能源—环境—生态协调发展的新型发电模式

RURALELECTRIFICATIONNewEnergy新能源2010年第02期 总第273期随着一次能源的日益枯竭以及环境污染严重等问题，新能源的开发利用越来越受到各国的广泛关注和重视。我国经济的快速发展也遭遇能源的制约，化石能源资源人均资源拥有量仅为世界人均的56%，常规能源难以支撑经济长期发展，同时环境问题也制约着我国经济的可持续发展[1]。所以说，通过科技创新，开发新能源，取代常规能源，发展可再生、无污染的清洁能源是发展经济、改善生态环境的重要方向，也是实现可持续发展的重要途径。太阳能是最原始的能源，地球上几乎所有能源都直接或间接来自太阳能。同时太阳能具有资源充足，永恒，分布广泛，安全、清洁，技术可靠等优点。21世纪内太阳能将成为全球主要能源之一。我国属太阳能资源丰富的国家之一，年太阳辐射大于1900 kW/m2的地区包括大部分国土，特别是人口密度不大的西藏、青海、新疆和内蒙古，地域辽阔，土地资源丰富，更适合建立太阳能发电基地[2]。1 太阳能热气流发电技术1.1结构与原理太阳能热气流发电也称为太阳能烟囱发电，主要由三个部分，即太阳能集热棚、太阳能塔和涡轮发电机组成。其基本原理是利用了温室效应、烟囱效应以及涡轮旋转发电这三项技术组合形成了一个全新的发电方式，它的结构简单，技术成熟。地面上设置一个庞大的太阳能集热棚，它是由透明材料建造的大棚，棚顶的中央与烟囱相连，棚的四周开放，在棚的底部安装涡轮机，集热棚下是用土壤、砂、石等材料做成的蓄热层，可克服太阳辐射周期性和间断性的弱点，实现系统发电的连续性和稳定性。具体见图1。由于太阳的照射，太阳能集热棚下的空气被加热后形成上升气流，通过中部的太阳能塔排出，热气流驱动设置在太阳能塔底部的涡轮机旋转带动发电机发电；同时，环境空气被源源不断的吸入棚内，维持系统的循环。整个集热棚实际上就是一个温室，其室内外温差可达35℃，在烟囱内形成的上升气流速度可达15 m/s[3]。1.2特点与传统的发电方式相比，新型的太阳能热气流发电系统具有结构简单、运动部件少、维修方便、运营成本低廉、无环境污染以及使用周期长等特点。同时，与太阳能光伏发电系统相比，太阳能热气流发电系统还有以下几个特点。昼夜运行连续稳定。能量密度低、日照波动大是太阳辐射的基本特征，同样也是人类在大规模开发和利用太阳能时难以逾越的障碍，太阳能光伏发电就是如此。太阳能热气流发电系统中集热棚底铺设的土壤、沙、石等蓄能可以吸收大量的太阳能并将其储存，所以这些储能材料可在日照变化的条件下，或是在夜间都可以向集热棚内的空气传递热量，从而保持系统持续稳定地发电。发电技术简单。太阳能热气流发电技术与传统发电技术非常相似，也是以涡轮机驱动发电机进而发电，不需要先进的技术；系统的工作介质为空气，无需冷却装置；热能源—环境—生态协调发展的新型发电模式杨培宏，内蒙古科技大学信息工程学院范鹏翔，包钢集团公司生产部摘要：该文在太阳能热气流发电系统的基础上构想出一种新型发电模式。这种发电模式将会更好地调和能源利用与环境之间的矛盾，实现能源、生态和环境的协调发展，大规模太阳能热气流发电系统则成为可再生能源发电的一种新技术，并会获得客观的社会效益和经济效益。特别是在沙漠地区发展这项太阳能发电技术，能够实现日光生电力，沙漠变绿洲的梦想。关键词：太阳能热气流发电站；环境治理；综合利用中图分类号：TK519 文献标志码:B 文章编号：1003-0867(2010)02-0045-02图1太阳能热气流发电原理图RURALELECTRIFICATION新能源NewEnergy2010年第02期 总第273期气流发电系统的构造简单，而施工所需材料如玻璃、水泥、钢材等可在当地获得，这一切都大大降低了造价和结构的复杂性，也使得建成后的电站无论是在运营上还是在维护费用上都具有很大的优势。因此，发展中国家建设此类电站很适合，不仅可以解决大量的劳动力，而且在当前形势下可以扩大内需。环境改善。太阳能热气流发电技术替代相同的火电厂可大量减少CO2、SO2以及氮氧化物的排放，这是所有新能源发电系统都具备的优点，但是太阳能热气流发电系统还可以利用其集热棚内的温室效应，有效利用温室内的土地，与农业相结合，从而形成系统发电和农作物种植以及植被改善等综合利用系统，特别是在沙漠地区，能够实现沙漠变绿洲以及生态重建。2 国内研究进展最早将太阳能烟囱技术应用于发电的构想起源于德国的Schlaich教授，这位杰出的建筑工程大师在建设高大建筑时认识了烟囱效应，并于1978年提出了著名的太阳能热气流发电技术[4-5]。近几年来，我国也加大了在这一领域的研究力度。据悉，国内第一个太阳能烟囱已于2002年12月在华中科技大学建成，它负责对有关项目进行实验及数值模拟研究。2003年，潘垣院士开始在国内大力倡导太阳能热气流发电技术，提出建设太阳能热气流发电系统对中国能源发展以及改善生态环境方面有着深远影响，使得太阳能热气流发电技术的研究在国内已深受广大专家学者关注。由内蒙古科技大学新能源研究所牵头的太阳能热气流发电实验基地在内蒙古乌海市建成，预计近期即可并网发电，其中，太阳能塔高为53 m，并由5台45 kW的8极异步发电机组成。若能够大规模推广太阳能热气流发电，不仅能够解决化石能源危机，环境污染，而且还能够解决内蒙古西部地区的沙漠化问题，能够真正做到能源、生态、环境协调发展。目前，国内对太阳能热气流发电技术主要集中于以下几个方面：小型太阳能热气流实验装置的建设与实验；太阳能热气流发电系统的热力学分析；太阳能热气流发电系统的HAG效应；太阳能热气流发电系统在中国部分地区的可行性研究；太阳能热气流发电系统的涡轮机布置方案研究；大容量商业运行太阳能热气流电站可行性研究。3 能源、环境及生态协调发展建设太阳能热气流电站不仅可实现能源替代和解决环境污染问题，还可以实现生态重组。3.1替代化石能源我国能源资源正在迅速减少，要解决化石能源匮乏的问题，必须尽快发展新能源，太阳能是最原始的能源，而太阳能热气流发电可望成为保持系统持续稳定的发电模式。3.2改善环境以煤为主的火电站造成了对环境的巨大污染，而我国目前仍是以这种发电模式为主。从国际形势来看，以化石能源为主的火力发电模式将逐渐被新能源发电模式所取代，新能源发电模式中，风能发电和太阳能发电是目前最受宠的发电模式，而这两种发电模式均存在一些自身难以克服的弱点，特别是太阳能光伏发电以及高温热发电均不能实现稳定连续的发电，因此，大规模发展太阳能热气流发电有望成为新能源发电的主要模式。3.3生态重建太阳能热气流发电系统最大的弊端就是发电效率低，占地空间大，进而导致太阳能热气流发电很难大规模发展并商业化。但是在西部的戈壁和沙漠地区，建造多个太阳能热气流发电站，并在集热棚内种植大量的植物，抽取地下水用以灌溉，可形成湿润的空气，可使荒漠化得到更为有效的治理。同时，还可利用电站集热棚这一巨大的温室，在自其入口至出口的大部分区域沿程种植各种适合不同温度特性的农作物。这样可以逐步实现植被对沙漠的反蚕食，形成生态的良性循环，使得几千年以来被人类逐渐破坏的生态逐步得到重建。4 结束语在我国，特别是西部地区大规模发展太阳能热气流发电系统，不仅能够替代化石能源发电，而且还对生态和环境起到了很大的作用，在发电的基础上能够治理沙漠，建立绿洲。所以说，太阳能热气流发电系统具有化石能源替代、环境改善以及生态重建三大功能，在中国大规模发展太阳能热气流发电系统的意义非常重大。参考文献[1] 胡立业. 太阳能规模化综合利用技术[J]. 上海电力，2006（5）：504-508.[2] 于静，车俊铁，等. 太阳能发电技术综述[J]. 世界科技研究与发展，2008,3 0(1)：56-59.[3] HAAF W.Solar chimneys，part II:preliminary test results from the Manzanares pilot plant[J] International Journal of Solar Energy，1984，3(2):141-161.[4] Schlaich J,Mayr G,HaffW. Aufw ind kraftwer ke-Die demonstration sanlage in MANZANARES,SPAN IEN[C].Proceedings of the National Conference on Power Transm ission.1980:97-112.[5] Schlaich J.The Solar Chimney[M].Edition Axel Menges.Stuttgart.1995.（责任编辑：马宗禹）