太阳能热风发电.doc

一种新型有效的太阳能热风发电系统

摘要：分析了原太阳能热风发电系统效率低的原因，提出了一种新型高效率的气液喷射水轮机式太阳能热发电系统，介绍了新系统的工作原理、特点以及优势，为太阳能热发电技术的规模化应用开辟了一条新的道路。
关键词：太阳能热发电；气液喷射；集热棚

1 太阳能烟囱发电技术及其优缺点
随着能源需求的不断增加，环境污染的恶化，人们开始越来越看重新能源和可再生能源，寻求清洁能源利用新技术已成为研究热点之一，而太阳能发电技术将是最有发展前途的新能源技术。
太阳能热风发电是太阳能发电的一个主要分支。太阳能热风发电的构想是在1978年由德国J·Schlaich教授首先提出的。太阳能热气流发电系统主要由集热棚、涡轮机、烟囱和蓄热层四个部件组成(见图1)

图1 太阳能热风发电的基本原理图
太阳辐射能通过集热棚的透明材料进入系统,加热蓄热层表面。当蓄热介质吸热时，其温度升高并将能量蓄积起来，与此同时蓄热层表面也向上表面的集热棚内空气传递热量。空气吸收热量，温度升高，密度降低，小于外界环境相同高度处的空气密度，从而形成了压力差。棚中央的烟囱起负压管的作用，加大了系统内外的压力差，形成强烈的上升流动。当系统内部空气以较大的速度进入烟囱中时，强烈的上升气流推动安装在烟囱底部的轴流式涡轮发电机，将空气流的动能和势能转换为机械能，进而变为电能。
该项技术具有设计简单、取材方便、运行可靠、运动部件少、维护方便、维修及运行费用低、无环境污染、可昼夜连续稳定运行、使用寿命长等优点,可解决缺电或少电的发展中国家和地区的电力需求，近几十年来有多个国家支持。
1981年，在西班牙Manzanares建造了世界上第一座太阳能烟囱试验电站[1]，电站的输出功率为50Kw，烟囱的高度为194.6m，烟囱直径为10.16m，集热棚直径224m。2002年一个大规模系统由德国和澳大利亚共同立项，计划在澳大利亚新威尔士州建造一座200Mw的太阳能烟囱电厂[2]，为达到额定装机容量，电站需用一个直径为7000m的太阳能集热棚，并建造一座1000m高的烟囱。
但是迄今为止的尚未有商业化的电站建成（澳大利亚项目任未实施），究其原因是该类系统的发电效率极低，Manzanares试验电站的烟囱高度200m，实测发电效率仅为0.1—0.2%[3],即使建造 1000m的烟囱理论计算其发电效率也只有1%左右[4,5]。
通过分析太阳能烟囱的发电原理，本文认为其效率低的主要原因在于:太阳能使集热棚内的空气的温度升高密度减小，与系统外空气形成密度差而向系统中心的烟囱流动，热气流的动能与此密度差成正比，由于空气密度本身值就很小且随温度的改变不明显（常压下每升高10℃变化率约为3%），热气流因此获得的动能很小，该动能是推动涡轮机发电的源动力，由此导致系统的效率很低。
2 汽液喷射水轮机式太阳能热发电系统
2.1系统的模型和原理
本文提出利用气液相变增大工作在上下循环过程中的密度差来提高太阳能热发电效率。鉴于采用太阳能集热棚方式加热空气产生的温升通常都不超过100K[6,7]，由于水的潜热较大，若在如此小的温差范围内以水为工质进行蒸发冷凝其效率很低，故采用潜热较小的低沸点工质进行气液相变来提高热循环效率。图2为本文提出的气液喷射水轮机式太阳能热发电模型，

系统的工作原理为：太阳能由集热棚内的涂黑帆布和蓄热层吸收并将热能传递给棚内空气使其温度升高，热气流进入蒸发器内，强制循环加热低沸点工质使其产生蒸汽；蒸汽通过拉瓦尔喷嘴后形成超音速气流并使蒸汽喷嘴出口区呈低压状态，从而将吸入室里的液态工质引射上来并由超音速气流夹带进入喷射器的混合室；气液两相低沸点工质在混合室内边混合边上升，至系统顶部后进入空冷式冷凝器，气相低沸点工质在此凝结后于液相一起经液态工质下降通道流下冲击水轮机做功；做功后的工质进入蒸发器室及吸入室，继续循环。为了防止吸入室的工质从蒸发器吸收热量，在蒸发器与吸入室之间设置有斜放的隔热板，可避免吸入室的工质参与吸热放热而降低系统的循环热效率。
2.2系统的特点：
本系统的特点在于
（1）集热棚为全封闭式，中间设置涂黑帆布可在低成本下增加集热效果。帆布面设置成多孔结构，以利于太阳辐射能一部分被帆布吸收，其余能穿过帆布的孔直接被底部的蓄热层吸收，形成类似腔式黑体的效果。棚内空气被帆布分成上下两层，下层空气可吸收帆布及蓄热层的热能，温度升高后进入蒸发器的换热管内强制循环加热低沸点工质使其蒸发，放热后的空气从蒸发器流入帆布上层控件，吸收帆布热能后又转入下层继续循环。
（2）采用气液两相而非单相的低沸点工质循环，最大限度降低整个系统的高度。从系统底部蒸发器出来的蒸汽上升进入顶部冷凝器是热力学能转化为势能的过程，在获得势能相同的情况下，由于气相密度较小，其上升的距离必然较长，例如空气每升高1000m，压力仅减小约0.01Mpa，而建造如此高的上升通道实际不可行；现在用蒸汽来引射液态低沸点工质，蒸汽的能量转为气液两相混合体的能量，混合物密度大，系统中蒸发器与冷凝器间的实际压差远超过0.01Mpa，有效解决系统高度问题。
（3）目前利用低沸点工质进行发电的系统多为有机Rankine循环[8]，即将低沸点工质蒸发产生的蒸汽直接推动汽轮机运行，但在集热棚方式下利用太阳能使低沸点工质蒸发，由于温升不高产生的蒸汽压力较低，仅能推动小型或微型的汽轮机工作，实际运行中采用Rankine循环的太阳能电站几乎都采用聚焦的集热方式以提高汽轮机的进气压力，而低温有机Rankine循环则主要应用在一些水泥、化工等企业的废热发电上，本系统采用了热力学能转势能的发电方式，其优点在于即便采用低成本的太阳能集热棚方式，循环工质仍可获得较大压头，通过调整喷射器的喷射系数，降低引射液量，气液两相混合体的密度变小可升得更高，冷凝后的液态混合物压头更大，可推动大型水轮机工作，适宜建立大规模电站。
2.3系统的效率
根据低沸点工质的循环过程，可知其循环热效率η2为：
η2=h1-h2h1-h2' (1-1)
式中，h1—蒸发器内低沸点工质的饱和蒸汽焓；
h2—冷凝器内低沸点工质的饱和蒸汽焓；
h2，—冷凝器内低沸点工质的饱和液焓。
假设选择低沸点工质R123，根据相关平板太阳能集热器的实验结果，在晴天或少云的条件下测得平板集热器内的温升为90K～110K【6】，若取环境温度为293K，可取进入蒸发器的热空气温度为383K，设冷凝器内温度与系统外界环境之间的温差为10K，集热棚内热空气与蒸发器内温差为10K，则冷凝器内温度为303K，查表可知R123各状态下的饱和蒸汽焓和液焓[9],带入式（1-1）可求出η2的典型值为：
η2=h1-h2h1-h2'=439.8-399.5439.8-230.3=19.2%
系统的总效率η为：
η=η1×η2×η3 (1-2)
式中，η1—集热棚热效率；η3—水轮发电机效率。
Kalogirou S.A.对各种集热器进行了试验研究，其中改进型平板集热器的效率为40～80%[7]，这里取η1为60%；大型水轮发电机组效率可超过90%[10]，现取为85%；根据式（1-1）和（1-2）可计算出典型的系统总效率为：
η=η1×η2×η3=60%×19.2%×85%=9.8%
由以上计算结果可知本系统的理论发电效率远高于太阳能烟囱发电系统，比澳大利亚太阳能烟囱发电系统计划项目提高了一个数量级。
3 小结
太阳能的目标是建立大规模、低成本、高效率系统，是当今世界面临的重大课题，太阳能烟囱发电系统虽然成本低，但是很难实现高效，本文根据太阳能发电技术的特点，围绕影响系统发电效率的关键问题，构造了气液喷射水轮机式太阳能热发电系统，相比1000m高的太阳能烟囱发电系统，其理论发电效率提高了近一个数量级，这是本文在太阳能的高效开发利用领域的有益探索和技术方法上的重要创见。
参考文献：
[1] Robert R.Spanish Solar Chimney Nears Completion[J].MPS Review,1981,(6):21-23.
[2] Eviomission.Solar tower development aims for federal funding.Company announcement division,2005,11,28
[3] Schlaich J,Bergermann R,Schiel W,et al.Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems Utilization of Solar Induced Convective Flows for Power Generation[J].Journal of Solar Energy Engineering,2005,127(2):
117-124
[4] 葛新石，叶宏.太阳能烟囱发电系统及其固有的热力学不完善性分析[J].太阳能学报，2004,25(2):263-268.
[5] PretoriusJ.P.,Kr öger D.G.Solar Chimney Power Plant Performance[J].
Journal of Solar Energy Engineering,2006,128(8):302-311.
[6] 李戬洪,江晴.一种高效平板太阳能集热器试验研究[J].太阳能学报,2001,
22(2):131-135.
[7] KalogriouS.A.Solar Thermal Collectors and Applications[J].Progress in Energy and Combustion Science,2004,30:231-295.
[8] Wei D H,Lu X H,Lu Z,et al.Performance Analysis and Optimization of Organic Rankine Cycle for Waste Heat Recovery[J].Energy Conversion & Management,2007,48(4):1113-1119.
[9] 曹德胜,史琳.制冷剂使用手册[M].冶金工业出版社,2003.
[10] 楚清河,王玲花,杨建设.水轮机效率换算公式的探讨[J].水力发电,2005,31(2):51-53.