太阳能烟囱

太阳能烟囱技术发展综述摘要：本文介绍了太阳能烟囱的发展和典型应用，概括了太阳能烟囱在自然通风和发电方面 的原理、研究现状和前景；简单介绍了太阳能烟囱在干燥和抽取地下水方面的特点、原理和 应用前景。关键词：太阳能烟囱；自然通风；发电；干燥；抽取地下水The Summary of Technology of Solar ChimneyAbstract: This article introduces the development and typical applications of solar chimney and summarizes the principle, current status and prospect of which solar chimney uses for strengthening natural ventilation and electricity generation. The character, principle and future application of solar chimney for drying and pumping underground water is also introduced simply. Key words: solar chimney natural ventilation electricity generation drying pumping underground water0 引言 随着能源危机和环境污染的加剧，各种新能源的研究应运而生。太阳能由于其清洁无污 染和取用不尽的特点受到越来越多的关注。其中，太阳能烟囱作为一种被动的太阳能利用方 式，由于不需要消耗电能和其他化石能源，成为太阳能利用领域的热点。其实，太阳能烟囱 的技术很早就被人们利用。太阳能烟囱作为通风装置至少在16 世纪意大利就出现了，被成 为“Scirocco rooms” 1。我国传统建筑中的四合院，庭院细高的天井等都是利用烟囱效 应来通风、降温、排烟的典型，从某种意义上来说，这些建筑己经包含了太阳能烟囱设计的 思想。然而，真正意义上的太阳能烟囱出现在1967 年,是由法国太阳能实验室主任Felix Trombe教授提出的太阳能吸热壁，被称为Trombe墙。在近几十年，国内外很多学者分别在其不同的应用领域，对其进行了各种各样的理论、 实验和数值模拟的研究。目前，太阳能烟囱的典型应用有如下四种：室内自然通风、发电、 干燥、抽取地下水。本文详细介绍了自然通风和发电的研究历史和现状，叙述了目前研究的 问题和难点，对于干燥和抽取地下水进行简单介绍，并分析了它们研究和应用的前景。1 太阳能烟囱强化自然通风1.1 典型形式和原理 太阳能烟囱用于强化自然通风的典型形式有两种：太阳能集热墙和太阳能集热屋面。分 别如以下图1和图2所示。现以Trombe墙体式结构为例简述太阳能烟囱的工作原理，太阳辐射透过透明玻璃盖板 进入烟囱通道后被蓄热材料吸收，加热通道内的空气，使之产生内外密度差，完成热压到风 压的转换，驱动通道内空气向上流动。夏季时室内空气由集热墙下部进入太阳能烟囱通道， 被吸收太阳辐射的集热墙加热温度升高、密度降低后从上部出口排出至室外，以此达到通风 效果。冬季工作原理与夏季相同但运行工况相反，室外冷空气进入太阳能烟囱通道，经集热 墙加热温度升高后，从集热墙上部入口进入室内，从而达到通风换气以及供暖的目的3。1.2 研究焦点和现状 所有关于这方面的研究都是针对各种影响太阳能烟囱强化自然通风的因素的具体效以 及如何提高其通风效率的问题。太阳能烟囱的结构形式、空气通道宽度、进口面积、出口面 积、壁面热流、太阳辐射强度、烟囱的高度和深度(玻璃盖板与集热墙的间距)对建筑物所 形成的速度场、温度场都存在较大影响，因而自然通风的通风量也有所不同，直接影响室内 的通风换气效果。目前有关利用太阳能烟囱强化自然通风的研究主要集中于烟囱的高度和深 度以及进口面积的优化，通过实验研究和理论模拟得到最大气体流速条件下对应的结构参 数。Bansal等人定性地分析了太阳能烟囱与风塔共同引发的自然对流，结果预测出太阳能烟 囱的效果在低风速下较好。Bouchair对典型的空洞太阳能烟囱用于室内时的自然对流过程进 行了实验研究，研究发现存在一个可以获得最大通风量的最佳太阳能烟囱高度和空气通道的 宽度的比值，如果烟囱宽度过大，在通道中心存在空气回流。结果还发现，当间隔距离在0.2 0.3m时气体的质量流速最大；当低于0.1m时，进口面积对质量流速无影响；当升至0.3 0.5m 时，随面积的增大，气体流速增大。同时，流速还随着表面温度的增加而增大5。目前的研究多集中于如何提高太阳辐射热的吸收以及通风效率的研究，能用于实际工程 的模型则较少，归纳起来现有的研究还存在着以下几点不足之处： 1)对于各种结构的太阳 能烟囱缺乏统一完整的理论分析，结果较为零散，缺乏实际的指导意义，能够用于工程设计 的资料不多。 2) 尚未对不同结构形式的太阳能烟囱进行经济性比较，缺乏在不同的气候条 件下可行性分析。 3) 现有的研究都是针对太阳能烟囱在单个房间的通风性能，现实中建筑 一般都为多层，因此有必要对太阳能烟囱强化通风在高层建筑及住宅楼中的应用进行研究。 4)现有文献对各种太阳能烟囱的结构参数和环境因素对通风效果的影响进行了分析，但没 有就各种参数的综合影响进行研究。今后应加强太阳能烟囱影响因素的综合研究。另外还可 以将不同形式的太阳能烟囱结合，以达到更好的通风效果；与空调系统、风塔等设备相互结 合，进一步挖掘太阳房节能潜力10。2 太阳能烟囱发电技术2.1基本原理利用太阳能发电最早是由德国Schlaich等11在1978年提出了建造太阳能烟囱电厂(SCPP)的设想。发电原理如下图3所示：该系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分构成。太阳光穿过 透明的集热棚，被棚内地面吸收，棚内被加热的地面与空气之间的热交换使集热棚内空气温 度升高，受热空气由于密度减小而上升，进入棚内的烟囱。同时棚外冷空气通过四周的间隙 进入集热棚，从而形成了空气的循环流动。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。2.2研究现状和问题影响发电效率的因素主要有：太阳辐射、环境和地面温度、积热棚覆盖材料的热物理属 性、烟囱壁的保温隔热性及烟囱的几何尺寸，包括：高度、直径、形状、积热棚直径和离地 高度等。目前的研究就是针对上述因素的影响规律展开，并找出提高发电效率的方法。Ninic17 对于在不使用高大固体烟囱条件下，对热气流获得潜能的最大利用因子进行 了讨论，结果表明，在集热棚中获得的可用能的一部分可使涡轮机上部空气柱中的旋风运动 得到保证，并且能够起到固体烟囱的作用。Pre to rius等18就集热棚透明材料的质量、厚 度、反射率、发射率、形状、绝缘性，集热棚支撑架的横截面，各种地面类型，地表面粗糙 度、吸收率、发射率，涡轮组和烟囱支撑轮辐的损失系数、环境压力和气温等对大型太阳能 烟囱电厂性能的影响进行了分析，结果表明，集热棚材料的绝缘性、反射率、发射率、环境 气温，地面吸收率、发射率是主要影响因素。Atit等19认为，可依据相似原理来进行小型 太阳能烟囱电厂的试验研究。目前研究发现当电站的建造地点和材料选定时，系统几何尺寸便成为影响系统性能的主 要因素，包括烟囱高度、直径、形状和集热棚的直径等13。在其他参数不变的条件下，增 大烟囱的高度将会增大烟囱的容积，从而显著增大系统的效率，但是超高烟囱的防风防震的 安全问题是技术上的难点12。同时集热棚占地面积一般较大，且容易被尘土覆盖，使发电 效率大幅度下降。因此，太阳能烟囱发电的应用受到一定的限制，一般认为非常适宜于沙漠 地区。我国西部有大量荒地、沙漠，太阳辐射丰富，比较宜于太阳能烟囱发电的应用，因此， 有必要加大对它的研究。3 太阳能烟囱干燥技术太阳能烟囱对自然通风的强化和集热性能能够更好地完成传统干燥工艺的任务。使用太 阳能烟囱技术来完成水分蒸发任务，首先集热板覆盖区域内的温度较高，高温条件下的水分 蒸发速度将高于露天的自然干燥过程；同时太阳能烟囱借助太阳辐射能来加速内部空气的自 然循环流动，提高了物料表面的空气流速，增加了瞬态条件下物料表面的湿度梯度，提高了 水分蒸发的推动力，使整个过程得到了强化。由于太阳能烟囱能够吸收大量的太阳辐射能， 同时干燥物料处于集热板覆盖区域内，所以整个干燥过程受外部环境因素影响较小。太阳能干燥装置主要有空气集热型和温室型两类。目前，我国的太阳能干燥装置主要是 低温干燥型，干燥温度在4065C之间6。温室型干燥器的结构与栽培农作物的温室相似， 温室即为干燥室，待干物料被置于温室内，直接吸收太阳辐射，温室内的空气被加热升温， 物料脱去水分，达到干燥的目的。集热型干燥器是太阳能空气集热器与干燥室组合而成的干 燥装置，这种干燥器利用集热器把空气加热到6070C,然后通入干燥室，物料在干燥室内 实现对流热交换过程，达到干燥的目的。从操作系统来看，此类干燥器可以比较好地与原有 的常规能源干燥装置相结合，用太阳能全部或部分地代替常规能源。该系统在干燥房顶上设 有自然通风口。这样可以根据物料的干燥特性调节空气流量，提高干燥速度，同时降低风机 能耗。在晴天条件下，不需启动风机，仅利用自然通风就可进行干燥20。温室型太阳能干燥器结构简单，造价低，太阳能利用效率高，但由于温升较小，在干燥 含水率高的物料时（如蔬菜、水果等），温室型干燥器所获得的能量不足以在较短的时间内 将物料干燥至安全含水率以下。为增加能量以保证被干燥物料的干燥质量，在温室外增加一 部分集热器，就组成了集热器-温室型太阳能干燥装置，如下图4所示。我国是一个农业大国，干燥作业是农副产品加工过程中一个必要的环节，而且耗能巨大。 我国太阳能资源丰富，利用太阳能干燥装置既可以节约能源，又可缩短干燥周期，提高农产 品质量，投资少，回收期短，经济效益显著。4 太阳能烟囱抽取地下水由于太阳能烟囱发电的局限性，特别是超大型烟囱因高度而产生的安全问题，所以用其 直接抽取地下水是一个不错的解决方案，特别是对于我国西部缺水的地区。如下图4所示是 利用太阳能烟囱抽取地下水的原理。图5 太阳能烟囱抽取地下水原理图太阳光透过塑料或玻璃材料的集热棚加热地面。为了增加地面的蓄热性能，将地面铺设 一层水管作为蓄热材料。由于温室效应，集热棚内空气温度升高，热空气膨胀而向集热棚中 央流动，进入集热棚中央的烟囱。实际应用的烟囱一般采用钢筋混凝土结构，以保证一定的 强度和防风抗震性能。上升的气流在烟囱中加速上升，推动安装在烟囱底部的涡轮机旋转 并通过机械传动带动曲轴连杆机构推动传动杆作垂直往复运动。抽水机抽取的地下水通过过 滤器被提升到高位水塔中。高位水塔中的水通过喷淋设施清洗集热棚表面的灰尘，也可以输 送到远处。太阳能烟囱抽水技术一般采用中低型烟囱，回避了大型烟囱发电须修建超高烟囱的难 题，且实现了烟囱系统的自清洗过程，还弥补了现有的光伏提水成本太高的不足，克服了风 力提水受风场和地域限制的缺点。由于太阳能集热棚下面的地面具有蓄热功能，太阳能烟囱 不但白天可以抽水工作，晚上地面释放的热能也可以维持其继续抽水21。因此，该技术在 类似我国西部地区有巨大的应用前景。5 结论在太阳能烟囱技术的应用领域里，最有可能在实际生产生活中推广的是强化自然通风和 用于农产品干燥，抽取地下水则在我国西部拥有广阔前景。这些应用方式目前还正处于研究 阶段，并没有重大的可实际应用的突破。然而，随着研究的深入，必定距离实际应用越来越 近。由于本身的优点，也必会被越来越多的人了解和欢迎。而由于发电成本过高，就目前的 情况来看，太阳能烟囱用于发电还不现实。随着常规能源的日渐衰竭，太阳能必然会受到越 来越多的青睐，而太阳能烟囱技术也有希望在不久的将来得到实际的推广应用。参考文献1Cristofalo S, Orioli S, Silvestrini G, et al. 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