0 前言
大力开发和利用可再生清洁能源是我国优化能源结构,改善环境,促进经济社会可持续发展的重要战略措施之一[ 1 ] 。太阳能和风能是两大重要的可再生能源,已经得到了广泛的应用。太阳能的两个主要应用方向:一是利用太阳能发热;二是利用太阳能发电。太阳能发电技术有多种,其中太阳能烟囱热气流发电是一种重要的非聚光类太阳能热发电技术。该技术是由德国J. Schlaich教授在1978年首先提出的。随后在西班牙建成了世间上第一座50 kW示范电站,证明了该技术的可行性。由于太阳能烟囱的热效率较低、投资大、烟囱高等原因至今没有得到大规模的应用。风能是目前开发利用比较成熟的一种新能源,风电事业正在蓬勃发展。螺旋桨式水平轴风力机(HAWT)发展迅速,已成为大型商业风力发电的主流机型。而垂直轴风力发电机由于气动力学过程较复杂,翼型设计难度大及人类认识水平的局限,其发展相对滞后。近年来,随着科技的进步,人们在不断突破对垂直轴风力机的传统认识,其无需偏航机构、风能利用率高、启动风速低等优点吸引了众多研究人员,使垂直轴风力发电机取得了长足的发展[ 2 ] 。我国西部地区具有丰富的太阳能和风能资源而且太阳能与风能又存在着天然的季节互补性、气候互补性和昼夜互补性。鉴于高空风的存在和太阳能热气流发电技术中高耸烟囱的特点,提出了以太阳能烟囱作为大型垂直轴风力机的转轴,充分利用高空风能,实现太阳能与风能联合发电的构想。这种耦合方式将弥补太阳能烟囱热气流发电技术和垂直轴风力发电技术的不足,降低发电容量的峰谷波动,提高供电稳定性和电能品质,提升资源利用效益。
1 太阳能烟囱热气流发电技术及特点
1. 1 技术原理
太阳能烟囱热气流发电技术源于德国Schlaich教授1978年提出的大胆构想,基于该技术的太阳能热气流发电系统主要由集热棚、透平、烟囱和蓄热层四个部分组成,如图1所示。集热棚用金属支架支撑,其上铺盖玻璃、薄膜等透明或半透明材料,形成一个巨大的太阳能集热器。集热棚底部是用土壤、砂、砾石等材料做成的蓄热层,在白天,太阳辐射能透过集热棚的透明材料加热蓄热层表面,与此同时,蓄热层表面也向集热棚内的空气传递热量,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,从而形成了压差。棚中央的烟囱起一个负压管的作用,加大了系统内外的压力差,形成强烈的气流流动。当系统内空气以较大的速度进入烟囱中时,强烈的上升气流推动烟囱底部的涡轮机转动,通过发电机最终实现将太阳能转换成电能。太阳能烟囱与垂直轴风机耦合发电可行性分析
1. 2 系统特点
太阳能烟囱热气流发电系统是一种清洁的将劣质能源变成优质能源转化装置,与传统的发电方式相比,具有无环境污染、运行稳定、使用周期长等优点。相反,热效率低、占地面积大,集热棚易损坏、功率输出不稳定,难以实现并网等缺点制约该技术的大规模应用。其中超高烟囱是最主要的制约因素。烟囱是太阳能热气流发电系统必不可少的组成部分,其高低决定系统效率和输出功率的大小。建设兆瓦级的发电系统烟囱高度不仅超越了人类建筑水平的极限,而且高空风会对超高烟囱的安全稳定造成很大威胁。降低烟囱高度和有效利用高空风能是太阳能烟囱热气流技术突破的重要方向。
2 垂直轴风力机技术及特点
2. 1 垂直轴风力机技术
垂直轴风力机是将风的动能转换为机械能,再把机械能转换为电能的装置。其叶片是垂直设置的且环绕同一垂直轴旋转。主要类型有达里厄型、萨渥纽斯型和涡轮型等。其中达里厄型风力机根据叶片形状的不同,又分为曲线翼型和直线翼型两种。作用在风力机叶片上的风力可分解成与风向垂直的升力和与风向平行的阻力。直线翼达里厄型垂直轴风力机主要依靠升力来工作,萨渥纽斯型和涡轮型垂直轴风力机主要依靠阻力来工作。目前,大型风力机均采用水平轴风力机。但水平轴风力机的发电成本较高。加快垂直轴风力机的研究和开发对降低风电成本具有重要的意义。河海大学的赵振宙博士和郑源教授等[ 3 ]科研人员在《中国电机工程学报》发表的《螺旋形S型垂直轴风轮结构优化设计》论文中,对两叶片螺旋形S型风轮,采用k - e数学模型从偏心系数、封盖直径、内隔板数、螺距四个关键结构参数进行结构优化设计,具有较多的理论创新,极大地促进了垂直轴风力机的发展。南非瓦尔理工大学创新中心主任扬·约斯特教授最近发明了一种新型结构的垂直轴风力发电机。与一般的垂直轴风力发电机只含有一层叶片不同,他发明的垂直轴风力发电机由相互交错的上、中、下三层垂直叶片组成。较多的叶片,使截留风能的面积增加了200% ,而且新型设计使叶片持续在强风中旋转,
可以截获更多的能量,发电能力将提高200%。
根据理论计算,这种新型结构发电机将使其发电功率比一般垂直轴风力发电机提高400% ,风洞试验的初步结果支持了这一推论。此项发明将会大大降低风力发电的成本,水平轴风力发电机将逐渐被垂直轴风力发电机取代[ 4 ] 。
2. 2 垂直轴风力机特点
与水平轴风力发电机相比,垂直轴发电机的叶片对材料没有苛刻的要求,重力荷载均衡,更容易实现自动化生产,发展迅速。但仍存在许多问题,最关键的是功率输出的波动问题。由于风速的不可控性使风电具有不确定性和易变性。当风电接入到弱电网时或电网接入较高比例的风电时,会对电网稳态运行时的无功功率、有功功率、系统电压的控制和动态稳定性产生不利的影响。
3 太阳能烟囱与垂直轴风力机的耦合能流密度小、波动大、功率输出的波动性、并网难是各种可再生能源利用模式所其他发电方式互补的综合系统,如风电—水电互补发电系统,风电—太阳能光伏互补发电系统,风电一柴油机互补发电系统等;一种是采用储能系统,如各种物理、化学储能系统等。本文所采用的是风电—太阳能热气流互补发电系统。
3. 1 风力机与烟囱的耦合
如图2所示,以太阳能烟囱外壁作为垂直轴风力机的转轴,风力机的轮毂和烟囱外壁之间用轴承连接。轴承的内圈固定在烟囱外壁上,轴承的外圈连接风力机轮毂。风力机可选用升力型也可选用阻力型。太阳能烟囱直径较大,常规轴承技术难以满足尺寸结构和阻力要求,可采用磁悬浮轴承。
3. 2 涡轮机在烟囱内部的布置
安装在太阳能烟囱内部的涡轮机与磁悬浮轴承耦合,涡轮机叶片作为磁悬浮轴承的转子,安装在磁悬浮轴承的内圈上,并保持相对静止。磁悬浮轴承的外圈与太阳能烟囱的内壁紧密相连且保持相对静止。涡轮机叶片的翼型可选为螺旋桨型。结构如图3所示。
3. 3 涡轮机与风力机的耦合
涡轮机是由太阳能烟囱内部的热气流驱动而旋转的,风力机是由太阳能烟囱外部的自然风的作用下转动的。通过齿轮和传动轴将烟囱内部的涡轮机与烟囱外部的风力机和发电机联合在一起,使涡轮机和风力机既可以同时驱动又可以交替独立地驱动发电机旋转发电。从而实现了白天太阳辐照强烈而无风时可由烟囱内部的涡轮机驱动发电机发电,当夜间风大而无太阳辐照时可由烟囱外部的风力机驱动发电机发电的互补功能。
4 可行性分析
4. 1 资源分布的可行性
中国地处北半球欧亚大陆的东部,属太阳能资源丰富的国家之一。根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明,中国各地的太阳辐射年总量大致在3. 35 ×103 ～8. 40 ×103MJ /m2 之间,其平均值约为5. 86 ×103 MJ /m2。该等值线从大兴安岭西麓的内蒙古东北部开始,向南经过北京西北侧,朝西偏南至兰州,然后径直朝南至昆明,最后沿横断山脉转向西藏南部。在该等值线以西和以北的绝大部分地区的年总辐射量都超过5. 86 ×103 MJ /m2。全国总面积2 /3以上地区年日照时数大于2 000 h。其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高。我国的风能资源分布广泛而不均匀,主要集中在山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等沿海近10 km宽的地带和东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等北部地区近200 km宽的地带。风能丰富带的风功率密度在200～300W /m2 ,有的可达500W /m2 以上,如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特的灰腾梁、承德围场等。根据全国气象台部分风能资料的统计和计算,中国风能分区及占全国面积的百分比见下表。
我国新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地区的太阳能和风能资源均较为丰富,见图4,适合太阳能和风能资源联合开发技术的应用。
4. 2 时间互补的可行性
我国西北部大部分地区的太阳能和风能都有天然的时间互补性,冬春季节风大阳光弱,夏秋季节风小阳光强;白天阳光强风小,晚上风大无阳光。实施风—太阳能热气流互补发电可很好地适应太阳能与风能的时空变化,达到电能的连续稳定输出。
4. 3 荷载需求的可行性
一天中上午11时左右以及傍晚时分为用电高峰,深夜之后为用电低谷。一年中的7、8月是用电负荷最大的时期。用电高峰期通常风电输出功率最小,与电网负荷需求完全相反,而太阳能热气流发电正处于一年中功率输出最大的时期,与风电形成互补。当晚上用电负荷需求下降而风电的输出功率增加时,可以利用多余的风电对太阳能热气流发电站的集热棚进行加热储能。总之,根据当地风能和太阳能的特点,调节太阳能热气流发电系统的风门,可使风能、太阳能热气流综合发电系统的输出电能与当地的用电负荷相匹配。
4. 4 结构设计的可行性
太阳能烟囱热气流发电技术的可行性通过众多学者的研究已得到证实。垂直轴风力发电机具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪音等优点,受到众多学者的广泛关注。许多建筑师建议将VAWT结合到建筑设计中,不仅是美学上的考虑,更重要的是节能环保。意大利建筑师大卫·菲舍勒就运用动态建筑学的理念设计出了全球首幢动态变形摩天楼。该摩天楼转动设计的思想与本文提出的垂直轴风力机以太阳能烟囱为轴转动的思想相通(见图5) 。
大楼设计方案在纽约公诸于世。设计方案中摩天楼共设80层,每一层都可以围绕固定的水泥材质轴心进行360°旋转,而且在相邻楼层间装备风力涡轮机,其产生的电能供给楼层的自由旋转,剩余电能将存储下来作为它用。垂直轴风力机与太阳能烟囱热气流发电系统相结合,将具有更加广阔的应用前景。
5 结论
风能和太阳能热气流发电系统的电力输出均呈现不同程度的波动性,太阳能热气流烟囱与垂直轴风力机耦合的整体作为发电单元:
(1)可利用太阳热气流电站在发电功率变化上与风力机功率变化的互补性实现连续稳定的电力输出,降低功率输出的波动性,有效解决大规模并网问题;
(2)弥补了垂直轴风力机起动性能差的不足;
(3)可提高同等规模太阳能烟囱热气流发电系统的输出功率;
(4)可相对降低太阳能烟囱热气流发电系统的集热棚面积和烟囱高度;
(5)省去垂直轴风力机基架的建设费用,节省了投资;
(6)新型涡轮机安装在烟囱内壁上,没有中心基座,安装高度可任意。
