黃亮一

摘 要：本文研究了太陽(yáng)能光伏熱氣流發(fā)電站采用在普通的太陽(yáng)能熱氣流電站的集熱棚上覆蓋光伏電池的方法。基于蘭州地區(qū)的氣象參數(shù)（太陽(yáng)輻射度，月平均日照時(shí)數(shù)）建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型并通過(guò)計(jì)算機(jī)編程輔助加以計(jì)算。計(jì)算分析結(jié)果表明在集熱棚上覆蓋了光伏電池雖然會(huì)降低系統(tǒng)的輸出功率，但通過(guò)這種方法表現(xiàn)出小尺寸的太陽(yáng)能光伏電站具有解決目前太陽(yáng)能熱氣流電站需要超大尺寸與超高煙囪問(wèn)題的潛力。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；熱氣流發(fā)電系統(tǒng)；光伏發(fā)電系統(tǒng)

目前將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能主要有兩種方法：光電法和光熱法。太陽(yáng)能光伏熱氣流發(fā)電站采用在普通的太陽(yáng)能熱氣流電站的集熱棚上覆蓋光伏電池的方法。太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電作為二十世紀(jì)80年代才興起的新興太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)，具有較高的效率和經(jīng)濟(jì)性。該系統(tǒng)由集熱棚、煙囪和透平三個(gè)主要部分組成，它成功地將3種成熟技術(shù)結(jié)合為一體：溫室技術(shù)、煙囪技術(shù)和風(fēng)力透平機(jī)技術(shù)。[1]

集熱棚使用金屬框架作為支撐，其四周與地面留有一定的間隙。大約90%的太陽(yáng)可見光能夠以短波輻射的穿過(guò)由玻璃或塑料等透明材料組成的集熱棚并被棚內(nèi)地面吸收。同時(shí)集熱棚利用溫室效應(yīng)能阻隔由地面發(fā)出的長(zhǎng)波輻射。因此，太陽(yáng)能集熱棚是形成了一個(gè)有效捕集和貯存太陽(yáng)能的系統(tǒng)。集熱棚內(nèi)的空氣溫度由于棚內(nèi)被加熱的地面與棚內(nèi)空氣之間發(fā)生了熱交換而升高。集熱棚內(nèi)部空氣在受熱后密度下降而造成空氣上升，進(jìn)入煙囪中。在煙囪中上升過(guò)程中熱空氣速度提高并推動(dòng)煙囪內(nèi)透平發(fā)電。同時(shí)集熱棚外部的冷空氣通過(guò)四周的間隙流入集熱棚中。從而形成了集熱棚內(nèi)空氣的連續(xù)流動(dòng)。[2]

質(zhì)量流量變小時(shí)，空氣在集熱棚中的升溫和在煙囪內(nèi)膨脹導(dǎo)致的溫降都會(huì)變大，熱氣流電站內(nèi)透平功率仍然減??；當(dāng)質(zhì)量流量變大時(shí)，氣流速度隨之變快，空氣在集熱棚內(nèi)部流動(dòng)時(shí)間短，溫升量變低，透平功率隨之變大?？諝庠诩療崤飪?nèi)獲取的太陽(yáng)能能大部分被用于向上推動(dòng)煙囪內(nèi)的熱氣流，克服集熱棚和煙囪的摩擦力損失以及隨煙囪出口氣流所攜帶動(dòng)能而流失，而用于推動(dòng)透平旋轉(zhuǎn)從而發(fā)電的有用功比較小。[3]

太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)因?yàn)橹苯永脺厥倚?yīng)而沒(méi)使用太陽(yáng)能聚光設(shè)備，光電轉(zhuǎn)換效率較低，因此為了達(dá)到設(shè)計(jì)功率需要巨大面積的集熱棚和高大的煙囪。[4]為了經(jīng)濟(jì)方面上降低電力生產(chǎn)成本，電站就應(yīng)該就建成萬(wàn)千瓦級(jí)別電站。該級(jí)別的熱氣流電站需要數(shù)公里直徑長(zhǎng)的集熱棚、千米級(jí)別的煙囪，這在設(shè)計(jì)和建造上是巨大的挑戰(zhàn)。[5]

我們通過(guò)數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)模擬，研究了光伏電池面積比對(duì)太陽(yáng)能光伏熱氣流復(fù)合系統(tǒng)發(fā)電性能的影響規(guī)律，提出了最佳面積比的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，主要研究工作如下：

（1）利用全年平均太陽(yáng)輻照度，建立斜坡太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用C語(yǔ)言編制相關(guān)計(jì)算程序。通過(guò)程序模擬的基礎(chǔ)，提出太陽(yáng)能光伏熱氣流復(fù)合系統(tǒng)光伏電池面積比的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

（2）基于集熱棚效率、總體發(fā)電效率、出口空氣參數(shù)分析太陽(yáng)能光伏熱氣流復(fù)合系統(tǒng)光伏電池面積比對(duì)復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)的影響。

第一項(xiàng)工作主要是從熱力學(xué)、傳熱學(xué)等基本定律出發(fā)，基于年平均太陽(yáng)輻照度和集熱棚面積與光伏電池面積建立了光伏熱氣流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在求解方程時(shí)，需要輸入該地的氣象輻射資料和日照小時(shí)數(shù)并設(shè)定太陽(yáng)能光伏熱氣流復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)的幾何尺寸。

第二項(xiàng)工作主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M來(lái)證明，集熱棚有效面積是影響復(fù)合系統(tǒng)性能的重要因素?；谔m州的太陽(yáng)輻射度，平均日照時(shí)數(shù)，我們?cè)诮⒘艘欢ǖ那疤岬谋尘跋陆⒘颂?yáng)能光伏熱氣流復(fù)合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并通過(guò)計(jì)算機(jī)編程進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序的模擬運(yùn)算得到不同光伏電池面積比下的系統(tǒng)性能與各項(xiàng)參數(shù)，最終得出了如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）光電系統(tǒng)中光伏電池的面積和光熱系統(tǒng)中集熱棚的面積都是影響各自系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。隨著光伏電池面積的增加或者集熱棚面積的增加，相應(yīng)系統(tǒng)的功率都在隨著增加。太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的總功率與其集熱棚面積近乎線性關(guān)系，而光伏電池發(fā)電系統(tǒng)總功率與光伏電池面積的關(guān)系較復(fù)雜在光伏電池面積百分比超過(guò)67%時(shí)，光伏電池的發(fā)電功率持續(xù)提高。因此，光伏電池面積占總面積百分比不斷增加的時(shí)候，總產(chǎn)電功率先是下降，到達(dá)復(fù)合系統(tǒng)總功率谷底時(shí)，隨著電池面積不斷增加，集熱棚面積不斷減少總產(chǎn)電功率開始再次升高。

（2）雖然光伏電池占總面積百分比超過(guò)70%且繼續(xù)增加時(shí)，總發(fā)電量開始反彈，但是在光伏電池占面積84%時(shí)發(fā)電量依然不如純粹的太陽(yáng)能熱氣流電站發(fā)電效率?？紤]到光伏電池的配套設(shè)備自身也需要一定的集熱棚面積進(jìn)行安置。可以認(rèn)為安裝了500000塊光伏電池時(shí)已經(jīng)是極限情況的發(fā)電量。

（3）集熱棚覆蓋面上平均溫度會(huì)隨著光伏電池面積的增加，集熱棚可用面積的減少而不斷降低。然而在覆蓋了500000塊光伏電池的極限情況下，集熱棚平均溫度從286K降低到284K降溫幅度只有0.6%。其對(duì)太陽(yáng)能光伏熱氣流復(fù)合系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)的影響可以忽略不計(jì)?？梢钥闯鰪?fù)合系統(tǒng)功率的主要因素仍然是光伏面積與集熱棚面積。

（4）隨著光伏電池面積的增加，集熱棚的有效面積不斷減小，然而有效面積對(duì)其出口密度和集熱棚自身效率的影響很小。當(dāng)集熱棚面積減小時(shí)，大幅度的影響了出口速度使其快速下降，這也導(dǎo)致了出口流量的大幅度減小和煙囪內(nèi)透平的發(fā)電功率下降。

（5）在光伏電池面積變化率相同時(shí)，每月日照時(shí)數(shù)與光伏部分功率變化率以及光熱部分功率變化率呈正比。而室外溫度的變化對(duì)系統(tǒng)總體效率的影響較小。

我們的研究是基于復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量最大的原則設(shè)計(jì)并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)算。光伏電池的數(shù)目影響到光伏部分的有效面積與光熱部分的集熱棚面積，從而直接影響到系統(tǒng)總發(fā)電量，同時(shí)光伏電池部分覆蓋率對(duì)總電量的影響同樣每月日照時(shí)數(shù)所控制。事實(shí)上由于各地電站的地理位置差異，和各個(gè)月太陽(yáng)輻射量不同，進(jìn)一步的工作應(yīng)該確定出具體氣象因素對(duì)面積和發(fā)電量變化率的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱海林.太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)集熱器的傳熱與流動(dòng)過(guò)程的研究[D].東華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[2]周新平，楊家寬.肖波.太陽(yáng)能煙囪發(fā)電試驗(yàn)裝置內(nèi)流場(chǎng)的CFD模擬研究[J].熱力發(fā)電，2006（3）：23-26.

[3]張楚華.大型太陽(yáng)能煙囪發(fā)電站熱力分析與計(jì)算[J].可再生能源，2007（7）：3-4.

[4]徐濤，劉曉紅.對(duì)煙囪式和塔式太陽(yáng)能熱力發(fā)電系統(tǒng)的分析[J].廣州航海高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2009（2）：24-27.

[5]言惠.太陽(yáng)能煙囪發(fā)電--太陽(yáng)能利用的新葩[J].上海大中型電機(jī)，2004（1）：1-2.