太陽能煙囪發電技術探索概述

南京醫科大學第二附屬醫院 ■ 孫可亮 張奇 楊先鋒 郭培

0 引言

隨著社會經濟的發展、人口數量的增多，以及人們生活標準的不斷提高，能源發展和生態環境面臨著前所未有的壓力，大力開發清潔可再生能源是建設清潔低碳、高效安全的現代化能源體系的必由之路。太陽能具有資源豐富、清潔、分布廣泛、用之不竭的特點，在未來的能源系統中將扮演越來越重要的角色。太陽能煙囪發電(Solar Chimney Power，SCP)技術，又稱為太陽能熱空氣發電(Solar Aero-Electric Power，SAEP)，是一種依靠集熱棚收集太陽能，再利用煙囪效應驅動渦輪發電機進行發電的新型發電系統[1-3]。該系統的概念首先由Cabanyes于1903年提出，但在1978年由德國的Schlaich教授再次提及后才得到廣泛關注[1]。1981年，前西德政府與西班牙電力公司歷時2年，在西班牙Manzanares地區建造了世界上第一座太陽能煙囪發電站(Solar Chimney Power Plant，SCPP)，證明了SCP系統的可行性[1]，繼而掀起了研究熱潮。但由于SCP系統的初期投資大、資金回收周期長，企業與政府的投資熱情不高[4]，迄今為止，全球尚未有兆瓦級的大型SCPP。現有研究大多是圍繞SCP系統的結構優化、效率提升、成本降低等方面展開的理論分析和數值模擬，以及具有探索性質的小試、中試試驗研究。

本文首先介紹了SCP系統的結構、運行原理和特點，對SCP技術的理論和試驗研究的進展進行了概述，探討了影響SCP系統性能的關鍵因素，以及該系統的運行特性及強化措施，并預測了其未來的發展趨勢。

1 SCP系統的特點

SCP系統的結構圖如圖1所示[4]，主要包括集熱棚、渦輪發電機、導流塔或煙囪(Solar Chimney)和蓄熱層4部分。其中，集熱棚由金屬支架支撐，以玻璃、薄膜等透明材料覆蓋，集熱棚由邊緣向內具有一定的坡度，地面為蓄熱層(土壤、砂石等)，煙囪佇立在集熱棚中央，其底部配以渦輪發電機。白天，太陽短波輻射透過集熱棚直接加熱蓄熱層，而蓄熱層向上釋放的長波輻射被集熱棚阻擋，形成溫室效應，致使棚中空氣的溫度升高。由于空氣密度隨溫度的增加而減小，熱空氣在上浮過程中向集熱棚中央區域流動，再加上煙囪效應產生的巨大抽力，煙囪內會產生強烈的上升氣流，推動其底部的渦輪發電機發電。晚間，蓄熱層積蓄的熱量緩慢散發，再輔以自然風，則可實現不間斷發電。

圖1 SCP系統的結構示意圖[4]

SCP系統依靠溫室效應和煙囪效應驅動渦輪發電機發電，與太陽能熱發電、光伏發電技術相比，其優勢體現在技術門檻低、維護方便、可持續運行、環境效益更佳這4個方面。例如，SCP系統中集熱棚和煙囪的建造，以及其所采用的渦輪發電機的技術均十分成熟，相對而言，太陽能熱利用中的玻璃-金屬封接和高溫集熱器的制造，以及光伏發電中的太陽電池生產等技術壁壘則高得多。SCP系統在建造和運營過程中對環境的影響較小，相較而言，太陽電池生產過程中的能耗和污染稍高，太陽能中高溫集熱電站采用的導熱油、熔鹽等蓄熱工質也存在泄露污染的風險。此外，由于SCP系統中存在蓄熱層，運行過程中太陽輻射的間歇性波動不會影響電量的穩定輸出，所以透平和發電機是SCP系統中僅有的運動部件，維護成本極低。對于太陽能資源豐富且人煙稀少的廣闊荒漠地區，SCP技術的應用除了能夠發電，還可抑制沙塵，降低地表水的蒸發量。

然而，由于SCP技術的本質仍為太陽能熱發電，其發電效率必然低于卡諾循環的極限效率。SCP系統的熱源為集熱棚內的高溫空氣，冷源為煙囪出口空氣，溫差極小，所以發電效率不高，因此SCP系統只能通過提高裝機容量來降低發電成本。Schlaich等[5]對裝機規模在5～200 MW的SCPP進行了經濟性分析，發現其發電成本隨著裝機容量的增大而快速降低。Nizetic等[6]、Okoye等[7]、Cao等[8]、Guo等[9]則針對不同地域的地理和氣候特征計算分析了SCPP的發電成本，發現其在全壽命周期內的度電成本(LCOE)為0.037～0.27 €/kWh，較為顯著的影響因素包括土地成本、太陽輻射、土壤蓄熱能力等。由此可見，相對于光伏發電、風力發電等技術，大規模的SCP系統在成本方面的競爭力較弱[9]。

2 SCP系統解析模型與數值模擬的研究進展

解析模型的建立和計算分析，可為系統的建造與操作提供指導，有助于系統結構和操作參數的匹配優化。起初，SCP系統的理論分析一般以基于熱力學、流動和傳熱理論的解析模型為主。1987年，Mullet等[10]根據能量守恒原理及系統的傳熱流動機制，推導給出了SCP系統的整體效率分析公式，結果顯示，系統總效率與SCP系統的規模密切相關，規模越大，系統總效率越大，大規模系統的總效率在0.96%～1.92%。1999年，Padki和Sherif[11]構建了一種簡單的解析模型，考察了不同結構和參數條件下太陽能煙囪的運行性能，基于實驗數據對比可見，該模型的誤差在4%～6%。Lodhi等[12]則給出了更詳細的煙囪效應和系統效率模型，并假設運營年限為20年，對煙囪高為1000 m、集熱棚面積為2 km2的SCP系統進行了經濟分析。Kasaeian等[13]經過建模分析，認為SCPP的效率在一定的煙囪高度、集熱棚規模和絕熱條件下是恒定的，SCPP的發電功率與系統效率和煙囪高度呈線性相關。2001年，Kasaeian等[13]基于集熱棚與煙囪內空氣流動的微小壓差及相互影響，又提出了另一種SCP熱力學模型。2003年，Dai等[14]全面分析了集熱棚直徑、空氣溫度、煙囪高度、風力渦輪機及太陽輻照度等因素對SCP系統的影響，發現在系統規模較大的情況下，SCP系統的電力輸出功率與其規模呈非線性關系。此外，在2000～2007年，Von Backstr?m教授的研究團隊對SCP系統內的熱力循環、能量損失、空氣壓降及渦輪機性能強化等進行了建模討論[15-18]。周洲等[19]假定太陽輻射和環境溫度恒定，對SCP系統進行了穩態熱力學分析，并針對不同規模的系統進行了計算和比較，結果表明，SCP系統的布雷頓循環效率、理想循環效率及實際循環效率分別為35%、10%～25%和0.9%～2.0%。魏毅立等[20-22]根據阿基米德定律、狀態方程及風電轉換公式等建立了穩態的數學模型，并模擬分析了內蒙古烏海SCP系統示范工程，模擬結果與電站的運行參數相符，得出了可通過升高煙囪高度和增加集熱棚面積等來提高系統發電量這一結論。Koonsrisuk等[23]針對SCP系統的8個原始變量作了無量綱分析，并將分析結果與數值模擬結果進行了對比，得到的集熱棚出口的風速、溫度等參數的一致性良好。Choi等[24]構建解析模型對比分析了SCPP結合蓄水系統前、后的差異，并基于西班牙Manzanares地區的SCPP實驗數據進行了驗證，探討了煙囪和集熱棚的高度、直徑，以及太陽輻射強度等參數對SCP系統產生的影響。

然而，由于模型解析求解的先天不足，建模中通常忽略了空氣的可壓縮性，也很難考慮集熱棚內外換熱方式的差異、風機轉動、內部蓄熱系統等方面的影響，計算精度較低，適用范圍窄。

近年來，CFD(Computational Fluid Dynamics)技術，特別是ANSYS Fluent、CFX等相關商業軟件的高速發展，升浮力模型、湍流模型等模型的預測精度越來越高，為SCP系統的優化研究提供了更直觀、高效、精確的方法。Fasel等[25]以Fluent軟件為平臺，結合UDF(User-defined Function)功能，數值模擬了煙囪高度為1～1000 m的不同SCP系統的瞬態流體流動與傳熱機制，并分析了該類系統的溫度和流速分布情況，以及啟動過程和穩態工況下的不穩定因素。Patel等[26]則基于CFX軟件考察了集熱棚進口高度(0.05～0.2 m)、出口直徑 (0.6～1 m)、傾斜角 (0°～3°)，以及煙囪直徑(0.25～0.3 m)對SCP系統內部空氣流動特性的影響，并以集熱棚內的空氣溫度作為評價指標對系統結構參數進行了優化，如圖2所示。Toghraie等[27]采用3D有限控制體積法耦合k-ε湍流模型，模擬分析了結構參數對SCPP內溫度、速度、壓力分布、能源效率和輸出功率的影響，結果顯示，輸出功率與煙囪高度和集熱棚直徑成正比，而與集熱棚高度成反比，并給出了煙囪直徑的優化值。Zhou等[28]則基于數值模擬方法重點考察了空氣溫度對大型SCPP發電性能的影響規律，發現在氣溫較高的條件下，SCP系統在夜晚的輸出功率會大幅提高，而白天會顯著降低，因此總體效率提高不大；相對而言，太陽輻射對SCP系統整體性能的影響更大。

圖2 SCP系統的流場模擬結果[25]

根據SCP系統的模擬分析可知，增加煙囪高度和集熱棚面積是提高SCP系統功率和效率的主要途徑，但煙囪高度和集熱棚面積的增大又會增加系統的初期投資成本，尤其是當煙囪高度達到1500 m時，煙囪的建造面臨著巨大挑戰，但此時其系統效率也僅約為2%。鑒于SCP系統存在上述缺點，學者們提出了諸多優化和改進措施。Hu等[29]模擬分析了煙囪在幾種不同結構下的空氣動力學特性及其對電力輸出特性的影響，如圖3所示，結果發現，采用擴散型(Diffusertype)進口和出口的煙囪，其電力輸出性能比變徑(Divergent)煙囪和直管(Cylindrical)煙囪高2～10倍。在此基礎之上，他們針對采用擴散型結構煙囪的SCP系統提出了一種全新的控制策略，模擬結果顯示，采用該策略可將電力輸出能力提高60%。Hussain等[30]則提出一種依靠反射鏡輔助的SCP系統，如圖4所示，在集熱棚周圍安裝反射鏡以提高集熱棚的太陽輻照強度，并結合小試試驗和數值模擬分析研究了該改進措施的強化作用，發現考察條件下安裝反射鏡可將系統效率提升22.6%，輸出功率提高133%。

Bilgen等[31]提出了依山而建的集熱棚傾斜式SCP系統，如圖5所示，集熱棚依山勢而建，煙囪在集熱棚頂端，從而大幅降低了因煙囪高度過高而帶來的成本及結構不穩定的問題。Zhou等[4]模擬對比了集熱棚傾斜式SCP系統與常規SCP系統的性能差異，結果表明，對于集熱棚傾斜后的垂直高度為848 m，煙囪垂直高度為123 m的SCP系統，其整體性能介于煙囪高度為547 m和971 m的常規SCP系統之間。Cao等[32]模擬分析了集熱棚傾斜角度對SCP系統性能的影響，結果表明，較大的傾斜角度有利于改善SCP系統在冬季時的性能，但會導致其在夏季時的性能有所下降；其次，研究結果還指出，海拔高度和太陽輻射對系統性能有較大影響，在中國，集熱棚傾斜式SCP系統適合建造在西北地區，但考慮到與耕作的結合，推薦建在東南沿海和西部部分區域。

圖3 不同煙囪形式

圖4 帶反射鏡輔助的SCP系統結構示意圖

圖5 依山而建的集熱棚傾斜式SCP系統[31]

Jamali等[33]提出了將半透明光伏組件(Semitransparent photovoltaic cell，STPV)與 SCP 技術相結合的太陽能綜合利用方式，STPV作為集熱棚棚頂，既可以形成溫室效應，也可以直接產生電量；集熱棚內部的空氣流動恰好可以對STPV進行冷卻，提高其發電效率。研究者構建了數值模型對該綜合利用系統進行了分析，發現該系統中STPV的平均工作溫度可降低15 ℃，在輻射強度為500 W/m2的條件下，STPV的電力輸出總量提高了約29%。

Kiwan等[34]提出了一種將SCP與海水淡化相結合的系統，結構如圖6所示，集熱棚內一半區域為水池，流動的空氣將蒸發的水蒸氣攜帶進入煙囪，隨后水蒸氣在煙囪內預冷凝結并沿內壁回流至地面。根據構建的數值模型計算，相較于傳統的SCP系統，SCP與海水淡化相結合的系統的綜合效率可提升100倍。

圖6 SCP與海水淡化相結合的綜合利用系統[34]

Bernardes等[35]從SCP系統的控制策略入手進行考量，以提高其電量輸出。此外，學者也考察了在集熱棚內利用水蓄熱、改進煙囪和渦輪機結構、優化SCP整體結構參數等措施的強化作用[36-39]，以進一步增加SCP系統的綜合利用效率和整體性能，此處不再贅述。

3 SCP系統示范工程及試驗研究

3.1 示范工程

由于初期投資成本和回收周期的問題，澳大利亞(200 MW)、西班牙(40 MW)、納米比亞(400 MW)等國家計劃建造的大規模SCPP均擱淺或流產。迄今為止，僅有西班牙Manzanares地區(50 kW)和中國烏海(200 kW)這2個SCP系統示范工程。

西班牙的示范工程為位于Manzanares地區的SCPP，由西班牙電力公司和西德政府合作建立，是對SCP系統的首次嘗試。該電站的外貌、內部景象和渦輪機如圖7所示，其中，煙囪高為194.6 m，直徑為10.8 m；集熱棚半徑為122 m，自進口到中心呈傾斜狀設計，高為2～6 m。電站設計功率為50 kW，但實際發電功率為36 kW，持續運行了8年(1982～1989年)，空載條件下煙囪空氣出口速度為15 m/s，滿載情況下為9 m/s。最終該電站的煙囪由于腐蝕而倒塌，但運行時間已達到預期運行時間的95%。總之，Manzanares地區的SCPP是人類第一次建造的SCP系統，其成功運行證明了SCP的可行性，意義重大。從其運行結果可知，煙囪是關系到整個電站使用時間的核心部分，對于商業化SCPP設計使用時間的推薦值為80年，因此，如何建造結構穩定、抗震、抗腐蝕的煙囪，是SCPP建造的關鍵所在。

圖7 西班牙Manzanares地區的SCPP

2009年，內蒙古科技大學魏毅立教授團隊在內蒙古烏海市沙漠地區建造了200 kW的太陽能熱風發電示范工程，利用SCP系統合理結合自然風，以增加系統發電量，集熱棚總面積為6170 m2，煙囪高45.9 m，如圖8所示。該SCP系統的運行結果表明，環境風速和太陽輻射強度的增大均可導致發電功率的提高，但環境風速的影響更顯著。該示范工程原計劃投資13.8億人民幣，實現27.5 MW的裝機容量，占地達27800 m2，煙囪高達200 m，但由于電站附近建設有機場，限制了煙囪高度，因此被迫停工。

烏海的太陽能熱風發電示范工程是世界上首例結合太陽能煙囪和風能的發電電站，開辟了太陽能利用的新途徑。該電站僅占用沙漠和荒地，有利于防沙、治沙，改善環境；此外，底部的隔水設計可減少沙漠水分蒸發，且運行中不產生任何污染，社會效益顯著，對于我國西部地區太陽能的開發利用、緩解能源危機和改善生態環境具有重要意義。

圖8 內蒙古烏海太陽能熱風發電示范工程

3.2 試驗研究

自1989年西班牙首座SCPP停運以來，學者們對SCP系統的試驗研究大多停留在小試和中試階段。Kasaeian等[40]在伊朗構造了一個煙囪高為12 m、集熱棚直徑為10 m的小試SCP系統，如圖9所示，考察了氣候變化對集熱棚進、出口溫度及煙囪內風速的影響，得到最大溫差為26 ℃(環境溫度為34 ℃)時，煙囪內氣流速度為2.9 m/s的結論。Kalash等[41]建立了集熱棚傾斜式SCP系統，如圖10a所示，其集熱棚面積為12.5 m2，煙囪高度為9 m、直徑為0.31 m，并測試了冬季集熱棚內溫度與煙囪氣速的變化情況，測試結果如圖10b所示。從結果可知，煙囪進口溫度和氣流速度與環境溫度及太陽輻射密切相關，正午時刻集熱棚內溫度與環境溫度的溫差最大，煙囪內產生的氣流速度可達2.9 m/s左右。

國內，華中科技大學周新平等[42-43]最先開展了SCP系統的相關試驗研究，構建了煙囪高度為8 m、直徑為0.3 m，設計功率為5 W的SCP系統。此外，西安交通大學的黃明華等[44]則搭建了集熱棚直徑僅為1.3 m，煙囪高為1.26 m的微型試驗裝置，為數值模型的驗證和優化提供參考。為進一步提高SCP系統的太陽能利用率，Zuo等[45]則基于小試試驗考察了SCP與海水淡化綜合利用系統的性能，發現淡水主要在太陽輻射強度較低時產出，而正午時的產量最低。

圖9 Kasaeian等構造的小試SCP系統[40]

綜上所述，近幾年對SCP系統的試驗研究主要側重于分析影響集熱棚及煙囪中溫度和速度分布的因素，且試驗規模較小，并未安裝渦輪發電機發電。

圖10 Kalash等構建的試驗裝置和試驗測試結果[41]

4 結論與展望

SCP是一種具有一定發展潛力的太陽能利用技術，經過50余年的研究，在一定條件下其可以實現電力生產，也可結合風力、耕作、海水淡化等進行綜合利用。但由于空氣密度低，該技術的熱電轉換效率低、成本高，還無法與光伏發電和太陽能熱發電相比，需要有原理性的突破才能有較大發展。