摘 要：叙述了太阳能烟囱发电技术的产生背景，介绍了太阳能烟囱发电技术原理、能量转化过程及发展前景，指出太阳能烟囱发电所需投资相对较低，是一项很有发展前景的发电技术。
关键词：太阳能 烟囱油砂 热力发电
0 引 言
随着人类经济活动规模的不断扩大，能源的年消费量迅速上升。目前已知的可开采的石油、天然气储量以及铀矿在数十年后将消耗殆尽，煤储量也只有230年可用。如果能源消费水平进一步提高，能源危机已是近在眉睫了。人们越来越重视可再生能源的利用，各国都在努力研究各种新能源和可再生能源技术。太阳能的储量几乎是无限的，又是清洁的绿能源，其发展潜力十分诱人。可是目前的太阳能利用只有光电池和热水器应用较多，不但规模小而且成本高效率低，还不能形成规模。
太阳能烟囱发电技术是一项被很多专家看好的太阳能利用新技术。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Manzanares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氧化锆全瓷。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。
1 太阳能烟囱发电技术的装置与基本原理
1.1 太阳能烟囱发电装置
图1 太阳能烟囱发电原理图
太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱、涡轮机发电机组和蓄热装置构成。
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驱动涡轮发电机所需的热空气是通过太阳能集热棚的温室效应产生的。集热棚由半透明的棚顶和支撑结构组成，半透明的棚顶材料通常为玻璃、聚碳酸酯或塑料膜，支撑结构采用混凝土或钢支架。与烟囱基础相连接的棚顶与地面间距随烟囱高度增加而增加，通常为2～8m，距地面越高，则风阻越小。 烟囱的作用是形成压差，为电站提供热动力。压差与棚内外温差和烟囱高度成正比，并且与烟囱内的磨擦阻力有关。设计时应优化烟囱内表面积与容积的比值，以使磨擦阻力最小。在压差作用下，集热棚内被加热的空气沿烟囱上升，形成人造热风。风速大致与棚内外温差△T和烟囱高度H成正比。
空气涡轮机安装于烟囱底部，由烟囱中的循环气流驱动。与风力发电所采用的速度级涡轮机不同，太阳能烟囱式发电采用的是压力级涡轮机，这一点与水力发电中的水轮机相似——静压被转换成涡轮机旋转能。
城市规划模型为弥补太阳热辐射不能稳定、持续供应的特点，蓄热装置是关键的一环。太阳能烟囱式热力发电站的结构特点和经济要求使之宜采用显热蓄热，棚顶下大面积的土壤层是其天然的显热蓄热材料。为加强蓄热能力，出于经济方面的考虑，可在地层上敷设充水黑管道。白天太阳辐射透过半透明棚顶而被下面的土壤和水管吸收，温度升高，太阳辐射能被转换为土壤和充水黑管的热能(显热)而储存；夜间，温度下降，土壤和充水黑管将其所储存的热能传递给周围的空气，加热空气，使涡轮机继续发电。面积巨大的土壤和充水黑管网能确保发电站一天24h期间的发电量维持相对稳定。
1.2 太阳能烟囱发电原理
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。棚内被加热的地面与棚内空气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。同时棚外的冷空气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[2]。
在太阳能烟囱发电过程中的能量转换过程有集热棚内太阳能到空气热能的转换，烟囱中空气热能到内能的转换，空气动能到涡轮发电机电能的转换。
3 太阳能烟囱发电技术的优缺点
3.1 太阳能烟囱发电技术的优点
太阳能烟囱发电技术适合于建在人口稀少的沙漠地区，我国是太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区的年日照时数大于2000h，我国西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地区的太阳总辐射量和日照时数为全国最高，属太阳能资源丰富地区。这些地区人口稀少，而且荒漠面积较大，适于建造太阳能烟囱电站[3]。
太阳能烟囱发电技术是一种很好的太阳能转化技术，蓄热装置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。
太阳能烟囱发电设备简单，只需太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮发电机组。太阳能烟囱发电的效率，随着集热棚面积的增加和烟囱高度的增加而提高，所以为了达到更好的效率和经济性，修建大规模的电站是必须的。一旦电站建成，这种电站将运行很长时间。烟囱
本身将用100年或更长的时间。由于运动部件很少，所以这种电站的维修费用很低。作为主要运动组件的涡轮发电机组，将安装在稳定的空气流中，比安装在工况恶劣的阵阵狂风中的风力涡轮机所承受的应力小的多。
3.2 太阳能烟囱发电技术的缺点
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。除此之外，在大风下，透明材料易被破坏。
由于太阳能热利用效率低，要达到在经济上有实用价值，电站就应达到20万千瓦或更大的规模。其集热棚面积大直径达数公里、烟囱高达近千米，烟囱直径超过100米，都是工程上的技术难题。
4 太阳能烟囱发电技术的应用前景
4.1 太阳能烟囱发电与海水淡化综合系统
限于太阳能烟囱发电系统的热力学特性，其太阳能利用效率较低。为了解决这个问题，相关学者提出了综合系统的概念，太阳能烟囱发电与海水淡化综合系统就是其中的一例。
图1 太阳能烟囱综合利用系统基本原理图
50％～90％的太阳可见光可透过集热棚加热底部海水，升温后的海水与进入棚内的空气间发生热量和质量传递，促使空气升温饱和。依靠集热棚的温室效应和烟囱的拔风效应，升温后的空气形成压力驱动，向集热棚中心、烟囱基部汇集。冷凝换热装置位于集热棚中心，烟囱下方。换热过程中，冷凝管上下管段的温差和烟囱的拔风作用，使得外部干冷空气不断被吸入管内，形成强大气流，充当冷凝介质。吸收冷凝余热后的干冷空气沿烟囱继续上升，将空气内能逐渐转变为动能，推动位于烟囱底部的风力涡轮机发电。冷凝水则经
蓄水池收集作为淡水。同时，还可以利用海水的蒸发浓缩制取海盐产品，并在海水中进行盐水生物的养殖。
4.2 太阳能烟囱原理在强化自然通风中的应用
数显角度尺自然通风技术是一种节能和环境友好的被动式通风冷却技术。其原理是在由温差引起的热压或风压的作用下驱动室内空间的空气自然流动，满足室内空气调节的温度及一定舒适性的要求[4]。然而自然通风的驱动力，即热压与风压，与机械驱动力相比却较为微弱。因而在一定情况下自然通风的使用受到了限制。太阳能烟囱是一种利用太阳辐射能来强化自然通风的有效技术，近年来成为研究人员深为重视的研究热点。
太阳能烟囱的一个或多个壁面是由玻璃盖板构成的透明墙体，可以利用透过透明玻璃盖板的太阳辐射热增加烟囱内外温差从而增加浮力和热压，利用烟囱效应的抽吸作用使冷空气从建筑物的下部进入。热空气从建筑物上部排出。在建筑物内形成空气流动，增加室内通风量、改善通风效果，从而达到通风、除湿、降温、排除有害气体的目的。
太阳能烟囱技术在欧美国家以及部分亚洲国家已经被广泛地应用于被动式太阳房。在建筑采暖、通风冷却等方面都表现出了较好的效果。
4 结束语
20世纪是石油的世纪，2l世纪则是可再生能源的世纪，是太阳能的世纪。在当前的世界能源结构转换中，太阳能处于最突出的位置。
太阳能烟囱发电技术是一项很有前景的技术，所需投资相对较低，在太阳能资源丰富、荒地多且廉价、少水又缺电的欠发达工业国家和地区具有相当的吸引力及能与常规能源发电相比的竞争力。对于我国而言，我们应该继续加大研究力度，使之为西部大开发提供巨大的电力资源，推动西部大开发的进程。
参考文献
[1]张轶. 斜面式太阳能烟囱发电分析[J]. 节能技术，2010，（6）：蓝牙GPS539-542
[2]龙新峰．太阳能烟囱式热力发电进展[J]． 广东电力，2004(1)：5—8．
[3]代彦军，黄海宾，王如竹．太阳能热风发电技术应用于宁夏地区的研究[J]．太阳能学
[4]万 鑫，苏亚欣．现代建筑中自然通风技术的应用[J]．建筑节能，2007，35(9)：9-12．
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