能转换效率、环境效应等相关问题进行研究[6~8]。然而,国内很少见太阳能烟囱技术的报道,对大多数人来说可以说是一项陌生的技术。因此,本文旨在促进太阳能烟囱发电技术在中国的发展,同时对太阳能烟囱发电技术中能量转换的关键技术进行介绍。
4 太阳能能量转换过程和效率[9~11]
4•1 太阳能烟囱发电技术中能量转换过程
4•1•1 集热棚内太阳能到空气热能的转换集热棚内地面被太阳光加热后所贮藏的能量是太阳能烟囱发电系统所有能量的来源。因此,选择吸收率高的近似黑体的物体作为集热棚地面材料,采取一些提高地面吸收太阳能效率的措施提高地面的温度ts,是强化太阳能能量转换的第一步。由于地面和棚内空气的温度差导致地面与空气之间的热量交换,主要的热量交换方式为流动的空气与地面之间的对流传热,对流换热量可用下式表示:
.q =αa(ts- ti) (1)
冷空气从集热棚四周进入集热棚向中心流动的过程一般是先形成层流边界层,然后过渡到紊流边界层。因此,根据流体沿平板强迫对流时的换热公式,集热棚内整个区域的平均对流换热系数可用式
(2)求得:
num=αlλ=0.037(re4/5l-23500)pr1/3(2)
如果忽略入口附近的层流的影响,按紊流来计算平均换热系数,可简化为:
α=0.037λlre4/5lpr1/3(3)
沿平板流动的雷诺数以及普朗特数可分别表示为式(4)和式(5):
rel=ulυ(4)
pr =υa(5)
圆形平面的几何特征尺度可表示为式(6):
l =πr (6)
将式(4)、(5)、(6)代入式(3)中,可得出最终的平均对流换热系数为:
α=0.037λ
πr
πur
v
4/5v
α
1/3
(7)
假定对流换热的热量全部转化为棚内空气的温度升高,空气获得的热量为:
.q = m•cp(tm-ta) =αa(ts- ti) (8)
空气的质量流率可用入口的空气量表示:m•= apu0ρa=2πrhpu0ρa(9)
由于空气进入集热棚后,存在一个突扩的压力损失过程,突扩后的速度减小可表示为:
u = u0ε(10)
由式(7)、(8)、(9)、(10)可以求得入口空气的流速:
u0=0.037251πλ5ρ5ac5pa5/3v7/3r4ε4h5pts- titm- ta5
4•1•2 烟囱中空气热能到动能的转换
高温空气从进入烟囱底部后,由于烟囱效应,流速将加快,烟囱中流速与压差的关系为:
δp =12ρmu2c(12)
烟囱底部和顶部的压差可用烟囱顶部和底部的空气密度差来表示:
δp = (ρt-ρm)ghc(13)
空气密度与温度关系为:
ρttt=ρmtm(14)
由式(11)、式(12)、式(13),可得出烟囱中流速
与温度的关系:
uc=2tmtt-1ghc1/2(15)
烟囱顶部的温度可用标准空气直减率γa(一般
为6.5℃/km)求得:
tt= ta-γahc(16)
标准空气直减率γa一般取6•5℃/km,100m高
的烟囱顶部温度仅下降0•65℃,因此一般取tt≈ta,将其代入式(15)中可得出烟囱的底部和顶部温差与烟囱内气流速度的关系:tm- ta=ta2ghcu2c(17)
4•1•3 空气动能到涡轮发电机电能的转换涡轮发电机的瞬时功率可表示为:
pr=ηr12ρmu3cac(18)式中烟囱的截面积可表示为:ac=πr2(19)
根据质量连续性方程,进入集热棚底部的空气量与烟囱中流动的空气量相等,有以下质量平衡关系式:
m•= apu0ρa= acucρm(20)
代入面积的计算公式,可得出烟囱中气流速度与集热棚入口空气流速关系:
2πrhpu0ρa=πr2ucρm(21)
由式(11)和式(21),可以得出烟囱空气流速计算公式:
uc=2π0.03625λ5ρmρ4ac5pa5/3v7/3r5ε4h4pr2ts-titm-ta5
(22)
将反映烟囱效应的关系式(17)代入上式,可得出反映烟囱效应的烟囱内空气流速的计算公式:uc=2π(0.037)5λ5g5ρmρ4ac5pa5/3v7/3ε4r5h5c
h4pr2
ts- ti
ta
5 1/11
(23)
将上式代入式(18)中,得出涡轮发电机的功率计算公式为:
pr=0.018ηrρ8mλ15g15ρ12ac15pa5v7ts- tita15ε12γ16r15h15c
h12p1/11
(24)
由上面的发电功率的计算公式可以看出太阳能烟囱发电系统的发电功率主要由3部分因素决定:公式括弧中的第一项代表空气的特性参数,反映了发电功率与温度的间接函数关系;公式括弧中的第二项表示了发电功率与空气温度、地面温度的直接函数关系;公式括弧中的最后一项表示了发电功率与太阳能烟囱发电系统的几何尺寸关系。从最后一项可以看出随着集热棚的直径和烟囱高度的增加,发电功率提高,与robert richards等人在西班牙manzanares建成的第一座太阳能烟囱发电站的早期研究结果相一致。
烟囱高度h之间的关系[1]
4•2 太阳能烟囱发电技术中能量转换效率太阳能烟囱发电技术的总能量转换效率也是由上面所讨论的三个能量转化过程的分效率所决定
η=ηvηwηr(25)
其中太阳能到空气热能的转换的转换效率为:
ηv=m•cp(tm- ta)πr2i(26)
空气热能到风能的转换效率可表示为:
ηw=acucδp
m•cp(tm- ta)(27)
风能到电能的转换效率的主要取决涡轮发电机组的效率,一般为40~80%。
5 太阳能烟囱发电技术的优缺点
5•1 太阳能烟囱发电技术优点
太阳能烟囱发电技术之所以受到广泛的关注,主要因为它具有以下优点:
1)太阳能烟囱发电技术是环境友好的清洁能源,不会象化石能源产生环境污染,太阳能几乎是取之不尽,用之不竭,太阳能烟囱发电技术是可再生能源的开发利用,对缓解日益严重的能源危机有重要意义。
2)太阳能烟囱发电技术适合于建在人口稀少的闲置的土地上,这对于耕地面积锐减的当今世界也具有重要的现实意义,因此太阳能烟囱发电技术特别适合于我国广阔的西部地区,为我国的西部大开发做出独特的贡献。
3)太阳能烟囱发电技术是一种很好的太阳能转化技术,集热棚地面吸收的太阳能不但白天能够发电,而且晚上也能释放能量,保证发电机组的连续运行。
4)太阳能集热棚以及烟囱材料均可以使用现有的常规材料,设备较其它发电技术简单,运行费用低;而且设备规模越大,功率越大,发电的效率也越高,经济性上适合于建立大功率的太阳能烟囱发电站。
5)太阳能烟囱发电技术除了在能源开发上被利用以外,近年来用于改善局部地区的空气扩散,消除局部空气污染上的研究报道也很多[12~13]。
5•2 太阳能烟囱发电技术缺点
太阳能烟囱发电技术自从1978年的西班牙的第一座示范工程以来,至今仍没有建成大规模的太阳能发电站,主要因为该技术还存在以下缺点:
1)集热棚的透明材料,很容易被尘土盖上,不易清洗,使透明材料的热交换效率下降。
2)在大风下,透明材料易被破坏。
3)超高烟囱的防风防震的安全问题也值得进一步探讨,目前世界上最高的人工建筑物是加拿大的多伦多电视塔只有550m高。
4)与普通的风力机相比,大结构的太阳能烟囱内的涡轮发电机在经济上是不合算的。
5•3 发展太阳能烟囱发电技术的建议针对以上缺点,可以采取以下措施进行改进:
1)太阳能烟囱除了进行发电以外,还可以利用涡轮机旋转的动能直接抽取地下水,一方面适合于干旱地区农业灌溉,另一方面可进行集热棚透明材料的清洗。
2)可以在太阳能烟囱上安装风力发电机,利用风能和太阳能进行互补,一方面提高发电功率,另一方面削减大风对太阳能烟囱装备的破坏。
3)可以对太阳能集热棚和烟囱内温度场和流动场进行三维数值模拟计算,优化太阳能烟囱发电装备的结构和效率,目前我们正在从事这方面的研究工作。
4)研究太阳能烟囱改善局部空气扩散,消除局部的大气污染是太阳能烟囱技术的一个新的热点。
6 结语
1)太阳能烟囱发电技术的能量转化过程及效率主要由三个部分组成,可用下面流程简图表示:太阳能太阳能集热棚热能烟囱风能涡轮发电机电能。
2)太阳能烟囱发电技术是环境友好的清洁能源技术,非常适合于我国西部地区.
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