黄明华,刘广新,何雅玲,李安桂,陶文铨

(1.西安建筑科技大学建筑设备科学与工程学院,710055,西安;2.西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室,710049,西安;3.中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安)

世界上第一座太阳能烟囱发电站(SCPP)的设想是由德国科学家Schlaich在20世纪70年代末提出的,并于1981年由他及其团队设计和建造完成[1]。该电站位于西班牙的Manzanares附近,峰值功率为50 kW,太阳能集热棚半径为122 m,烟囱高度194.6 m,烟囱直径10 m。Manzanares试验电站在1982—1986年间成功地运行了36个月后在一场大风中被吹倒至今未能重建。Haaf在1984年发表了该电站的初步测试结果[2],证实了太阳能烟囱发电技术的可行性。太阳能烟囱发电站的示意图见图1。

图1 太阳能烟囱发电站示意图Fig.1 A schematic diagram of the SCPP

太阳能烟囱发电站由集热棚、风力透平和烟囱组成(图1),其中的物理过程大致可分为四个阶段:首先,入射和散射的太阳辐射通过集热棚的透明覆盖层投入到地面吸热层,地面下一定厚度的土壤被太阳能加热,一定量的热能被储存在土壤层,此外集热棚顶部和底部之间还发生辐射换热;空气流过地表被加热,内能增加导致温度升高、密度降低,受热空气与周围环境的温差和烟囱高度所产生的浮力驱动,空气由四周流向集热棚中心;热气流的动能驱动风力透平发电机组产生电能;最后热气流通过烟囱排向环境。

为了收集足够多的太阳能用来发电,太阳能烟囱发电站需要巨大的集热棚和较高的烟囱。相比于一般的能源建筑,这种大型的建筑结构更需要合理的设计。……