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1、中国矿业大学徐海学院太 阳 能 利 用 技 术结课论文学院: 中国矿业大学徐海学院 姓名: 潘阳 班级: 热能 12-1 班 学号： 22121378 0浅析太阳能热气流发电系统摘要在地球环境污染和能源形势日趋严峻的今天，太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点，越来越受到人们的重视，太阳能发电技术的应用更是目前关注的焦点。本文综述了太阳能发电的发展概况、研究动态及应用前景。并对太阳能电池板的工作原理进行介绍，还介绍和分析了电源逆变技术的相关理论和实现方法，并根据这些理论设计了带有自调节功能的太阳能发电装置.关键词能源 太阳能 热气流发电 可再生能源Abstra
2、ctWith the background of serious pollution and energy crisis today; the solar energy, as a novel green and renewable energy, which is abundant, economic and non-pollution, attracts lots of attentions; and the application of the solar thermoelectric and photovoltaic energy technology has been the foc
3、us which people attend to. The survey, development and application foreground of solar thermoelectric and photovoltaic energy technology are given and the study of solar hybrid generator system are presented。and the significance of solar power has been presented too. The work principle of solar pane
4、ls has been introduced and the related theory and method were also descripted in detail. In addition, the solar power device with regulating function has been designed which based on the above theories.Key wordsPower; Solar power; Solar hot air-flows power; Renewable energy 1sorces1 引言1.1 传统化石燃料的开发使
5、用会带来一系列的问题(1)能源短缺由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到 2020 年，天然气也只能延续到 2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，如不尽早找到化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。(2)环境污染当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量;局部地区形成酸雨，严重污染水土。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。(3)
6、温室效应化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全球气候变化。这一问题己提到全球的议事日程，其影响甚至己超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国 等温室2CO气体的排放量。太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、处处均可开发利用、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。我国是太阳能资源十分丰富的国家之一，太阳能的开发利用将有巨大的潜力和市场前景，它不仅能带来良好的社会效益和环境效益，而且还具有明显的经济效益，是一个十分诱人的新能源与可再生能源 。太阳是地球永恒的能源，它以光辐射的形式每秒钟向太空发射约 3.810MW 能量，其中
7、22 亿分之一 投射到地球表面。到达地球大气层外的太阳辐20射能为 132.8141.8MW/cm,被大气反射、散射、或吸收之后，约有 70%投射到2地面。地球上一年中接收到的太阳能辐射高达 1.810 KWh，是全球能耗的数18万倍。巨大的太阳能是地球万物生长之源，除了其永恒和巨大外，它还具有广泛性、分散性、随机性、间歇性、区域性和清洁性等特点。在石油、天然气和核矿藏日趋枯竭的今天，充分利用太阳能显然具有持续供能和环境保护的双重意义。2 太阳能热发电2.1 热气流发电太阳能热气流技术是利用太阳能的辐射热能加热空气从而产生太阳一空气一重力效应( Helio-Aerofiravity Effec
8、t，简称 HAG 效应)，从而利用其空气动能进行发电以及通风制冷等应用的新技术，是太阳能热利用的重要方面。1967 年法国太阳能实验室主任 Felix Tromhe 教授首次提出后来被命名为Tromhe 墙太阳能吸收壁，用以强化室内自然通风换热。1978 年德国著名建筑土程师 Schlaich 教授首次提出了 Solar Chimney Power Plant System( 太阳能热气流发电系统)。太阳能热气流技术充分利用太阳能这一取之不尽的可再生能源并且以其对环境友好、设计原理简单、储能能力高、适宜大规模发电等诸多优点，在其被提出后的几十年内一直是国内外能源研究者热衷的研究方向。2.1.1
9、 太阳能热气流发电技术的基本原理太阳能热发电技术是利用烟囱中向上流动的热气流驱动风轮做功，并不是今天的新概念，早在 20 世纪就有这样的提法。由于现代技术和材料科学的发展，可以建造高大的烟囱，使得太阳能热气流发电在技术上已经变得可行。此外，油价的上涨及环保的要求，使太阳能热气流发电逐渐成为人们开发利用新能源的一个值得探索的途径。太阳能热气流发电具体的过程和原理是：太阳光照射集热棚，加热棚下面的土地（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3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
10、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）。 太阳能热气流电站的实际构造由 3 部分组成：大篷式地面空气集热器、烟囱和风力机。太阳能热气流发电站的地面空气集热器，是一个近地面一定高度、罩着透明材料的大篷。阳光透过透明材料直接照射到大地上，大约有 50% 太阳辐射能量为土地所吸收，其中 1/3 的热量加热罩篷内的空气，1/3 的热量贮于土壤，1/3 的热量用于反射辐射和对流热损失。所以，大地是太阳能热气流电站的蓄热槽。形成的热空气在烟囱中流动，理论上是由于烟囱内外侧空气的温差，也就是密
11、度差，产生了驱动空气在烟囱内向上流动的动力。这里的烟囱是将空气中的热能转换为压力能的变换器。烟囱的效率随其高度而线性增大，并几乎保持恒定地下降到温差只有几度（）时的效率值。太阳能热气流发电的原理图42.1.2 太阳能烟囱热气流电站性能分析作为一种新颖的可再生能源发电技术，近些年国内外学者一对太阳能烟囱电站建造可行性、系统动力性能、发电成木、结构优化等多方面进行了详细的研究。太阳能烟囱热气流实验电站的建立在西班牙第 1 座太阳能热气流实验电站建成之后，20 纪 80 年代，美国学者 Krisst、土耳其学者 Kulunk 相继建造了电站系统的原型模型进行实验研究。20 世纪 90 年代，美国学者
12、 Herif 和Pasumarthi 改进了原有的实验模型，将集热棚的外边缘进行了斜坡式扩展，引入蓄热介质作为吸热器，并且建造了几种不同形式太阳能烟囱热气流电站，结果表明这 2 种方式都增加了系统的输出功率，提高了系统的可行性。由于太阳能热气流电站规模非常巨大，建造电站原型模型需要投入较大的资金，因此建造微小实验模型模拟电站土作过程也逐渐受到各国研究者的重视，据统计目前国内外共有 5 座微小太阳能热气流实验电站投入使用。太阳能烟囱热气流电站热动力学以及模拟研究近几年国内华中科技大学的刘伟等在前人的研究基础上对太阳能热气流电站热动力学理论、流动。传热特性、结构优化等方面进行了深入的理论分析和模拟
13、研究。研究建立了基于Braytou 循环的热气流电站系统循环，指出透平压降和太阳辐射强度是系统输出功率的重要影响因素，而大量的高温气体随烟囱排出造成系统能量损失的主要因素，电站系统的蓄热材料性质对电站运行效率有着重要的影响，预测了 10 兆瓦太阳能烟囱热气流电站的集合结构和整体造价，为国内发展大型太阳能烟囱热气流电站提供了重要的理论依据。在国外 Atit Koousrisuk 等人通过建立详细的数学模型进行数值模拟得到在何单位面积上的电站输出功率与烟囱成正比，应用无量纲数分析了透平的压降规律和影响因素，指出集热棚和集热棚与烟囱连接处的压降在系统压降计算中均可以忽略不计。巴西的 Bernarde
14、 教授、南非的 Vou Backstron 教授通过研究 2 种不同能量输出控制方式的太阳能烟囱热气流电站的得出电站透平的最佳压降比为 2/3 - 0.97 之间，并且随着 1 天时间的变化这个最佳压降比不是一个常数而是与集热棚内热对流系数相关的一个变量。泰国学者 Atit Koousrisuk 和 Tawit Chitsomhoon 通过无量纲分析，将 8 个初始变量合并为 15个新的无量纲常数 ，证明了 可以适用于完全相似模拟和部分相似模拟的相似特征数，为建立电站系统的原型模型和相似模型的关系进行模拟实验奠定了基础。上海理工大学杨茉教授领导的课题组研究了典型的热气流电站底部空气入口处的热流
15、密度和集热棚高度对系统热流状态的影响，通过模拟计算表明集热棚的入口高度有一个最佳值。天津大学的朱朋、王一平等人通过微小模型的实验比较了土壤系统、密闭水体系统和强化换热系统(ASE)等不同形式的蓄热材料对系统温升性能的影响，得出不同蓄热材料在集热棚内的温度上升趋势，为热气流电站系统的结构优化提供了依据。2.1.3 太阳能热气流电站新技术立式集热板太阳能热气流发电系统由于目前的太阳能烟囱效率普遍较低，为提高太阳能热气流电站的运行效率提高其竟争性，一些新的太阳能热气流发电技术也在积极研发之中。青岛科技大学的周艳博士结合了太阳能烟囱发电和太阳能集热技术提出了一种依托于高楼建筑的立式集热板太阳能热气流发
16、电系统。该系统的主要部分有立式的集热墙、蓄热装置、绝热层透平发电机组成。传统的大面积集热棚贝立式的烟囱外墙和选择性吸收涂层所代替，因而大大节省了系统的占地面积，集热器和建筑物绝热外墙之间形成的通道代替传统的太阳能烟囱。空气在烟囱内被自下而上不断加热密度减小，从而引起浮升运动带动底部的透平机发电。这样的设计使得太阳能热气流发电可以适用于人口稠密的城市地区。螺旋型太阳能集热棚为解决太阳能热气流电站集热棚占地面积大、材料消耗高等问题，华中科技大学的李卉梓、陈念桥等人在 2009 年提出了螺旋型太阳能集热棚的概念。通过对该集热棚电站系统的模拟分析表明相对于西班牙Manzanare 电站，在同等输出功率下新型电站的集热棚半径减小了 25 %，材料用量减少了 44 %，因此显不出明显的经济性和商业优势。太阳能与风能结合发电技术在我国的西部地区，荒芜的土地资源较为丰富，而且太阳能和
