太阳能烟囱发电新技术

摘要:太阳烟囱发电是21世纪发电新技术。本文介绍了太阳烟囱发电的原理,并探讨了太阳烟囱发电的设计、计算方法,还给出一个200 MW太阳烟囱电站的设计例。最后简单对比了这种热能风力涡轮机与风力机的异同点。
关键词:太阳能热发电;烟囱发电;发电新技术
可以说地球上的一切能源都来自太阳。太阳这颗巨大的恒星,不停地通过核聚变反应向宇宙释放巨大的能量,而到达地球的能量仅为太阳辐射总量的20亿万分之一。太阳通过电磁波传至地球的能量,为全世界目前一年耗能的一万多倍。太阳投射到地面上的辐射能可维持人类使用大约6×101(0600亿)年。所以,可以说太阳能是“取之不尽,用之不竭”的能源。
太阳能利用的重要方向是利用太阳能进行发电。太阳能发电分光热发电和光伏发电。现在,科学家又开始研究太阳能卫星发电,这种卫星将成为人类未来获得能源的新途径。这种卫星太阳能电池板,始终对着太阳,把太阳的光和热转变成电能,再通过微波发射系统,把电能转变为微波,从遥远的太空发回地面接收器。地面工作站再把微波转变成电能,送到千家万户。
太阳能热发电技术是指先将太阳辐射能聚集起来,转换为热能,将工质加热到一定的温度,再将热能转换成机械能,带动发电机发电。这类太阳热能发电技术主要包括五种:碟式系统、槽式系统、塔式系统、太阳烟囱、太阳池。碟式、槽式、塔式三种太阳能热发电系统,又都属于聚光类发电系统,其性能和特点列在。
太阳光伏发电技术,是以太阳电池为核心元件的太阳能发电技术。太阳电池是一种能够将光直接转换成电能的半导体器件,它是以光生伏打效应(简称光伏效应)原理制备的。所谓光生伏打效应,是当半导体受到光照时,其内部电荷分布状态发生变化,而产生电动势和电流的一种效应。太阳电池是利用太阳光,与材料相互作用直接产生电,而不需要其他中间能量型式的转换。目前广泛使用的太阳光伏电池,是以硅半导体材料为基础制造的,硅太阳电池生产已进入了大规模产业化生产。预计21世纪中叶,太阳能光伏发电,将发展成为重要的发电方式,在世界可持续发展的能源结构中占有一定的比例。
太阳能烟囱发电最早在80年代初期,西班牙在距首都马德里南150 km的地方,建了一个功率为50 kW的太阳能烟囱试验电厂。德国曾建造过一个试验性太阳烟囱发电厂,烟囱高195 m,直径为10 m,温室直径240 m,温室中心部分高8 m、边缘高2 m,1986～1990年间并网运行,共发电15 000 h,可靠性95%。目前100～200 MW的太阳能烟囱电厂方案已通过论证。计算表明,功率大于100 MW的太阳能烟囱电厂经济上是合理的。国外已投运的热能风力发电站是西班牙的50MW电站,在此运行经验基础上,国外已完成6.25MW热能风力涡轮机的设计,尚未正式运行。澳大利亚已准备建造200 MW的太阳能烟囱电厂,美国也准备在三个地方建太阳能烟囱电厂,已完成可行性论证。
国外Siemens、GE、日立等大型汽轮机开发、设计制造商都能设计这种热能风力涡轮机。太阳能烟囱热发电系统,是利用太阳能热发电原理的一种发电装置。
太阳烟囱发电系统综合了三种效应:温室效应、烟囱压差风力效应和热能风力涡轮机气动效应。这类系统是在一片广阔的平地上,用塑料或玻璃建成一个巨型温室(直径约5 000 m),由边沿向棚顶中间向上倾斜(从3.5 m到25 m),在中心设置一个超高烟囱,烟囱底部外环一圈(直径400 m),安置一周热能风力涡轮机(例如18台)。
在阳光照射下,温室内空气被加热。加热了的空气径向运动从外周向中心流动,并通过一根超高(大约1 000 m)烟囱迅速上升,排向大气。在大寸这类电厂中,进入热能风力涡轮机的气流速度可达14～15 m/s,温升可达30～35℃。在烟囱底部周向安装一圈热能风力涡轮机,将热空气的动能、热能、压力能转换为机械能,再继而转变为电能。
这种电厂的容量一般可达100～200 MW。由于温室内土地具有蓄热功能,铺垫蓄热层后,在太阳落山的晚上,电厂也可以发电,从而减少了电能输出的波动。
太阳能烟囱发电,其实质属于太阳能热力发电原理。因烟囱入口空气温度(热源温度)与环境温度(冷源温度)只相差几十度,根据卡诺循环效率计算,其效率一般不会超过l2%。这种系统占地面积巨大,30 MW的电厂,需用地约700万m2。因此,这种系统比较适合地广人稀、太阳光充足的地区使用。
热能风力涡轮机与一般的风力机不同,它是一种带膨胀的热能风力机,浆叶通道呈收缩型,空气经过浆叶压力降低,热能、压力能转化为热能风力涡轮机的机械功。烟囱愈高,压差愈大,压力能转化就愈大。
目前世界上已投运的最大容量风力机有5MW级、转子直径125m和6MW级的、转子直径150m。而热能风力机的尺寸比风力机要小得多,容量6.25MW的热能风力机,转子直径只有25 m。这是因为热能风力机与风力机的能量转换原理不同,风力机是利用风速的动能,部分转换成机械能和电能,它取决于风场的风速,利用的是风能。而热能风力机利用的是太阳能和压力势能,首先在集热器里将太阳能转换成空气工质的热能,空气被加温,然后在涡轮机里膨胀做功,将热能和压力势能转换成机械能和电能。
“风力机”是利用风能转换为机械能的风力机械设备,“热能风力涡轮机”则是借助太阳能转换为热能、风能,风能、热能和压力能共同在涡轮中转换为机械能的一种热力机械设备。在能量转换原理方面有重大不同,热能风力涡轮机的能流密度要大得多,因此相似功率的两种机械,热
能风力涡轮机的外径尺寸,叶片长度要小得多。热能风力涡轮机在原理上与风力机很相似,例如都是叶片机,都基于机翼绕流理论,它们的叶片都用NASA对称基本叶型,沿长度方向扭曲。在结构上却有较大不同,例如热能风力涡轮机是在地面,没有超高的支撑塔架,相同功率的涡轮机,风力机叶片要长得多,而热能风力涡轮机的叶片数目也较多等。
控制方程组是非定常、非线形的偏微分方程组(由于篇幅所限,这里略去方程列式),求解析解非常困难,迄今为止,没有这些方程组的普遍封闭的解析解。
热能风力机是单级反动式涡轮机,既不同于风力机,也不同于汽轮机,在原理上又与两种涡轮机类似,都是基于机翼理论的叶片式涡轮机械。
(1)多台涡轮机周向布置设计
西班牙曼萨纳雷斯试验电站用50 MW单台涡轮机,立式布置在塔底。一般的大型电站宜采用多台,圆周向布置在烟囱塔进口处。如一座200MW的太阳烟囱电站,需32台6.25 MW的涡轮机。
(2)涡轮机设计参数
热能风力涡轮机设计要有作用于涡轮机的压力势能,和气流速度的设计值,一般要根据太阳能烟囱电站的地区温度、风速、风压、集热器直
径和烟囱高决定。澳大利亚某地大多时间涡轮前后压差年频率为200～800 Pa间。涡轮前后气流速度年频率,大多时间在7～13m/s。不同地区、不同集热器直径和不同烟囱高度,其压差和气流速度的数据都将会不同。
(3)涡轮机叶片设计
涡轮叶片是一个三维体,用调整浆距的方法来调节工况,材料用玻璃钎维,叶片一般为10片。
(4)转子轴、轴承设计
轴设计成中空。涡轮与电机转子同轴,通过法兰刚性连接,有2个支持轴承和1个推力轴承。
(5)导叶片和支撑梁设计
涡轮机机壳由8根支撑梁和17只成型导叶片支承,被焊在外钢环上。导叶保证涡轮进口截面最佳流动,排除扰动和涡流。导叶片由型钢制造。
(6)发电机设计
采用多极式低转速发电机,极数为40,与涡轮机转子直接连接,不用增速齿轮箱,仍输出50Hz电流。
目前,人们利用太阳能进行发电的技术主要有两大类,一是太阳能热发电技术,二是太阳光伏发电技术。大型的太阳能热电站,已经在发达国家进行了十多年的示范验证运行。光伏电池更早已进入商业批量生产阶段,新型光伏电池正在不断涌现,成本也在不断降低。利用太阳能发电的另一型式是太空太阳能电站,首先提出在太空建造太阳能发电站的设想是美国空军同雷神公司。在1967年,成功地进行一次通过微波,向模拟直升飞机提供电力的试验。这一试验连续进行了10个小时,这是世界上第一次进行的电力微波传输试验。之后,美国航天局同能源部在70年代后半期,到80年代前半期的10年左右时间里,正式进行了宇宙太阳能发电系统的开发和研究,诞生了“1979型参考式宇宙太阳能发电系统”。这一系统是在高度3.6万km的卫星静止轨道上,建设装有宽5 km、长10 km的巨大太阳能电池板的太空站,并把产生的电力变换成微波后传输到地面。该系统的发电能力为500万kW。宇宙太阳能发电系统有代表性的是“太阳塔型宇宙太阳能发电系统”,高为6 000 km,其传输微波的频率为2.45～3.50 MHz。
20世纪是石油的世纪,21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。太阳能将进入一个快速发展阶段,计划在2050年左右达到30%的世界能源比例,次于核能居第二位。到21世纪末期,太阳能将取代核能居第一位。