新能源发电技术综述

  20世纪以来，随着社会经济的发展和生活水平的提高，使人们对能源的 需求量不断增长。同时由于化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注，因此从资源、环境、社会发展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。利用清洁的可再生能源来加以替代，是人类迫切希望，同时也意味着目前正处于能源变革的过渡时期。新能源是指常规能源之外的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等一次能源，是在高新技术基础上开发利用的可再生能源，它的开发利用不会污染环境，是清洁的能源，然而新能源具有能量密度低且高度分散的共同特点，新能源发电技术是多学科交叉、综合性强的高新技术。关键字：新能源 实现方式 发展状况

一、风力发电 风是空气流动所产生的，由于地球自转、公转以及地表的差压，地面各处接受太阳辐射强度也就各异产生大气温差，从而产生大气压差形成空气的流动。

电力行业风力 水利 太阳能发电原理3D动画演示

http：//www.tudou.com/programs/view/0zFo7qkBiic/?union_id=100501_100500_01_01

电力行业风力 水利 太阳能发电原理3D动画演示.f4v

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风电动态演示.f4v

自制风力发电机

http：//www.tudou.com/programs/view/w5GFfC54aNE/

二、太阳能发电 太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，巨大的太阳能是地球的能量之母、万物生长之源，据估计尚可维持数10亿年之久。太阳能是可再生能源，在常规能源日益紧缺、环境污染日益严重的今天，充分利用太阳能显然具有持续供能和保护环境双重伟大的意义。太阳能由于可以转换成多种其他形式的能量，主要有太阳能发电、太阳能热利用、太阳能动力利用、太阳能光化利用和太阳能光——光利用等；太阳能发电的主要方式是太阳能热发电和太阳能光发电。

太阳能发电系统操作视频

http：//v.youku.com/v_show/id_XNTY1NTE2NDI4.html

[南非世界杯]太阳能发电 世界杯到达遥远村庄

http：//news.cntv.cn/20100615/100427.shtml

东莞市森泉太阳能光电有限公司在印尼风光互补发电站工程实例

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家用离网型太阳能发电 家用太阳能发电系统 光伏发电系统

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三、地热发电

太阳能烟囱发电新技术

  太阳光辐射透过太阳能集热棚，加热集热棚下面的地面，被加热的地面与集热棚内的空气进行热量交换推动涡轮发电机旋转、发电。整个太阳能烟囱发电技术的能量转化以及效率可以从三个部分来分析 ：通过集热棚太阳能转化为空气热能，通过烟囱将热能转化为动能，通过涡轮发电机将动能转化为电能。讨论太阳能烟囱发电技术，使其温度上升，被加热的空气上升并进入与集热棚中部相连的烟囱，在烟囱内上升气流的优缺点，它是一种适合于我国西部地区的一种能源开发新途径。

1、太阳能烟囱发电技术起源
  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
Man-zanares 建成世界上第一座太阳能烟囱发电站。
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。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。

2、太阳能烟囱发电技术的原理
  太阳能烟囱发电技术的基本原理图可用图1表示。
它成功地将3种成熟技术结合为一体：温室技术、
烟囱技术和风力透平机技术。
  集热棚用玻璃或塑料等透明材料建成，并用金
属框架作为支撑，集热棚四周与地面留有一定的间隙
(高度为Hp) 。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(直径为R)
吸收，同时由于温室效应，集热棚能够很好地阻隔地

图1 太阳能烟囱发电技术原理简图

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
(温度为Ts) 与棚内空气(温度为Ti) 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(半径为r，高度
为Hc) 。同时棚外的冷空气(温度为Ta) 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。
3、太阳能烟囱发电技术国内外研究现状
  太阳能烟囱发电技术自从提出以后，广泛受到关注。
从20世纪80年代开始一直到现在，美国、德国、
西班牙、印度、澳大利亚、埃及、摩落哥和南非等

一些国家对太阳能烟囱发电及相关技术开展了一系
列研究。1983年美国科学家Krisst建了一座烟囱
高度为10m ， 集热棚直径6m ， 输出功率10W 的庭院
式太阳能发电装置。1997 年在美国佛罗里达大
学花园中建了三种不同型式的太阳能烟囱模型进行
了大量的理论和实验研究。在印度的拉贾斯
坦的塔尔沙漠建一座100MW太阳能烟囱发电站的
计划曾得到论证并开始实施，但由于印度和巴基斯
坦之间的核竞赛使该计划落空。自从1995年起，由
物理学家沃尔夫沃尔特·斯廷纳领导的小组已提出
计划2004年在南非边远的沙漠城锡兴附近建造
200MW太阳能烟囱发电站方案，但这庞大的计划
仍存在许多巨大的困难，其中所需要的1500m高烟
囱的计划是目世界上前所未有的。
  在最近几年，国外每年均有不少与太阳能烟囱
发电技术相关的文章发表，围绕太阳烟囱发电站结
构模型、能转换效率、环境效应等相关问题进行研
究。然而，国内很少见太阳能烟囱技术的报道，
对大多数人来说可以说是一项陌生的技术。因此，
本文旨在促进太阳能烟囱发电技术在中国的发展，

同时对太阳能烟囱发电技术中能量转换的关键
技术进行介绍。
4、太阳能能量转换过程和效率
4.1 太阳能烟囱发电技术中能量转换过程
4.1.1 集热棚内太阳能到空气热能的转换
  集热棚内地面被太阳光加热后所贮藏的能量是
太阳能烟囱发电系统所有能量的来源。因此，选择
吸收率高的近似黑体的物体作为集热棚地面材料，
采取一些提高地面吸收太阳能效率的措施提高地面
的温度Ts ，是强化太阳能能量转换的第一步。
  由于地面和棚内空气的温度差导致地面与空气
之间的热量交换，主要的热量交换方式为流动的空
气与地面之间的对流传热，对流换热量可用下式表示：

Q = αA ( Ts -Ti)    (1)

  冷空气从集热棚四周进入集热棚向中心流动的
过程一般是先形成层流边界层，然后过渡到紊流边
界层。因此，根据流体沿平板强迫对流时的换热公
式，集热棚内整个区域的平均对流换热系数可用式
(2)求得：

4.1.2 烟囱中空气热能到动能的转换
高温空气从进入烟囱底部后，由于烟囱效应，
流速将加快，烟囱中流速与压差的关系为：

Δ P= (1/2)ρ_m uc²     (12)

　　烟囱底部和顶部的压差可用烟囱顶部和底部的
空气密度差来表示：

Δ P=(ρ_t -ρ_m) gHc    (13)

空气密度与温度关系为：

ρ_t Tt= ρm Tm      (14)

  由式(11)、式(12)、式(13)可得出烟囱中流速
与温度的关系：

4.1.3 空气动能到涡轮发电机电能的转换
涡轮发电机的瞬时功率可表示为：

PR = ηR (1/2) ρm uc³ Ac    (18)

式中烟囱的截面积可表示为：

Ac = πr²              (19)

  根据质量连续性方程，进入集热棚底部的空气
量与烟囱中流动的空气量相等，有以下质量平衡关系式：

m = Ap u0 ρa =Ac uc ρm     (20)

　　代入面积的计算公式，可得出烟囱中气流速度
与集热棚入口空气流速关系：

2πR Hp u0 ρa = πr² uc ρm    (21)

  由式(11) 和式(21)，可以得出烟囱空气流速
计算公式：

  由上面的发电功率的计算公式可以看出太阳能
烟囱发电系统的发电功率主要由3部分因素决定：
公式括弧中的第一项代表空气的特性参数，反映了
发电功率与温度的间接函数关系；公式括弧中的第
二项表示了发电功率与空气温度、地面温度的直接
函数关系；公式括弧中的最后一项表示了发电功率
与太阳能烟囱发电系统的几何尺寸关系。从最后一
项可以看出随着集热棚的直径和烟囱高度的增加，
发电功率提高，与Robert Richards 等人在西班牙
Manzanares 建成的第一座太阳能烟囱发电站的早期
研究结果相一致，见图2 。

图2 输出功率P与集热棚直径DA、烟囱高度H之间的关系

4.2 太阳能烟囱发电技术中能量转换效率
  太阳能烟囱发电技术的总能量转换效率也是由
上面所讨论的三个能量转化过程的分效率所决定的。

5 太阳能烟囱发电技术的优缺点
5.1 太阳能烟囱发电技术优点
  太阳能烟囱发电技术之所以受到广泛的关注，
主要因为它具有以下优点：
  1) 太阳能烟囱发电技术是环境友好的清洁能源，
不会象化石能源产生环境污染，太阳能几乎是取
之不尽，用之不竭，太阳能烟囱发电技术是可再生能
源的开发利用，对缓解日益严重的能源危机有重要
意义。
  2) 太阳能烟囱发电技术适合于建在人口稀少的
闲置的土地上，这对于耕地面积锐减的当今世界也
具有重要的现实意义，因此太阳能烟囱发电技术特
别适合于我国广阔的西部地区，为我国的西部大开
发做出独特的贡献。
  3) 太阳能烟囱发电技术是一种很好的太阳能转
化技术，集热棚地面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。

  4) 太阳能集热棚以及烟囱材料均可以使用现有
的常规材料，设备较其它发电技术简单，运行费用
低；而且设备规模越大，功率越大，发电的效率也越
高，经济性上适合于建立大功率的太阳能烟囱发电站。
  5) 太阳能烟囱发电技术除了在能源开发上被利
用以外，近年来用于改善局部地区的空气扩散，消除
局部空气污染上的研究报道也很多。
5.2 　太阳能烟囱发电技术缺点
  太阳能烟囱发电技术自从1978 年的西班牙的
第一座示范工程以来，至今仍没有建成大规模的太
阳能发电站，主要因为该技术还存在以下缺点：
  1) 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。
  2) 在大风下，透明材料易被破坏。
  3) 超高烟囱的防风防震的安全问题也值得进一
步探讨，目前世界上最高的人工建筑物是加拿大的
多伦多电视塔只有550m高。
  4) 与普通的风力机相比，大结构的太阳能烟囱
内的涡轮发电机在经济上是不合算的。

5.3 发展太阳能烟囱发电技术的建议
  针对以上缺点，可以采取以下措施进行改进：
  1) 太阳能烟囱除了进行发电以外，还可以利用涡轮机旋转的动能直接抽取地下水，一方面适合于干旱地区农业灌溉，另一方面可进行集热棚透明材料的清洗。
  2) 可以在太阳能烟囱上安装风力发电机，利用风能和太阳能进行互补，一方面提高发电功率，另一方面削减大风对太阳能烟囱装备的破坏。
  3) 可以对太阳能集热棚和烟囱内温度场和流动场进行三维数值模拟计算，优化太阳能烟囱发电装备的结构和效率，目前我们正在从事这方面的研究工作。
  4) 研究太阳能烟囱改善局部空气扩散，消除局部的大气污染是太阳能烟囱技术的一个新的热点。

6 结语
  1) 太阳能烟囱发电技术的能量转化过程及效率主要由三个部分组成，可用下面流程简图表示：

太阳能 ---- 太阳能集热棚 ---- 热能 ---- 烟囱 ---- 风能 ---- 涡轮发电机 ---- 电能

  2) 太阳能烟囱发电技术是环境友好的清洁能源技术，非常适合于我国西部地区。

A 　集热棚内地面面积，m²
Ac  烟囱截面积，m²
Ap  集热棚四周空气入口截面积，m²
a 　热扩散率，m²/s
cp  定压比热容，J/(kg·℃)
g 　重力加速度，m/s²
Hc  烟囱高度，m
Hp 　集热棚四周离地面间隙高度，m
L 　沿平板流动平板特征长度，m
m 　进入集热棚空气的质量流率，kg/s
Num  努谢尔特数
PR 　涡轮机发电功率，W
Pr 　普朗特数
Q 　对流换热量，W
Ta 　集热棚入口空气温度，℃
Ti 　集热棚内空气温度，℃
Tm 　烟囱底部空气最高温度，℃
Ts 　集热棚内地面温度，℃
Tt 　烟囱顶部空气最高温度，℃

u 　集热棚内部空气流速，m/s
　　集热棚四周处入口空气流速，m/s
　　烟囱内空气流速，m/s
α　 对流平均换热系数，W/ (m²·℃)
γa 　标准空气直减率，≈615 ℃/ km
ε　 集热棚四周处入口空气突扩流速减小系数
η　　系统总能量转换效率，%
ηR 　涡轮机能量转换效率，%
ηv 　太阳能到空气热能的转换效率，%
ηw 　空气热能到风能的转换效率，%
λ　　导热系数，W/(m·℃)
ReL 　沿平板流动的雷诺数
ρa 　室温空气密度，kg/m³
ρm 　烟囱底部空气密度，kg/m³
γ　　烟囱截面半径，m
υ　　运动粘度，m²/s
Ta 　室温空气温度，℃
ρt 　烟囱顶部空气密度，kg/m³
Δp 　烟囱顶部和底部的压力差，Pa