【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、煙囪內(nèi)上升氣流速度和輸出功率等）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： （ 1）使渦輪葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的最低氣流流速為 m/s。一旦流速超過(guò)該臨界值，渦輪便自動(dòng)開(kāi)啟，產(chǎn)生電 力輸入公共電網(wǎng)。 （ 2）輸出電功率和太陽(yáng)能輻射量緊密相關(guān)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 6 （ 3）在晚上煙囪內(nèi)仍有上升氣流，在夜晚也持續(xù)一段時(shí)間輸出電功率，這也證明了地面的儲(chǔ)熱效應(yīng)。 （ 4）太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行可靠。太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性主要由全年的總運(yùn)行時(shí)間決定。 1987 年 Manzanares 市有 3067 h 的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度超過(guò) 150W/m2。整個(gè)電站運(yùn)行 3157h 并輸出電功率到公共電網(wǎng)，其中包括 224 h 的夜晚運(yùn)行時(shí)間，這也證明了地面的儲(chǔ)熱效應(yīng)。在 1982～ 1989 年期間， Manzanares 實(shí)驗(yàn)電站已經(jīng)運(yùn)行了 大約15000 h。這些結(jié)果表明整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)及其組成部分是可靠的，完全能夠可靠地運(yùn)行。熱力學(xué)慣性是系統(tǒng)能夠連續(xù)不斷運(yùn)行的一個(gè)顯著特征，全天連續(xù)運(yùn)行是可能的。甚至在太陽(yáng)能輻射劇烈波動(dòng)時(shí)，大型發(fā)電站也能夠有效的運(yùn)行。 （ 5）從結(jié) 構(gòu)的角度來(lái)看，玻璃明顯比塑料更適合用做集熱棚材料。在電站運(yùn)行的第一年，部分塑料塊就變脆，被暴風(fēng)雨戳破，而頂部的玻璃卻一直完好無(wú)損。另外，降雨可以自然清洗玻璃棚也證明了玻璃對(duì)比塑料的優(yōu)越性。因只是暫時(shí)使用，所以沒(méi)有對(duì)煙囪的拉索采取防銹措施。 1989 年春天，由于嚴(yán)重生銹，且僅用耐久性差的輕 質(zhì)材料建成，煙囪在一場(chǎng)暴風(fēng)雨中被刮斷。 b. 微小實(shí)驗(yàn)原型 在實(shí)驗(yàn)原型研究方面，除了 50kW 電功率的 Manzanares 實(shí)驗(yàn)電站原型，另有 5 座微小實(shí)驗(yàn)原型相繼建成，用于實(shí)驗(yàn)研究，它們的結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)表 。 1983 年，美國(guó)科學(xué)家 Krisst 在康涅狄格州首府西哈特福德市建造了一座煙囪高度為10m，集熱棚直徑為 6m,輸出功率 10W 的庭園式太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置 [4]。 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)校園中的裝置 [5]如圖 所示：煙囪直徑從底部的 緩緩減小到 ，渦輪安裝在煙囪出口。這種設(shè)計(jì)起到了加 速氣流的作用，但同時(shí)也增加了出口動(dòng)壓損失。作者對(duì)原裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩次改進(jìn)：增大集熱棚面積到 263m2和在自然地面上增加吸熱層。通過(guò)對(duì)比改進(jìn)前后裝置內(nèi)空氣的溫度和速度大小發(fā)現(xiàn)： 兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 7 改進(jìn)都增加了發(fā)電功率。 表 微小實(shí)驗(yàn)原型的結(jié)構(gòu)尺寸 年份 地點(diǎn) 煙囪高度（ m） 集熱棚面積（ m2） 1983 美國(guó)，康涅狄格 10 28 1985 土耳其，伊茲密爾市 2 9 1997 美國(guó)，佛羅里達(dá) 66 2021 中國(guó)，武漢 8 79 2021 巴西，貝洛奧利藏特 11 491 Kulunk 建 造的微小太陽(yáng)能煙囪模型的煙囪底部渦輪轉(zhuǎn)子功率 ，輸出電功率為，煙囪底部和頂部的溫差和壓差分別為 4C? 和 200Pa[6]。 2021 年底，建造了我國(guó)第一座太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置。該裝置由直徑 10m 的玻璃集熱棚和高 8m、直徑 的煙囪組成 [7]。 圖 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)校園中的太陽(yáng)能煙囪模型 Kulunk 建造的微小太陽(yáng)能煙囪模型的煙囪底部渦輪轉(zhuǎn)子功率 ，輸出電功率為 ，煙囪底部和頂部的溫差和壓差分別為 4C? 和 200Pa[6]。 2021 年底，建造了我國(guó)第一座太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置。該裝置由直徑 10m 的玻璃集熱棚和高 8m、直徑 的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 8 煙囪組成 [7]。 2021 年，在巴西 Universidade Federal de Minas Gerais 大學(xué)校園中建造了一座太陽(yáng)能煙囪模型，如圖 所示，集熱棚為玻璃纖維材質(zhì)，呈水平狀，高 ，為減少內(nèi)部空氣與環(huán)境空氣在入口處產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)流而損失過(guò)多的熱量，入口處高度突然降低到。煙囪通過(guò)玻璃纖維材質(zhì)包覆木質(zhì)豎直框架制作成，分為 5 個(gè)模塊，每 個(gè)模塊高，模塊間通過(guò)螺絲銜接 [8]。 圖 巴西 Universidade Federal de Minas Gerais 大學(xué)校園中太陽(yáng)能煙囪模型 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀 2021 年，潘垣院士開(kāi)始在國(guó)內(nèi)大力倡導(dǎo)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電技術(shù)，提出建設(shè)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)對(duì)中國(guó)能源發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的深遠(yuǎn)影響。目前，該技術(shù)的研究已在國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展，在我國(guó)有 不 少單位眾多專(zhuān)家學(xué)者熱切關(guān)注這項(xiàng)技術(shù)并進(jìn)行了不懈的探索研究，但與世界先進(jìn)國(guó)家仍存在較大差距。目前國(guó)內(nèi)主要集中于以下幾個(gè)方面：小型太陽(yáng)能熱氣流實(shí)驗(yàn) 裝置的建設(shè)與實(shí)驗(yàn)；太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的熱力學(xué)分析；太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的 HAG 效應(yīng)；太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)在中國(guó)部分地區(qū)的可行性研究；太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的渦輪機(jī)布置方案研究；大容量商業(yè)運(yùn)行太陽(yáng)能熱氣流電站可行性研究。 利內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 9 用太陽(yáng)能產(chǎn)生熱氣流，進(jìn)而通過(guò)熱氣流發(fā)電，既沒(méi)有任何污染，而且可以將原有的沙荒地改造成良田。 2021 年初，位于靈武市的全國(guó)首個(gè)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電廠(chǎng)正式破土動(dòng)工。這不僅填補(bǔ)了我國(guó)利用太陽(yáng)能熱氣流進(jìn)行發(fā)電的空白，而且此項(xiàng)技術(shù)的科技水平同步走在了世界最前沿。 2021 年 3 月，在兩會(huì)上 ,溫家寶總理在《 政府工作報(bào)導(dǎo)》中提出 “ 積極發(fā)展核電、風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等清潔能泉 ” 。不言而喻，核電、風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電將成為我國(guó)大力發(fā)展的三大新能源。到 2020 年，核電從現(xiàn)在的近 910 千瓦發(fā)展到 7000 萬(wàn)千瓦；風(fēng)能發(fā)電規(guī)模將由 3000 萬(wàn)千瓦調(diào)整到 1 億千瓦 ；太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)模也將由 180 萬(wàn)千瓦調(diào)整到上千萬(wàn)千瓦；三大新能源作為我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè) ，必將成為我國(guó)下一輪經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎。 目前，出席 “ 中國(guó) 歐盟新能源技術(shù)創(chuàng)新合作論壇 ” 的中國(guó)國(guó)務(wù)院參事、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)石定寰透露， 10 年后中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電總量將相當(dāng)于 個(gè) 左右的 “ 三峽水電站 ” 。 “ 中國(guó)對(duì)到 2020 年的太陽(yáng)能發(fā)電規(guī)劃目標(biāo)將有重大調(diào)整，包括太陽(yáng)能熱發(fā)電在內(nèi)的總太陽(yáng)能發(fā)電量將達(dá)到 2021 萬(wàn)至 3000 萬(wàn) kW。較之以前的規(guī)劃目標(biāo)有 10 余倍的增長(zhǎng)。 ” 石定寰說(shuō)?？偣て谶_(dá) 17 年的三峽水利樞紐工程的水電總裝機(jī)容量為 1820 萬(wàn) kW。石定寰說(shuō)，由于中國(guó)嚴(yán)重依賴(lài)化石能源，已經(jīng)面臨著能源安全和環(huán)境污染的雙重壓力。據(jù)了解，在中國(guó)的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，煤炭占 69%，石油占 20%，而水電、核電、風(fēng)電等僅占 %。根據(jù)中國(guó)兩年前出臺(tái)的《百丁再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》， 2021 年，中國(guó)可再生能源 消費(fèi)量要達(dá)到能源消費(fèi)總量的 10%左右， 2020 年這一比例將達(dá)到 15%。太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)成為中國(guó)大力扶持的重點(diǎn)之一。目前，中國(guó)年生產(chǎn)能力超過(guò) 100MW 的太陽(yáng)能光伏電池制造企業(yè)已有 10 多家，已建成并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏。 國(guó)家能源局官員 2021 年 1 月 30 日稱(chēng)，先進(jìn)核能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源到 2050年將成為我國(guó)主力能源之一，改變我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)以煤為主的能源稟賦。國(guó)家能源局發(fā)展規(guī)劃司司長(zhǎng)江冰在此間舉行的一個(gè)能源論壇上說(shuō)，應(yīng)以掌握核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備自主制內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 10 造為主線(xiàn) ，推廣先進(jìn)成熟核電技術(shù)，大型太陽(yáng)能光伏電站要逐步由工程示范向 推廣階段轉(zhuǎn)變并積極推動(dòng)海上風(fēng)電、先進(jìn)生物燃料、電動(dòng)車(chē)充電系統(tǒng)等示范工程建設(shè)，加快核電快堆技術(shù)與先進(jìn)燃料循環(huán)系統(tǒng)、核聚變和可燃冰利用的研發(fā)。努力使新能源到 2030 年在我國(guó)能源系統(tǒng)中發(fā)揮重要替代作用，到 2050 年成為我國(guó)能源體系中主力能源的重要組成部分。此外，他建議要著力推進(jìn)國(guó)家重點(diǎn)能源基地建設(shè)把西部能源資源富集區(qū)的鄂爾多斯盆地、山西、蒙東西南、新疆等五個(gè)能源基地定位為國(guó)家重點(diǎn)能源基地進(jìn)行重點(diǎn)規(guī)劃開(kāi)發(fā)。據(jù)測(cè)算， 2030 年前這五個(gè)基地新增一次能源供應(yīng)量將占全國(guó)新增量的 85%左右。 我國(guó)對(duì)此領(lǐng)域的研究起步較晚，對(duì) 很多人來(lái)說(shuō)這還是一項(xiàng)陌生的技術(shù)。但令人高興的是，最近國(guó)內(nèi)的一些高校和科研院所也己開(kāi)始對(duì)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究。華中科技大學(xué)已經(jīng)建造了一座太陽(yáng)能煙囪式發(fā)電試驗(yàn)裝置，并對(duì)集熱棚和煙囪內(nèi)的傳熱和流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。葛新石和葉宏叫對(duì)太陽(yáng)煙囪發(fā)電及其固有的熱力學(xué)不完善性進(jìn)行了分析。代彥軍等運(yùn)用一種簡(jiǎn)化分析方法對(duì)所構(gòu)建的概念太陽(yáng)能煙囪式電站的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并針對(duì)寧夏地區(qū)的氣候特點(diǎn)，對(duì)其在銀川、平羅和賀蘭三個(gè)地區(qū)應(yīng)用的可行性做了分析。劉偉等對(duì) MW 級(jí)太陽(yáng)能熱氣流電站傳熱和流動(dòng)特性研究進(jìn)行了研究。明廷臻等對(duì)太陽(yáng)能熱氣流電站系 統(tǒng)的熱力學(xué)進(jìn)行了分析，提出了能量利用度的概念，并對(duì)不同尺寸的太陽(yáng)能熱氣流電站的性能進(jìn)行了分析計(jì)算。楊家寬等對(duì)太陽(yáng)能煙囪發(fā)電裝置溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究?？偟膩?lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)研究大多集中于熱力學(xué)、能源、渦輪機(jī)等方面，有關(guān)超高聳煙囪和超大跨集熱棚的結(jié)構(gòu)研究基本空白，這嚴(yán)重阻礙了太陽(yáng)能煙囪發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用。 北京市太陽(yáng)能研究所的研究員孫喆以西班牙太陽(yáng)能試驗(yàn)電站為基礎(chǔ)，分析在北京市某區(qū)建立太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的可行性，計(jì)算了不同氣候條件下其土壤內(nèi)的溫度分布和輸出功率。此后， 嚴(yán)銘卿與美國(guó) Sherif 教授聯(lián)合 ,對(duì)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的傳熱流動(dòng)特性進(jìn)行了理論分析，將渦輪機(jī)視為旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)，對(duì)渦輪機(jī)區(qū)域的流動(dòng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 11 出了輸出功率極值時(shí)的結(jié)構(gòu)特性，之后建立了系統(tǒng)傳熱數(shù)學(xué)模型。預(yù)測(cè)了系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率。之后將近 10 年，國(guó)內(nèi)關(guān)于太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電技術(shù)的研究陷于沉寂。 寧夏是太陽(yáng)輻射的高能區(qū)之一，太陽(yáng)能資源豐富，在全國(guó) 31 個(gè)省會(huì)城市太陽(yáng)能可利用狀況綜合排序中，銀川位列第三。因此，面對(duì)全球金融危機(jī)蔓延的態(tài)勢(shì)，新能源的研發(fā)和利用在寧夏顯得尤為重要。作為 “ 全國(guó)民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) ” 西北 地區(qū)惟一的參與單位，銀川市瑞明太陽(yáng)能有限公司在經(jīng)過(guò)多年的科技攻關(guān)后，終于成功破解了太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電中的技術(shù)難題。今年年初，他們又順利在靈武市向東 5 公里處的一片沙荒地上投資興建 1000kW 太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電廠(chǎng)。據(jù)介紹，太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電是利用地面反射太陽(yáng)熱量形成熱氣流，熱氣流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶動(dòng)葉片進(jìn)行發(fā)電。整個(gè)發(fā)電過(guò)程不需要燃料和冷卻水，因此不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。同時(shí)，由于電廠(chǎng)占地面積大，且需要陽(yáng)光充分，因此只能選在沙漠或荒灘地上，而電廠(chǎng)建筑結(jié)構(gòu)的特殊性正好起到了防風(fēng)固沙的作用。而且，由于集熱溫棚和地面存在高度差，正 好成為種植農(nóng)作物或進(jìn)行養(yǎng)殖的絕佳空間。經(jīng)測(cè)算，僅建設(shè)一座 1000kW 的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電廠(chǎng)，每年將節(jié)約 2021噸左右的標(biāo)準(zhǔn)煤，二氧化硫減排量達(dá)到 30 噸。 本文 主要 工作 第一章介紹了課題背景，以及在此背景下熱氣流發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。 第二章介紹了太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電工作原理和特點(diǎn)，并且闡述了逆變器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)。 第三章詳細(xì)地闡述了太陽(yáng)能熱氣流并網(wǎng)逆變器的主電路為三相電壓型逆變電路，以及分析了控制電路采 PWM 控制技術(shù)中的滯環(huán)比較方式的工作原理。 第 四 章 簡(jiǎn) 單 的 介 紹 MATLAB 和 Simulink 功能，重點(diǎn)介紹了逆變器MATLAB/SIMULINK 仿真，仿真出不同滯環(huán)寬度的波形，并對(duì)兩種仿真波形進(jìn)行了分內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 12 析。 第五章對(duì)本論文的主要內(nèi)容 進(jìn)行 總結(jié)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 13 第二章 太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電 與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、取材方便、運(yùn)行可靠、運(yùn)動(dòng)部件少、維修方便、成本低、無(wú)環(huán)境污染、晝夜運(yùn)行連續(xù)穩(wěn)定、使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，成為可再生能源發(fā)電的一種新方式，應(yīng)用前景廣闊。 太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電技術(shù)是太陽(yáng)能利用發(fā)展進(jìn)程中具有前瞻性的技術(shù) ，對(duì)世界化石能源替代、環(huán)境改善和生態(tài)重建等領(lǐng)域具有重要意義，故太陽(yáng)能氣流發(fā)電技 術(shù)是目前太陽(yáng)能研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。 近年來(lái)，我國(guó)也加大了這一技術(shù)的研究力度。 2021 年華中科技大學(xué)潘垣院士在我國(guó)大力倡導(dǎo)太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電技術(shù)并積極開(kāi)展研究 。 2021 年 12 月國(guó)內(nèi)第一個(gè)太陽(yáng)能煙囪在華中科技大學(xué)建成，負(fù)責(zé)有關(guān)項(xiàng) 目實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究。影響太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的主要因素為煙囪、集熱棚、透平和系統(tǒng)效率等。其中，集熱棚占地面積大，還需考慮土地 、材料等費(fèi)用。若采用縮小集熱棚面積，并能獲得相近的傳熱與流動(dòng)特性參數(shù)的太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo) 【 9】 。 太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電工作原理 太 陽(yáng)能塔熱氣流發(fā)電基本原理是利用了溫室效應(yīng)、煙囪效應(yīng)和渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電這三項(xiàng)人們?cè)缫咽煜げ⑶沂浅墒斓募夹g(shù)組合形成了一個(gè)全新的發(fā)電方式，它的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。在地面上設(shè)置一個(gè)龐大的太陽(yáng)能集熱器大棚，在太陽(yáng)能集熱器的中央豎立一個(gè)高大的太陽(yáng)能塔，集熱器頂棚與塔的底部緊密封接，在塔的運(yùn)行原理底部安裝渦輪機(jī)，也不復(fù)雜。由于太陽(yáng)的照射，太陽(yáng)能集熱器大棚下的空氣被加熱，加熱后的空氣形成上升氣流，通過(guò)中部的太陽(yáng)能塔排出，熱氣流驅(qū)動(dòng)設(shè)置在太陽(yáng)能塔底部的渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，大棚外的冷空氣則通過(guò)四周不斷被吸入補(bǔ)充。太陽(yáng)能塔熱氣流發(fā)電 的運(yùn)行原理如圖 所示。電力與塔的高度和集熱器面積的乘積成正比，也就是說(shuō)與圖 中圓柱體的體積成正比。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ）