太阳能烟囱发电技术探索概述

2020-01-01南京医科大学第二附属医院孙可亮张奇杨先锋郭培

太阳能 2019年12期

南京医科大学第二附属医院 ■ 孙可亮张奇杨先锋郭培

0 引言

随着社会经济的发展、人口数量的增多，以及人们生活标准的不断提高，能源发展和生态环境面临着前所未有的压力，大力开发清洁可再生能源是建设清洁低碳、高效安全的现代化能源体系的必由之路。太阳能具有资源丰富、清洁、分布广泛、用之不竭的特点，在未来的能源系统中将扮演越来越重要的角色。太阳能烟囱发电(Solar Chimney Power，SCP)技术，又称为太阳能热空气发电(Solar Aero-Electric Power，SAEP)，是一种依靠集热棚收集太阳能，再利用烟囱效应驱动涡轮发电机进行发电的新型发电系统[1-3]。该系统的概念首先由Cabanyes于1903年提出，但在1978年由德国的Schlaich教授再次提及后才得到广泛关注[1]。1981年，前西德政府与西班牙电力公司历时2年，在西班牙Manzanares地区建造了世界上第一座太阳能烟囱发电站(Solar Chimney Power Plant，SCPP)，证明了SCP系统的可行性[1]，继而掀起了研究热潮。但由于SCP系统的初期投资大、资金回收周期长，企业与政府的投资热情不高[4]，迄今为止，全球尚未有兆瓦级的大型SCPP。现有研究大多是围绕SCP系统的结构优化、效率提升、成本降低等方面展开的理论分析和数值模拟，以及具有探索性质的小试、中试试验研究。

本文首先介绍了SCP系统的结构、运行原理和特点，对SCP技术的理论和试验研究的进展进行了概述，探讨了影响SCP系统性能的关键因素，以及该系统的运行特性及强化措施，并预测了其未来的发展趋势。

1 SCP系统的特点

SCP系统的结构图如图1所示[4]，主要包括集热棚、涡轮发电机、导流塔或烟囱(Solar Chimney)和蓄热层4部分。其中，集热棚由金属支架支撑，以玻璃、薄膜等透明材料覆盖，集热棚由边缘向内具有一定的坡度，地面为蓄热层(土壤、砂石等)，烟囱伫立在集热棚中央，其底部配以涡轮发电机。白天，太阳短波辐射透过集热棚直接加热蓄热层，而蓄热层向上释放的长波辐射被集热棚阻挡，形成温室效应，致使棚中空气的温度升高。由于空气密度随温度的增加而减小，热空气在上浮过程中向集热棚中央区域流动，再加上烟囱效应产生的巨大抽力，烟囱内会产生强烈的上升气流，推动其底部的涡轮发电机发电。晚间，蓄热层积蓄的热量缓慢散发，再辅以自然风，则可实现不间断发电。

图1 SCP系统的结构示意图[4]

SCP系统依靠温室效应和烟囱效应驱动涡轮发电机发电，与太阳能热发电、光伏发电技术相比，其优势体现在技术门槛低、维护方便、可持续运行、环境效益更佳这4个方面。例如，SCP系统中集热棚和烟囱的建造，以及其所采用的涡轮发电机的技术均十分成熟，相对而言，太阳能热利用中的玻璃-金属封接和高温集热器的制造，以及光伏发电中的太阳电池生产等技术壁垒则高得多。SCP系统在建造和运营过程中对环境的影响较小，相较而言，太阳电池生产过程中的能耗和污染稍高，太阳能中高温集热电站采用的导热油、熔盐等蓄热工质也存在泄露污染的风险。此外，由于SCP系统中存在蓄热层，运行过程中太阳辐射的间歇性波动不会影响电量的稳定输出，所以透平和发电机是SCP系统中仅有的运动部件，维护成本极低。对于太阳能资源丰富且人烟稀少的广阔荒漠地区，SCP技术的应用除了能够发电，还可抑制沙尘，降低地表水的蒸发量。

然而，由于SCP技术的本质仍为太阳能热发电，其发电效率必然低于卡诺循环的极限效率。SCP系统的热源为集热棚内的高温空气，冷源为烟囱出口空气，温差极小，所以发电效率不高，因此SCP系统只能通过提高装机容量来降低发电成本。Schlaich等[5]对装机规模在5～200 MW的SCPP进行了经济性分析，发现其发电成本随着装机容量的增大而快速降低。Nizetic等[6]、Okoye等[7]、Cao等[8]、Guo等[9]则针对不同地域的地理和气候特征计算分析了SCPP的发电成本，发现其在全寿命周期内的度电成本(LCOE)为0.037～0.27 €/kWh，较为显著的影响因素包括土地成本、太阳辐射、土壤蓄热能力等。由此可见，相对于光伏发电、风力发电等技术，大规模的SCP系统在成本方面的竞争力较弱[9]。

2 SCP系统解析模型与数值模拟的研究进展

解析模型的建立和计算分析，可为系统的建造与操作提供指导，有助于系统结构和操作参数的匹配优化。起初，SCP系统的理论分析一般以基于热力学、流动和传热理论的解析模型为主。1987年，Mullet等[10]根据能量守恒原理及系统的传热流动机制，推导给出了SCP系统的整体效率分析公式，结果显示，系统总效率与SCP系统的规模密切相关，规模越大，系统总效率越大，大规模系统的总效率在0.96%～1.92%。1999年，Padki和Sherif[11]构建了一种简单的解析模型，考察了不同结构和参数条件下太阳能烟囱的运行性能，基于实验数据对比可见，该模型的误差在4%～6%。Lodhi等[12]则给出了更详细的烟囱效应和系统效率模型，并假设运营年限为20年，对烟囱高为1000 m、集热棚面积为2 km2的SCP系统进行了经济分析。Kasaeian等[13]经过建模分析，认为SCPP的效率在一定的烟囱高度、集热棚规模和绝热条件下是恒定的，SCPP的发电功率与系统效率和烟囱高度呈线性相关。2001年，Kasaeian等[13]基于集热棚与烟囱内空气流动的微小压差及相互影响，又提出了另一种SCP热力学模型。2003年，Dai等[14]全面分析了集热棚直径、空气温度、烟囱高度、风力涡轮机及太阳辐照度等因素对SCP系统的影响，发现在系统规模较大的情况下，SCP系统的电力输出功率与其规模呈非线性关系。此外，在2000～2007年，Von Backström教授的研究团队对SCP系统内的热力循环、能量损失、空气压降及涡轮机性能强化等进行了建模讨论[15-18]。周洲等[19]假定太阳辐射和环境温度恒定，对SCP系统进行了稳态热力学分析，并针对不同规模的系统进行了计算和比较，结果表明，SCP系统的布雷顿循环效率、理想循环效率及实际循环效率分别为35%、10%～25%和0.9%～2.0%。魏毅立等[20-22]根据阿基米德定律、状态方程及风电转换公式等建立了稳态的数学模型，并模拟分析了内蒙古乌海SCP系统示范工程，模拟结果与电站的运行参数相符，得出了可通过升高烟囱高度和增加集热棚面积等来提高系统发电量这一结论。Koonsrisuk等[23]针对SCP系统的8个原始变量作了无量纲分析，并将分析结果与数值模拟结果进行了对比，得到的集热棚出口的风速、温度等参数的一致性良好。Choi等[24]构建解析模型对比分析了SCPP结合蓄水系统前、后的差异，并基于西班牙Manzanares地区的SCPP实验数据进行了验证，探讨了烟囱和集热棚的高度、直径，以及太阳辐射强度等参数对SCP系统产生的影响。

然而，由于模型解析求解的先天不足，建模中通常忽略了空气的可压缩性，也很难考虑集热棚内外换热方式的差异、风机转动、内部蓄热系统等方面的影响，计算精度较低，适用范围窄。

近年来，CFD(Computational Fluid Dynamics)技术，特别是ANSYS Fluent、CFX等相关商业软件的高速发展，升浮力模型、湍流模型等模型的预测精度越来越高，为SCP系统的优化研究提供了更直观、高效、精确的方法。Fasel等[25]以Fluent软件为平台，结合UDF(User-defined Function)功能，数值模拟了烟囱高度为1～1000 m的不同SCP系统的瞬态流体流动与传热机制，并分析了该类系统的温度和流速分布情况，以及启动过程和稳态工况下的不稳定因素。Patel等[26]则基于CFX软件考察了集热棚进口高度(0.05～0.2 m)、出口直径 (0.6～1 m)、倾斜角 (0°～3°)，以及烟囱直径(0.25～0.3 m)对SCP系统内部空气流动特性的影响，并以集热棚内的空气温度作为评价指标对系统结构参数进行了优化，如图2所示。Toghraie等[27]采用3D有限控制体积法耦合k-ε湍流模型，模拟分析了结构参数对SCPP内温度、速度、压力分布、能源效率和输出功率的影响，结果显示，输出功率与烟囱高度和集热棚直径成正比，而与集热棚高度成反比，并给出了烟囱直径的优化值。Zhou等[28]则基于数值模拟方法重点考察了空气温度对大型SCPP发电性能的影响规律，发现在气温较高的条件下，SCP系统在夜晚的输出功率会大幅提高，而白天会显著降低，因此总体效率提高不大；相对而言，太阳辐射对SCP系统整体性能的影响更大。

图2 SCP系统的流场模拟结果[25]

根据SCP系统的模拟分析可知，增加烟囱高度和集热棚面积是提高SCP系统功率和效率的主要途径，但烟囱高度和集热棚面积的增大又会增加系统的初期投资成本，尤其是当烟囱高度达到1500 m时，烟囱的建造面临着巨大挑战，但此时其系统效率也仅约为2%。鉴于SCP系统存在上述缺点，学者们提出了诸多优化和改进措施。Hu等[29]模拟分析了烟囱在几种不同结构下的空气动力学特性及其对电力输出特性的影响，如图3所示，结果发现，采用扩散型(Diffusertype)进口和出口的烟囱，其电力输出性能比变径(Divergent)烟囱和直管(Cylindrical)烟囱高2～10倍。在此基础之上，他们针对采用扩散型结构烟囱的SCP系统提出了一种全新的控制策略，模拟结果显示，采用该策略可将电力输出能力提高60%。Hussain等[30]则提出一种依靠反射镜辅助的SCP系统，如图4所示，在集热棚周围安装反射镜以提高集热棚的太阳辐照强度，并结合小试试验和数值模拟分析研究了该改进措施的强化作用，发现考察条件下安装反射镜可将系统效率提升22.6%，输出功率提高133%。

Bilgen等[31]提出了依山而建的集热棚倾斜式SCP系统，如图5所示，集热棚依山势而建，烟囱在集热棚顶端，从而大幅降低了因烟囱高度过高而带来的成本及结构不稳定的问题。Zhou等[4]模拟对比了集热棚倾斜式SCP系统与常规SCP系统的性能差异，结果表明，对于集热棚倾斜后的垂直高度为848 m，烟囱垂直高度为123 m的SCP系统，其整体性能介于烟囱高度为547 m和971 m的常规SCP系统之间。Cao等[32]模拟分析了集热棚倾斜角度对SCP系统性能的影响，结果表明，较大的倾斜角度有利于改善SCP系统在冬季时的性能，但会导致其在夏季时的性能有所下降；其次，研究结果还指出，海拔高度和太阳辐射对系统性能有较大影响，在中国，集热棚倾斜式SCP系统适合建造在西北地区，但考虑到与耕作的结合，推荐建在东南沿海和西部部分区域。

图3 不同烟囱形式

图4 带反射镜辅助的SCP系统结构示意图

图5 依山而建的集热棚倾斜式SCP系统[31]

Jamali等[33]提出了将半透明光伏组件(Semitransparent photovoltaic cell，STPV)与 SCP 技术相结合的太阳能综合利用方式，STPV作为集热棚棚顶，既可以形成温室效应，也可以直接产生电量；集热棚内部的空气流动恰好可以对STPV进行冷却，提高其发电效率。研究者构建了数值模型对该综合利用系统进行了分析，发现该系统中STPV的平均工作温度可降低15 ℃，在辐射强度为500 W/m2的条件下，STPV的电力输出总量提高了约29%。

Kiwan等[34]提出了一种将SCP与海水淡化相结合的系统，结构如图6所示，集热棚内一半区域为水池，流动的空气将蒸发的水蒸气携带进入烟囱，随后水蒸气在烟囱内预冷凝结并沿内壁回流至地面。根据构建的数值模型计算，相较于传统的SCP系统，SCP与海水淡化相结合的系统的综合效率可提升100倍。

图6 SCP与海水淡化相结合的综合利用系统[34]

Bernardes等[35]从SCP系统的控制策略入手进行考量，以提高其电量输出。此外，学者也考察了在集热棚内利用水蓄热、改进烟囱和涡轮机结构、优化SCP整体结构参数等措施的强化作用[36-39]，以进一步增加SCP系统的综合利用效率和整体性能，此处不再赘述。

3 SCP系统示范工程及试验研究

3.1 示范工程

由于初期投资成本和回收周期的问题，澳大利亚(200 MW)、西班牙(40 MW)、纳米比亚(400 MW)等国家计划建造的大规模SCPP均搁浅或流产。迄今为止，仅有西班牙Manzanares地区(50 kW)和中国乌海(200 kW)这2个SCP系统示范工程。

西班牙的示范工程为位于Manzanares地区的SCPP，由西班牙电力公司和西德政府合作建立，是对SCP系统的首次尝试。该电站的外貌、内部景象和涡轮机如图7所示，其中，烟囱高为194.6 m，直径为10.8 m；集热棚半径为122 m，自进口到中心呈倾斜状设计，高为2～6 m。电站设计功率为50 kW，但实际发电功率为36 kW，持续运行了8年(1982～1989年)，空载条件下烟囱空气出口速度为15 m/s，满载情况下为9 m/s。最终该电站的烟囱由于腐蚀而倒塌，但运行时间已达到预期运行时间的95%。总之，Manzanares地区的SCPP是人类第一次建造的SCP系统，其成功运行证明了SCP的可行性，意义重大。从其运行结果可知，烟囱是关系到整个电站使用时间的核心部分，对于商业化SCPP设计使用时间的推荐值为80年，因此，如何建造结构稳定、抗震、抗腐蚀的烟囱，是SCPP建造的关键所在。

图7 西班牙Manzanares地区的SCPP

2009年，内蒙古科技大学魏毅立教授团队在内蒙古乌海市沙漠地区建造了200 kW的太阳能热风发电示范工程，利用SCP系统合理结合自然风，以增加系统发电量，集热棚总面积为6170 m2，烟囱高45.9 m，如图8所示。该SCP系统的运行结果表明，环境风速和太阳辐射强度的增大均可导致发电功率的提高，但环境风速的影响更显著。该示范工程原计划投资13.8亿人民币，实现27.5 MW的装机容量，占地达27800 m2，烟囱高达200 m，但由于电站附近建设有机场，限制了烟囱高度，因此被迫停工。

乌海的太阳能热风发电示范工程是世界上首例结合太阳能烟囱和风能的发电电站，开辟了太阳能利用的新途径。该电站仅占用沙漠和荒地，有利于防沙、治沙，改善环境；此外，底部的隔水设计可减少沙漠水分蒸发，且运行中不产生任何污染，社会效益显著，对于我国西部地区太阳能的开发利用、缓解能源危机和改善生态环境具有重要意义。

图8 内蒙古乌海太阳能热风发电示范工程

3.2 试验研究

自1989年西班牙首座SCPP停运以来，学者们对SCP系统的试验研究大多停留在小试和中试阶段。Kasaeian等[40]在伊朗构造了一个烟囱高为12 m、集热棚直径为10 m的小试SCP系统，如图9所示，考察了气候变化对集热棚进、出口温度及烟囱内风速的影响，得到最大温差为26 ℃(环境温度为34 ℃)时，烟囱内气流速度为2.9 m/s的结论。Kalash等[41]建立了集热棚倾斜式SCP系统，如图10a所示，其集热棚面积为12.5 m2，烟囱高度为9 m、直径为0.31 m，并测试了冬季集热棚内温度与烟囱气速的变化情况，测试结果如图10b所示。从结果可知，烟囱进口温度和气流速度与环境温度及太阳辐射密切相关，正午时刻集热棚内温度与环境温度的温差最大，烟囱内产生的气流速度可达2.9 m/s左右。

国内，华中科技大学周新平等[42-43]最先开展了SCP系统的相关试验研究，构建了烟囱高度为8 m、直径为0.3 m，设计功率为5 W的SCP系统。此外，西安交通大学的黄明华等[44]则搭建了集热棚直径仅为1.3 m，烟囱高为1.26 m的微型试验装置，为数值模型的验证和优化提供参考。为进一步提高SCP系统的太阳能利用率，Zuo等[45]则基于小试试验考察了SCP与海水淡化综合利用系统的性能，发现淡水主要在太阳辐射强度较低时产出，而正午时的产量最低。