一种新型的风光耦合发电方式*

魏毅立，王 琼

(内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头 014010)

太阳能由于其具有清洁、安全、无污染、可再生且储量极大等优点，在现代可再生能源领域得到了极大的重视，开发和利用太阳能成为了人类社会的共识。从20世纪80年代开始至本世纪初期，英国、西班牙的科研人员在太阳能热气流发电领域做了大量的研究与实践工作。与此同时在理论研究上，国内外的科研人员在大量研究数据的支撑下发表了众多论文，内容涉及各种热力方程的建立、应用，也包含涡轮机性能改进与能量转换效率，甚至包括对周边环境影响等问题。太阳能热气流发电站通常有集热棚、塔筒和涡轮机三大基本组成部分。集热棚接收太阳能使塔筒形成内外温差，从而产生塔筒抽吸力，在抽吸力作用下形成热空气流，热空气流推动系统中安装的涡轮发电机组使其发电［1］。此发电系统不仅能够进行太阳能发电，而且可以进行太阳能和风能混合发电。由可控进风口及太阳能热气流发电系统组成了一种能够利用自然风能和太阳能的发电方式，其被称为太阳能热风发电［2］。在乌海实施建设了沙漠太阳能热风发电系统，于2010年10月并网发电，该电站建在沙漠上，覆盖大片的沙漠，减少沙尘，底部隔水设计，可减少沙漠水蒸发量，雨水收集系统可灌溉绿化部分沙漠，不会产生任何污染，环保性能极好［3］。乌海太阳能热风发电站如图1所示。

图1 乌海沙漠太阳能热风发电站

1 水平轴和垂直轴涡轮发电机组的选型

太阳能集热棚用于大面积收集低能量密度的太阳辐射能并将其转化为棚内空气的热能，从而使位于集热棚中央的导流塔筒两端产生压力差，并在导流塔筒和集热棚内产生强大气流以驱动涡轮发电机组发电［4］。采用垂直轴涡轮发电机组的热风发电系统只需安装一台涡轮发电机组，并且一般安装在塔筒底部。水平轴风力发电机组可选用多台发电机组，降低每台发电机组的容量。因为水平轴风力发电机组比垂直风力发电机组的制造技术成熟，所以选用水平轴风力发电机组。

选用的水平轴风力发电机组安装在集热棚下面的塔筒底部附近，共设有5组涡轮发电机组，每组涡轮发电机组容量为40 kW。集热棚透光材料采用玻璃，并用钢结构支撑。在集热棚和塔筒之间设有圆形的月亮门，月亮门是集热棚和塔筒的连接环节。集热棚内加热的空气经月亮门流过，在中空的月亮门圆形轴部位同轴安装风力发电机风轮，风轮采用成熟的三桨叶升力型叶片［5］。

2 结构设计

乌海太阳能热风发电站的设计主要包括集热棚、塔筒设计和涡轮机的选型，其中集热棚和塔筒的设计是整体工程项目经济合理的决定因素。本文在进行集热棚和塔筒设计时，主要考虑了以下因素：

(1)集热棚的设计与所在场址的太阳能资源特征匹配，使得太阳能资源能够得到充分利用［6-9］。

(2)根据集热棚和塔筒的作用及性质，综合考虑二者的建设难度和造价等经济因素，合理设计装机容量。

(3)集热棚和塔筒的气密性要很好，热风流在棚内和塔筒内流动时，没有质量损失，不会影响到塔筒抽吸力以及热风流的速度和发电效率［7］。

(4)考虑场址实际情况，设备的安装、运输条件以及运行维护条件是否满足建设条件。

(5)结合集热棚和塔筒的尺寸确定涡轮发电机的各项参数值。

2.1 集热棚的设计

太阳能集热棚是太阳能和自然风能的一个有效捕集系统，在集热棚的中央建造竖直塔筒，在塔筒底部和太阳能集热棚透明盖板的下面为热风通道，在集热棚和塔筒连接处设有热风通道口，通道口为圆形。集热棚的热气流通过圆形通道进入塔筒，月亮门上安装的风力发电机组的上风口可认为是集热棚的出口。

集热棚的面积越大，加热空气流的温升越高，在塔筒底部所产生的压差越大，热风平均速度也越大。结合乌海金沙湾太阳能资源状况，集热棚采用钢化玻璃制成，高效吸收太阳辐射能(短波辐射)进入系统内部。

当自然风能功率为零时，设太阳能发电功率为2.5 kW。已知太阳常数ISG=1 370 W/m2，取太阳能吸收系数ε=0.2，发电系统的热能转化效率η=0.15%，得到集热棚吸收太阳能的有效面积A1为

集热棚实际建设面积A1为6 170 m2。集热棚外形轮廓呈近似椭圆形，设有13个可控进风口(如图2所示)，自动调节可控进风口，可以使迎向自然风能的进风口打开，当地主要是西北风，可控风门的设计大多迎向西北方向，图2中可控进风口1～11朝向西北方向。该设计创造性地利用了风能，增加了发电量，降低了发电成本。当有风时，系统打开迎风的进风口，自动调节进风量，风力增加了涡轮机的驱动力，可直接利用太阳能和自然风能通过同一套机组同时发电。

图2 发电系统俯视示意图

集热棚倾斜度的选取主要依据当地的太阳辐射角，当辐照表面倾斜的角度与当地的纬度相同时，太阳对表面的辐照最强。沙子中水分蒸发时，要吸收汽化潜热，降低了太阳能利用率，因此，在沙子上敷设隔水层，隔水层的设置可以减少水分的蒸发量，有利于集热棚周边的绿化。隔水层上可以敷盖当地沙子，在沙子上敷盖卵石，以防沙子流动，沙子和卵石还具有储能的功能。由于温室作用，蓄热介质向上发射长波辐射，集热棚能够很好地阻隔地面发出的长波辐射，可有效加热集热棚内的空气［8］。

2.2 塔筒的设计

太阳能热风发电的塔筒需要相对薄的加固的环形壳壁。塔筒高度是塔筒结构主要参数之一［9］。图3为热风发电塔筒截面示意图。

已知每台发电机额定功率为40 kW，尾流空气密度ρ2=1.25 kg/m3，风力发电机风能利用系数Kp=0.35。设额定尾流风速υ2=13.1 m/s，把以上参数代入文献［10］中的数学模型得风轮尾流截面积A2=52.8 m2。

5台发电机组全部额定功率运行时，5台发电机组风轮尾流全部流入塔筒，因此塔筒截面积应为5倍的风轮尾流截面积A2，所以有A3=5A2=264 m2，塔筒内径d3=18.3 m，实际建设时d3为18.5 m，A3为269 m2。

当输出功率Pout=2.5 kW时，根据文献［10］中的数学模型可计算出风速 υ2=5.20 m/s，设WP=0，可得

图3 热风发电塔筒截面示意图

设环境温度T=300K，可以计算出塔筒有效高度h=67.39 m，实际建设时塔筒总高度为53 m，h0为7.1 m，实际塔筒有效高度h为45.9 m。

3 用集热棚吸收功率曲线和塔筒结构曲线求解热风速度

热风速度υ2和集热棚出口温度T1是发电系统的重要参数，发电系统吸收能量功率方程曲线与塔筒结构特征方程曲线的交点就是发电系统运行的热风风速 υ2和温度T1［11］。

由图4可知，塔筒结构特征曲线斜率为正，集热棚吸收功率曲线斜率为负，因此，这两条曲线必然有一交点，即稳态数学模型有唯一解，并且解是稳定的。发电系统稳态时，运行稳定［12］。

图4 集热棚吸收功率曲线和塔筒结构曲线

4 实际运行结果

在乌海实施建设的沙漠太阳能热风发电系统的塔筒高度为53 m，集热棚面积为6 300 m2。图5和图6分别为某日13时55分到14时25分和某日10时03分到11时33分的光照、环境风速及发电输出功率曲线。

从图5、图6中可以看出，当平均环境风速在2 m/s时，发电系统输出的平均功率为3 kW。但是当外界平均环境风速达到17 m/s，发电系统输出的平均功率将达到30 kW，它是前者的输出功率的10倍。所以该发电系统可以充分利用自然风能进行发电，乌海沙漠太阳能热风发电是一种结合了风能的太阳能热气流发电的新型太阳能风能耦合发电方式。

图5 某日13时55分到14时25分的光照、环境风速及发电输出功率曲线

图6 某日10时03分到10时33分的光照、环境风速及发电输出功率曲线

5 结论

太阳能热风发电方式能够进行太阳能与自然风能混合发电。热风发电的特点是发电过程无需水，并且可以固定沙子、减少蒸发量、绿化部分沙漠。由于太阳能热风发电的主体是钢混凝土，所以发电寿命远大于光伏发电。提高太阳能热风发电量的途径是升高塔筒高度、提高集热棚吸收能量的功率。本文的研究为太阳能热风发电系统的建设提供了理论支撑及具体的技术指导，对研究推广这一新兴技术，缓解能源压力，保护环境有着重大的意义。

［1］魏毅立.一种风光混合发电或风能发电的方法：中国，ZL200910004172.5［P］.2012-08-15.

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