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1、太阳能热气流风力发电技术与示范项目可行性报告一、立项的背景和意义。能源是现代社会赖以生存和发展的基础。中国是能源消耗大国，2000 年一次能源消费量为7.5亿吨油当量，仅次于美国成为世界第二大能源消费国，到本世纪中叶中国全面达到小康水平时，一次能源的消费量将达到30多亿吨油当量。与世界一次能源构成不同的是中国以煤为主，煤占一次能源的比例为63.6%，由于煤的高效、洁净利用难度大，使用过程中已对人类的生存环境带来严重的污染。另一方面中国人均能源资源严重不足，人均石油储量不到世界平均水平的1/10，人均煤炭储量仅为世界平均值的1/2。预计到2010 年，中国石油供需缺口1 亿吨，天然气缺口400
2、亿立方米。21世纪人类的文明正面临环境的污染、能源短缺等诸多问题。近年来，由于煤炭、石油等化学燃料的使用，产生了大量的二氧化碳、二氧化硫，出现了温室效应、酸雨等问题，使森林等环境受到严重的破坏，直接威胁到人类自身的生存与安全。随着经济的发展、人口的增加，对能源的需求不断增加，对化学燃料的开发与使用也就越来越多，导致化学燃料的短缺、环境遭受污染和破坏。因此解决经济发展、能源需求与环境污染是摆在人类面前的迫切的问题，然而利用新的、可再生能源可以解决这些问题。太阳的半径约为6.96105公里，它距离地球约为1.5108公里。太阳释放巨大的能量，每秒有40兆kcal的能量传到地球。太阳的寿命至少还有几
3、十亿年，因此对于地球上的人类来说，太阳能是一种能量巨大、无限、清洁的能源。如果能将太阳的能量变成电能，为人类提供充足的能源，对人类来说是一件多么幸运的事。风能是一种干净的、储量极为丰富的可再生能源。而且它取之不尽，用之不竭；风能是一种潜力很大的新能源，有人估计过，地球上可用来发电的风力资源约有100亿千瓦，几乎是现在全世界水力发电量的10倍。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利
4、用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。太阳能、风能与存在于自然界的矿物燃料能源煤、石油、天然气不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此太阳能和风能可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。中国的东南沿海及三北地区（西北、华北北部、东北）有丰富的风能资源，而这些地区又都存在能源短缺及环境污染问题。因此通过利用太阳能和风能发电来改变能源结构并改善环境，不失为能源开发领域中的重要策略之一。我国幅员辽阔，太阳能资源丰富，太阳能利用条件较好的地方占我国国土面积的23以上。西北和青藏高原更是得天独厚，年平均日照时间2200小时以上，年辐射总量在15001800kWhm2，是我国重要的太阳能应用基地
5、，将来一定会在我国的太阳能产业中发挥重要作用。浙江省人均一次性能源资源低于全国平均水平，随着浙江省经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，能源消费总量逐年增加。2005年浙江省能源与利用状况（白皮书）指出， 2005年，浙江省内一次能源生产总量为1273万吨标准煤（等价值），比上年增长16.6%。其中，原煤产量44万吨，比上年下降22.5%，水电和核电发电量362亿千瓦时，比上年增长18.3%（含华东统调机组发电量）。全省净调入和进口能源总量为10720万吨标准煤，比上年增长9.4%。其中，从外省净调入能源量8040万吨标准煤，净进口2679万吨标准煤。净调入原煤9646万吨，比上年增长10.
6、9%；进口和调入原油2120万吨，比上年增长14.4%。全省一次能源自产量占能源消费总量的4.4%（当量值），全省能源消费总量的95%以上依靠外省调入和进口。近几年，浙江各地拉响能源短缺的警报。据统计，2007年浙江电力负荷率高达97，已成为我国最缺电的省份。2007年头5个月，浙江全省累计拉限电线路35万条次，拉限电负荷54000万千瓦，因缺电严重，浙江省所有的县市都实行了停二开五或停三开四的限电计划。在能源危机中，除了面临停工停产的企业，普通老百姓的生活也受到了影响。浙江用电量每年都在以20%左右的速度增长，然而浙江省发电厂的数量却只是和四年前一样多。打个比方，就像是用电增长和发电增长两个
7、人在赛跑，用电在往前面跑，建造发电厂也在往前面跑。但是用电增长跑得快，电厂建设跟不上，缺就成了必然。根据有关部门的预测，明后年的用电缺口将在30%以上。与一次性能源资源相比，浙江省可再生能源资源丰富，加快发展风能、太阳能等洁净可再生能源和对可再生能源进行深度开发可起到扬长避短的作用。“十五”期间，浙江省在可再生能源利用技术研究、开发和应用方面取得了可喜的成绩，为进一步发展奠定了良好的基础。在此基础上，现阶段研究太阳能、风能等可再生能源的开发和利用的关键性技术，扩大应用规模，建立示范工程，为增加我省能源供应、优化能源结构、改善环境、实现经济社会的可持续发展具有特别重要的战略意义。总而言之，随着工
8、业的发展浙江省乃至全国对能源的需求日益增大，一次性能源的消耗也越来越大，而且对全球的环境影响也越来越大，温室效应，地球变暖，为此，人们正在大力发展可再生的清洁能源，如风能。现有的风力发电技术已经比较成熟，即利用风力推动风叶转动，产生的机械能带动连接的发电装置动作而产生可供利用的电能；这种风车式的风力发电装置已经得到了广泛应用。然而，传统的风力发电装置都是依靠自然风运作的，因此，这种风力发电装置必须建设在风力资源丰富的地方，对风场选址要求较高；此外，自然风的风力时强时弱，有时甚至会停止，这种风力的间歇性使得发电机的输出波动很大，严重影响了发电机的暂态稳定、系统频率控制和负荷潮流，同时，其发电效率
9、及设备的利用率也不高，造成了资源浪费。本项目拟研究如何利用太阳光照射，加热太阳能集热装置的空气，热空气上升流动形成风；将上述热空气形成的风汇集在纵向设置的导风筒内，利用烟囱效应提高风速；利用上述风推动设置于导风筒上方的风力发电装置发电。在夜间无太阳光时，调节风力发电装置的风叶方向利用自然风力发电。可以在所述风叶上设置旋转机构，使风叶可竖直方向旋转，从而在晚上无法利用太阳能时，只要将风叶旋转90，即可变成正常的“风车”风力发电装置，利用自然风力发电；不仅进一步充分利用自然资源，还提高了本装置的利用率。研究利用太阳能产生稳定热风的方法和设计实现产生太阳能热风的装置，就具有特别重要的战略意义。浙江省
10、有很多家太阳能热利用产品的生产企业，如有多家太阳能热水器生产企业。随着太阳能热水器市场的饱和，目前，这些企业面临转产的局面。当我们开发的太阳能热气流风力发电系统产业化以后，这些企业完全可以转向生产太阳能热气流风力发电系统中的部分集热装置。一方面为太阳能热气流风力发电提供了强大的设备保证，另一方面也为这些企业的发展提供了很好的出路。太阳能热气流风力发电方法是一种新型的发电方法，是开发可再生能源的非常有效的一种途径，必将成为21世纪一种重要能源产业。本课题以研究利用太阳能热气流风力发电系统中太阳能热气流的产生方法以及进一步提高太阳能热气流发电系统效率为主。二、国内外研究现状和发展趋势利用太阳热能发
11、电是一门综合性的高技术，涉及太阳能利用、储能、新型材料技术、高效汽轮机技术和自动控制系统等问题，不少发达国家已投入大量人力物力。经过近40年研究，太阳能热力发电装置的单机容量已从千瓦级发展到了兆瓦级，目前世界上已有数十余座兆瓦级太阳能热电站投入运行。许多科学家纷纷预测，至21世纪初中期，太阳能热电电价极有可能降到与化石能源电价相同之水平。太阳能烟囱式热力发电是20世纪80年代首先由斯图加特大学的乔根施莱奇教授及其合作者提出并进行了长期的实验研究，其基本原理是利用太阳能集热棚加热空气以及烟囱产生上曳气流效应，驱动空气涡轮机带动发电机发电。这种发电方式无需常规能源，其动力的供给完全来自于集热棚下面
12、因太阳辐射所产生的热空气。基于这一原理构建的太阳能烟囱式热力发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和空气涡轮发电机组组成。工作过程与原理是太阳光照射集热棚，加热棚下面的土地（或蓄热器）和棚内空气，空气温度升高，密度下降，在太阳能烟囱的抽吸作用下形成一股强大的上升气流，驱动安装在烟囱底部中央的单台空气涡轮发电机或呈环形排列的多台小型空气涡轮发电机发电。同时，集热棚周围的冷空气进入棚内，形成持续不断的空气循环流动。空气循环流动时所产生的能量转换过程为：太阳热能(棚外)空气内能(棚内)空气动能(棚内+烟囱内)电能(涡轮发电机)。受德国研究与技术部资助，1982年在西班牙马德里南部150 km处的Manz
13、anares附近的La Mancha沙漠地区建立了第一座峰值发电功率为50kW的太阳能烟囱式实验性电站。电站主要由太阳能烟囱、集热棚和空气涡轮机三大部分组成，该实验电站的烟囱高195m，直径10m。与烟囱相连的集热棚直径240m，其边缘处与地面间隙约2m，中间处距地面8m。基于试验目的，该电站安装了144个传感器，以测试自然气象条件下各部件对涡轮发电机输 出功率和电站效率的影响。结果表明：发电成本可控制在0.1马克/kW，可靠率超过95%。自从德国政府投资1400万马克在西班牙建成了第一座太阳能烟囱式热力发电示范电站后，各国能源专家对这种简洁而全环保的发电方式表现出浓厚兴趣。南非的A.J.Ga
14、nnon等人对太阳能烟囱式热力发电系统循环及其发电涉及的流动和传热问题进行了研究，认为投资近4亿美元在南非北好望角建造200MW的太阳能烟囱式电站是可行的，并有可能与化石燃料电站竞争。美国的Krisst1983年在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座10W家用太阳能烟囱式发电装置，该装置的烟囱高10m，集热棚直径6 m。1997年佛罗里 达大学N.Pasurmarchi教授对所构建的3种太阳能烟囱模型进行了理论和实验研究。土耳其科学家Kulunk在土耳其伊兹密尔市建造了一个烟囱高2m，直径7cm，集热棚面积9m2，发电功率仅为0.14 W的微型电站，烟囱底部采用的涡轮机转子功率0.45 W，发
15、电效率31%，烟囱底部温差和压差分别是4和200Pa。在印度的拉贾斯坦的塔尔沙漠建一座10MW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。我国的华中科技大学受武汉市青年科技晨光计划资助已经开始从事这方面的研究，目前正在筹备建造一座50 W太阳能烟囱式发电装置，拟对集热棚和烟囱内的传热和流动过程进行数值模拟研究。上海交通大
16、学教育部太阳能发电及制冷工程研究中心运用一种简化分析方法对所构建的概念太阳能烟囱式电站的性能进行了预测，并针对宁夏地区气候特点，对其在银川、平罗和贺兰三个地区应用的可行性做了分析。在理论研究方面，最近几年国外的研究人员发表了多篇关于太阳能烟囱发电技术的文章。内容涉及太阳能热风电厂的理论设计，能量转换效率，性能改进，环境效应等问题。其中南非的VonBackstrom和Gannon A.J.对太阳能热风电厂内的可压缩流动，系统内空气压降，系统热力循环和能量损失以及透平性能强化等进行了研究，提出了IGV（即用烟囱的底座作为烟囱的入口导叶）的概念，取得了一系列领先的研究成果。此外，Ruprecht计算了200MW的太阳能热风电厂的空气流动情况并设计了透平装置。Dos Santos Bernarde给出了太阳能热风电厂的热力分析的计算机模拟，对未来太阳能热风电厂的建造具有指导意义。太阳能烟囱式热力发电可利用太阳能进行大规模发电，所需设备与技术相对较低，在太阳能资源丰富、荒地多且廉价、少水又缺电的欠发达工
