太阳能热气流发电
摘要
太阳能热气流发电系统（Solar Chimney Power Plant System, 简称Solar Chimney 或SC ）。它所采用的集能源替代、环境保护、生态重建于一体的太阳能热气流发电技术将更好地调和目前能源利用与环境之间的矛盾，实现能源与环境的协调发展。而大规模太阳能热气流发电系统的利用则成为可再生能源发电的一种新方式。由此可见，此课题是一种不烧煤、不排污、不用水，社会效益和经济效益皆优的可再生绿色能源，因此，太阳能热气流既符合国家能源政策和开发可再生能源的要求，又达到了节约能源保护环境的指标，为解决我国能源困境提供了一条有效途径。当今，相关人士对太阳能热气流发电技术从不同领域的深入研究并提出一些新型课题， 以求最大限度地造福人类。本文着重介绍太阳能热气流发电的研究现状。
关键字： 太阳能热气流发电系统 可再生能源发电 研究现状
引言
为从根本上扭转我国能源面临的资源短缺、需求增势高、结构不合理、环境压力大等困境，本文从国情出发，提出充分利用我国广大荒漠化、沙化土地及其太阳能资源，大规模开发太阳能热气流发电，大幅度提高电力在终端能源结构中的比重，处理好与其它类型发电的兼容性与互补性，从根本上改善现行不合理的能源结构，将是在聚变能实现前即本世纪上半叶乃至中叶，解决我国能源困境的有效途径。太阳能热气流发电与风能的大规模互补联合开发，将有利于提高供电稳定性和电能质量，实现大面积荒漠绿化、沙尘暴治理和局域气候改善；发展基于太阳能热气流发电的电解制氢和海水淡化，将缓解我国油、气、水资源之不足；利用节余燃煤发展煤的液化、气化可进一步弥补我国油、气不足。
正文
1 原理
利用烟囱中向上流动的热气流驱动风轮做功，并不是今天的新概念，早在20世纪前就有这样的提法。由于现代技术和材料科学的发展，可以建造高大的烟囱，使得太阳能热气流发电在技术上已经变得可行。此外，油价的上涨及环保的要求，使太阳能热气流发电逐渐成为人们开发利用新能源的一个值得探索的途径。
在以大气为吸热材料的巨大篷式地面太阳空气集热器的中央，建造高大的竖直烟囱。烟囱的地步在近空气集热器透明盖板的下面开吸风口，上面安装风轮。地面空气集热器根据温室效应产生热空气，从吸风口进入烟囱，形成热气流，驱动安装在烟囱内的风轮带动发电机发电，这就是太阳能热气流发电的原理。
太阳能热气流电站的实际构造由3部分组成：大篷式地面空气集热器、烟囱和风力机。
太阳能热气流发电站的地面空气集热器，是一个近地面一定高度、罩着透明材料的大篷。阳光透过透明材料直接照射到大地上，大约有50% 太阳辐射能量为土地所吸收，其中1/3的热量加热罩篷内的空气，1/3的热量贮于土壤，1/3的热量用于反射辐射和对流热损失。所以，大地是太阳能热气流电站的蓄热槽。
形成的热空气在烟囱中流动，理论上是由于烟囱内外侧空气的温差，也就是密度差，产生了驱动空气在烟囱内向上流动的动力。这里的烟囱是将空气中的热能转化为压力能的变换器。烟囱的效率随其高度而线性增大，并几乎保持恒定地下降到温差只有几度时的效率值。
2 出现的一些太阳能热气流发电方法
2.1一种新型的太阳能热气流风力发电方法
风力发电机在自然风能发电的基础上叠加热气流的风能发电，该热气流是利用太阳能产生的热量对风力发电系统塔架导风筒底部的空气加热，由于筒状塔架导风筒的拔风效应，塔架导风筒底部的热空气将以热气流的形式沿塔架内腔高速上升，该热气流产生的风力去驱动位于塔架内部的涡轮旋转，该涡轮通过传动轴与风力发电机机舱的齿轮箱内部的齿轮连接，驱动风力发电机。热气流通过集热装置收集太阳能，该集热装置为一上下开口呈锥面塔形结构；其顶部开口与塔架的导风筒部分下端开口匹配相连，底部固定于底座或支架。集热装置将太阳能转化为热能，加热塔架导风筒底部锥形塔内部的空气，内部空气越热，塔架导风筒内部的热气流风速越大，塔架内部的涡轮转速也就越大。旋转的涡轮通过传动轴和风力发电机内部的齿轮箱驱动风力发电机发电。
2.2山体竖井式烟囱高效太阳能热气流发电系统
2.3依托高楼的新型太阳能热气流电站系统
2.4沙漠温度差发电
3我国太阳能热气流发电技术的现状
在国内建设太阳能热气流电站还可实现以下三个方面的目标：
3.1化石能源替
我国能源资源正在迅速减少，要解决化石能源匮乏的问题，必须尽快发展新能源，而太阳能热气流发电可望成为最容易而且是最可能实现的太阳能低温发电新模型。
3.2环境改善
我国建造的以煤为主的火电站造成了巨大的环境污染，根据目前的国际国内形势，以化石能源为主的火力发电模式在围际上将逐渐被取代，而生物质发电模式、风能发电模式和太阳能高温热发电模式均存在一些自身难以克服的弱点，因此，大规模发展太阳能低温发电站将成为大势所趋。
3.3生态重建
目前有专家认为，太阳能热气流发电系统效率低，占地空间大。不适于发展。但是在西部的戈壁地区，建造多个太阳能热气流发电站，抽取地下水，用以灌溉集热棚内的植物，可形成湿润的空气，从而可以大大改善当地的气候环境，实现生态重建。一旦在中国西部戈壁地区建造太阳能热气流发电系统群，形成几百甚至数千km 的局部新万方数据
4 太阳能热气流发电技术的优缺点
以空气作为塔式太阳能热发电系统的吸热与传热介质有以下优点：
(1)从大气来，到大气去；取之不尽，用之不竭，不污染环境；(2)没有因相变来的麻烦；(3)允许很高的工作温度；(4)易于运行和维护，启动快，无须附加的保温和冷启动加热系统。
与太阳能热发电相比，新型的太阳能热气流发电系统具有设计简单、取材方便、运行可靠、运动部件少、维修方便、维修及运营成本低廉、无环境污染、昼夜运行连续稳定、使用周期长等特点。具体体现在以下几个方面：
能量收集稳定, 技术简洁廉价, 荒漠环境改善。可解决缺电或少电的发展中国家和地区的电力需求，具有过阔的应用前景。
研究表明，影响电站运行特性的因素有云遮、空气中的尘埃、集热器的清洁度、土壤特性、环境风速、大气温度叠层、环境气温及大篷和烟囱的结构质量等。
太阳能热气流发电系统也存在着一些缺点：例如运行效率低，烟囱太高，电站体型巨大，施工建造困难、一次性投资过高，成本相对较高，风险较大等。此外，电站长期运行后，大量灰尘将粘附在焦热棚影响其清洁度。
5 太阳能热气流发电技术展望
荒漠化问题是影响我国西部大开发的核心问题，也是威胁人类生存和发展的环境问题。我国西部大部分地区亦属沙漠化脆弱生态环境。应用太阳能热气流发电技术，还有地下水地区使用电力抽水灌溉，可使荒漠化得到更为有效的治理。同时，还可利用电站集热棚这一巨大的温室，在自其入口至出口的大部分区域沿程种植各种适合不同温度特性的农作物。它所完成的化石能源替代、环境改善、生态重建这三大目标将普惠千秋万代！
5.1高效太阳能热气流发电系统的可行性分析
太阳能热气流（烟囱式）发电技术现状我国太阳能热发电技术的研发工作始于20世纪70年代末，由于工艺、材料、部件及相关技术未得到根本解决，国家相关政策及研发导向重视程度不够，研发经费不足，使热发电项目的研发相对滞后，至今研发太阳能热气流发电系统示范性电站的工作尚未进行。因此，我国太阳能热发电技术与国外差距很大。
5.2太阳能热气流发电系统透平发电及其能量损失
对MW 级太阳能热气流发电系统进行的二维稳态数值模拟计算结果表明：太阳辐射和透平压降对系统输出功率以及系统出口参数的影响均非常显著；当太阳辐射高于400W/m，透平压降高于300Pa 时，系统输出功率可达1MW 以上，大流量的流体流出烟囱是造成系统能量损失的主要因素，集热篷顶棚也会引起较高的能量损失。
另外，还有太阳能热气流发电系统非稳态数值模拟；太阳能热气流透平发电系统流动和传热特性分析；太阳能热气流发电系统流道优化研究；提出的斜坡太阳能热气流发电系统新概念等方面都取得而很大的进展。
6 结束语
巨大的太阳能是地球上万物生长之源。作为一种新型的清洁能源，太阳能发 电在电力行业正在蓬勃发展。其中的太阳能热气流发电是太阳能热发电的一种重要形式。太阳能热气流发电有其特有的优势，将是未来能源发展的趋势。
参考文献：
[1] 刘伟，明廷臻，杨昆，等．MW 级太阳能热气流电站传热和流动特性研究[J].华中科技大学学报(自然科学版），2005，33(8)：5-7
[2] 欧阳穗，高伟，黄树红等．太阳能热气流电站中涡轮机流动特性分析[J]．可再生能源，2007(5)：8-12
[3] 沈洪嘉．高效太阳能热气流发电系统的可行性分析[J]．中国建设动态：阳光能源，2006(1)：72-74
[4] 明廷臻，刘伟，高敏，等．太阳能热气流电站透平布置 位置研究[J].可再生能源，2006(5)：6-8
[5] 明廷臻，刘伟，许国良，等．太阳能热气流发电系统非稳定耦合数值分析[J]．中国电机工程学报，2008，28 (5)：90-95
太阳能热气流发电
摘要
太阳能热气流发电系统（Solar Chimney Power Plant System, 简称Solar Chimney 或SC ）。它所采用的集能源替代、环境保护、生态重建于一体的太阳能热气流发电技术将更好地调和目前能源利用与环境之间的矛盾，实现能源与环境的协调发展。而大规模太阳能热气流发电系统的利用则成为可再生能源发电的一种新方式。由此可见，此课题是一种不烧煤、不排污、不用水，社会效益和经济效益皆优的可再生绿色能源，因此，太阳能热气流既符合国家能源政策和开发可再生能源的要求，又达到了节约能源保护环境的指标，为解决我国能源困境提供了一条有效途径。当今，相关人士对太阳能热气流发电技术从不同领域的深入研究并提出一些新型课题， 以求最大限度地造福人类。本文着重介绍太阳能热气流发电的研究现状。
关键字： 太阳能热气流发电系统 可再生能源发电 研究现状
引言
为从根本上扭转我国能源面临的资源短缺、需求增势高、结构不合理、环境压力大等困境，本文从国情出发，提出充分利用我国广大荒漠化、沙化土地及其太阳能资源，大规模开发太阳能热气流发电，大幅度提高电力在终端能源结构中的比重，处理好与其它类型发电的兼容性与互补性，从根本上改善现行不合理的能源结构，将是在聚变能实现前即本世纪上半叶乃至中叶，解决我国能源困境的有效途径。太阳能热气流发电与风能的大规模互补联合开发，将有利于提高供电稳定性和电能质量，实现大面积荒漠绿化、沙尘暴治理和局域气候改善；发展基于太阳能热气流发电的电解制氢和海水淡化，将缓解我国油、气、水资源之不足；利用节余燃煤发展煤的液化、气化可进一步弥补我国油、气不足。
正文
1 原理
利用烟囱中向上流动的热气流驱动风轮做功，并不是今天的新概念，早在20世纪前就有这样的提法。由于现代技术和材料科学的发展，可以建造高大的烟囱，使得太阳能热气流发电在技术上已经变得可行。此外，油价的上涨及环保的要求，使太阳能热气流发电逐渐成为人们开发利用新能源的一个值得探索的途径。
在以大气为吸热材料的巨大篷式地面太阳空气集热器的中央，建造高大的竖直烟囱。烟囱的地步在近空气集热器透明盖板的下面开吸风口，上面安装风轮。地面空气集热器根据温室效应产生热空气，从吸风口进入烟囱，形成热气流，驱动安装在烟囱内的风轮带动发电机发电，这就是太阳能热气流发电的原理。
太阳能热气流电站的实际构造由3部分组成：大篷式地面空气集热器、烟囱和风力机。
太阳能热气流发电站的地面空气集热器，是一个近地面一定高度、罩着透明材料的大篷。阳光透过透明材料直接照射到大地上，大约有50% 太阳辐射能量为土地所吸收，其中1/3的热量加热罩篷内的空气，1/3的热量贮于土壤，1/3的热量用于反射辐射和对流热损失。所以，大地是太阳能热气流电站的蓄热槽。
形成的热空气在烟囱中流动，理论上是由于烟囱内外侧空气的温差，也就是密度差，产生了驱动空气在烟囱内向上流动的动力。这里的烟囱是将空气中的热能转化为压力能的变换器。烟囱的效率随其高度而线性增大，并几乎保持恒定地下降到温差只有几度时的效率值。
2 出现的一些太阳能热气流发电方法
2.1一种新型的太阳能热气流风力发电方法
风力发电机在自然风能发电的基础上叠加热气流的风能发电，该热气流是利用太阳能产生的热量对风力发电系统塔架导风筒底部的空气加热，由于筒状塔架导风筒的拔风效应，塔架导风筒底部的热空气将以热气流的形式沿塔架内腔高速上升，该热气流产生的风力去驱动位于塔架内部的涡轮旋转，该涡轮通过传动轴与风力发电机机舱的齿轮箱内部的齿轮连接，驱动风力发电机。热气流通过集热装置收集太阳能，该集热装置为一上下开口呈锥面塔形结构；其顶部开口与塔架的导风筒部分下端开口匹配相连，底部固定于底座或支架。集热装置将太阳能转化为热能，加热塔架导风筒底部锥形塔内部的空气，内部空气越热，塔架导风筒内部的热气流风速越大，塔架内部的涡轮转速也就越大。旋转的涡轮通过传动轴和风力发电机内部的齿轮箱驱动风力发电机发电。
2.2山体竖井式烟囱高效太阳能热气流发电系统
2.3依托高楼的新型太阳能热气流电站系统
2.4沙漠温度差发电
3我国太阳能热气流发电技术的现状
在国内建设太阳能热气流电站还可实现以下三个方面的目标：
3.1化石能源替
我国能源资源正在迅速减少，要解决化石能源匮乏的问题，必须尽快发展新能源，而太阳能热气流发电可望成为最容易而且是最可能实现的太阳能低温发电新模型。
3.2环境改善
我国建造的以煤为主的火电站造成了巨大的环境污染，根据目前的国际国内形势，以化石能源为主的火力发电模式在围际上将逐渐被取代，而生物质发电模式、风能发电模式和太阳能高温热发电模式均存在一些自身难以克服的弱点，因此，大规模发展太阳能低温发电站将成为大势所趋。
3.3生态重建
目前有专家认为，太阳能热气流发电系统效率低，占地空间大。不适于发展。但是在西部的戈壁地区，建造多个太阳能热气流发电站，抽取地下水，用以灌溉集热棚内的植物，可形成湿润的空气，从而可以大大改善当地的气候环境，实现生态重建。一旦在中国西部戈壁地区建造太阳能热气流发电系统群，形成几百甚至数千km 的局部新万方数据
4 太阳能热气流发电技术的优缺点
以空气作为塔式太阳能热发电系统的吸热与传热介质有以下优点：
(1)从大气来，到大气去；取之不尽，用之不竭，不污染环境；(2)没有因相变来的麻烦；(3)允许很高的工作温度；(4)易于运行和维护，启动快，无须附加的保温和冷启动加热系统。
与太阳能热发电相比，新型的太阳能热气流发电系统具有设计简单、取材方便、运行可靠、运动部件少、维修方便、维修及运营成本低廉、无环境污染、昼夜运行连续稳定、使用周期长等特点。具体体现在以下几个方面：
能量收集稳定, 技术简洁廉价, 荒漠环境改善。可解决缺电或少电的发展中国家和地区的电力需求，具有过阔的应用前景。
研究表明，影响电站运行特性的因素有云遮、空气中的尘埃、集热器的清洁度、土壤特性、环境风速、大气温度叠层、环境气温及大篷和烟囱的结构质量等。
太阳能热气流发电系统也存在着一些缺点：例如运行效率低，烟囱太高，电站体型巨大，施工建造困难、一次性投资过高，成本相对较高，风险较大等。此外，电站长期运行后，大量灰尘将粘附在焦热棚影响其清洁度。
5 太阳能热气流发电技术展望
荒漠化问题是影响我国西部大开发的核心问题，也是威胁人类生存和发展的环境问题。我国西部大部分地区亦属沙漠化脆弱生态环境。应用太阳能热气流发电技术，还有地下水地区使用电力抽水灌溉，可使荒漠化得到更为有效的治理。同时，还可利用电站集热棚这一巨大的温室，在自其入口至出口的大部分区域沿程种植各种适合不同温度特性的农作物。它所完成的化石能源替代、环境改善、生态重建这三大目标将普惠千秋万代！
5.1高效太阳能热气流发电系统的可行性分析
太阳能热气流（烟囱式）发电技术现状我国太阳能热发电技术的研发工作始于20世纪70年代末，由于工艺、材料、部件及相关技术未得到根本解决，国家相关政策及研发导向重视程度不够，研发经费不足，使热发电项目的研发相对滞后，至今研发太阳能热气流发电系统示范性电站的工作尚未进行。因此，我国太阳能热发电技术与国外差距很大。
5.2太阳能热气流发电系统透平发电及其能量损失
对MW 级太阳能热气流发电系统进行的二维稳态数值模拟计算结果表明：太阳辐射和透平压降对系统输出功率以及系统出口参数的影响均非常显著；当太阳辐射高于400W/m，透平压降高于300Pa 时，系统输出功率可达1MW 以上，大流量的流体流出烟囱是造成系统能量损失的主要因素，集热篷顶棚也会引起较高的能量损失。
另外，还有太阳能热气流发电系统非稳态数值模拟；太阳能热气流透平发电系统流动和传热特性分析；太阳能热气流发电系统流道优化研究；提出的斜坡太阳能热气流发电系统新概念等方面都取得而很大的进展。
6 结束语
巨大的太阳能是地球上万物生长之源。作为一种新型的清洁能源，太阳能发 电在电力行业正在蓬勃发展。其中的太阳能热气流发电是太阳能热发电的一种重要形式。太阳能热气流发电有其特有的优势，将是未来能源发展的趋势。
参考文献：
[1] 刘伟，明廷臻，杨昆，等．MW 级太阳能热气流电站传热和流动特性研究[J].华中科技大学学报(自然科学版），2005，33(8)：5-7
[2] 欧阳穗，高伟，黄树红等．太阳能热气流电站中涡轮机流动特性分析[J]．可再生能源，2007(5)：8-12
[3] 沈洪嘉．高效太阳能热气流发电系统的可行性分析[J]．中国建设动态：阳光能源，2006(1)：72-74
[4] 明廷臻，刘伟，高敏，等．太阳能热气流电站透平布置 位置研究[J].可再生能源，2006(5)：6-8
[5] 明廷臻，刘伟，许国良，等．太阳能热气流发电系统非稳定耦合数值分析[J]．中国电机工程学报，2008，28 (5)：90-95