太阳能热气流风力发电技术与示范Word文档格式.docx
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我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，共计10亿kW。
太阳能、风能与存在于自然界的矿物燃料能源煤、石油、天然气不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此太阳能和风能可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。
中国的东南沿海及三北地区（西北、华北北部、东北）有丰富的风能资源，而这些地区又都存在能源短缺及环境污染问题。
因此通过利用太阳能和风能发电来改变能源结构并改善环境，不失为能源开发领域中的重要策略之一。
我国幅员辽阔，太阳能资源丰富，太阳能利用条件较好的地方占我国国土面积的2／3以上。
西北和青藏高原更是得天独厚，年平均日照时间2200小时以上，年辐射总量在1500~1800kWh／m2，是我国重要的太阳能应用基地，将来一定会在我国的太阳能产业中发挥重要作用。
浙江省人均一次性能源资源低于全国平均水平，随着浙江省经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，能源消费总量逐年增加。
2005年浙江省能源与利用状况（白皮书）指出，2005年，浙江省内一次能源生产总量为1273万吨标准煤（等价值），比上年增长16.6%。
其中，原煤产量44万吨，比上年下降22.5%，水电和核电发电量362亿千瓦时，比上年增长18.3%（含华东统调机组发电量）。
全省净调入和进口能源总量为10720万吨标准煤，比上年增长9.4%。
其中，从外省净调入能源量8040万吨标准煤，净进口2679万吨标准煤。
净调入原煤9646万吨，比上年增长10.9%；
进口和调入原油2120万吨，比上年增长14.4%。
全省一次能源自产量占能源消费总量的4.4%（当量值），全省能源消费总量的95%以上依靠外省调入和进口。
近几年，浙江各地拉响能源短缺的警报。
据统计，2007年浙江电力负荷率高达97％，已成为我国最缺电的省份。
2007年头5个月，浙江全省累计拉限电线路35万条次，拉限电负荷54000万千瓦，因缺电严重，浙江省所有的县市都实行了停二开五或停三开四的限电计划。
在能源危机中，除了面临停工停产的企业，普通老百姓的生活也受到了影响。
浙江用电量每年都在以20%左右的速度增长，然而浙江省发电厂的数量却只是和四年前一样多。
打个比方，就像是用电增长和发电增长两个人在赛跑，用电在往前面跑，建造发电厂也在往前面跑。
但是用电增长跑得快，电厂建设跟不上，缺就成了必然。
根据有关部门的预测，明后年的用电缺口将在30%以上。
与一次性能源资源相比，浙江省可再生能源资源丰富，加快发展风能、太阳能等洁净可再生能源和对可再生能源进行深度开发可起到扬长避短的作用。
“十五”期间，浙江省在可再生能源利用技术研究、开发和应用方面取得了可喜的成绩，为进一步发展奠定了良好的基础。
在此基础上，现阶段研究太阳能、风能等可再生能源的开发和利用的关键性技术，扩大应用规模，建立示范工程，为增加我省能源供应、优化能源结构、改善环境、实现经济社会的可持续发展具有特别重要的战略意义。
总而言之，随着工业的发展浙江省乃至全国对能源的需求日益增大，一次性能源的消耗也越来越大，而且对全球的环境影响也越来越大，温室效应，地球变暖，为此，人们正在大力发展可再生的清洁能源，如风能。
现有的风力发电技术已经比较成熟，即利用风力推动风叶转动，产生的机械能带动连接的发电装置动作而产生可供利用的电能；
这种风车式的风力发电装置已经得到了广泛应用。
然而，传统的风力发电装置都是依靠自然风运作的，因此，这种风力发电装置必须建设在风力资源丰富的地方，对风场选址要求较高；
此外，自然风的风力时强时弱，有时甚至会停止，这种风力的间歇性使得发电机的输出波动很大，严重影响了发电机的暂态稳定、系统频率控制和负荷潮流，同时，其发电效率及设备的利用率也不高，造成了资源浪费。
本项目拟研究如何利用太阳光照射，加热太阳能集热装置的空气，热空气上升流动形成风；
将上述热空气形成的风汇集在纵向设置的导风筒内，利用烟囱效应提高风速；
利用上述风推动设置于导风筒上方的风力发电装置发电。
在夜间无太阳光时，调节风力发电装置的风叶方向利用自然风力发电。
可以在所述风叶上设置旋转机构，使风叶可竖直方向旋转，从而在晚上无法利用太阳能时，只要将风叶旋转90°
，即可变成正常的“风车”风力发电装置，利用自然风力发电；
不仅进一步充分利用自然资源，还提高了本装置的利用率。
研究利用太阳能产生稳定热风的方法和设计实现产生太阳能热风的装置，就具有特别重要的战略意义。
浙江省有很多家太阳能热利用产品的生产企业，如有多家太阳能热水器生产企业。
随着太阳能热水器市场的饱和，目前，这些企业面临转产的局面。
当我们开发的太阳能热气流风力发电系统产业化以后，这些企业完全可以转向生产太阳能热气流风力发电系统中的部分集热装置。
一方面为太阳能热气流风力发电提供了强大的设备保证，另一方面也为这些企业的发展提供了很好的出路。
太阳能热气流风力发电方法是一种新型的发电方法，是开发可再生能源的非常有效的一种途径，必将成为21世纪一种重要能源产业。
本课题以研究利用太阳能热气流风力发电系统中太阳能热气流的产生方法以及进一步提高太阳能热气流发电系统效率为主。
二、国内外研究现状和发展趋势
利用太阳热能发电是一门综合性的高技术，涉及太阳能利用、储能、新型材料技术、高效汽轮机技术和自动控制系统等问题，不少发达国家已投入大量人力物力。
经过近40年研究，太阳能热力发电装置的单机容量已从千瓦级发展到了兆瓦级，目前世界上已有数十余座兆瓦级太阳能热电站投入运行。
许多科学家纷纷预测，至21世纪初中期，太阳能热电电价极有可能降到与化石能源电价相同之水平。
太阳能烟囱式热力发电是20世纪80年代首先由斯图加特大学的乔根·
施莱奇教授及其合作者提出并进行了长期的实验研究，其基本原理是利用太阳能集热棚加热空气以及烟囱产生上曳气流效应，驱动空气涡轮机带动发电机发电。
这种发电方式无需常规能源，其动力的供给完全来自于集热棚下面因太阳辐射所产生的热空气。
基于这一原理构建的太阳能烟囱式热力发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和空气涡轮发电机组组成。
工作过程与原理是太阳光照射集热棚，加热棚下面的土地（或蓄热器）和棚内空气，空气温度升高，密度下降，在太阳能烟囱的抽吸作用下形成一股强大的上升气流，驱动安装在烟囱底部中央的单台空气涡轮发电机或呈环形排列的多台小型空气涡轮发电机发电。
同时，集热棚周围的冷空气进入棚内，形成持续不断的空气循环流动。
空气循环流动时所产生的能量转换过程为：
太阳热能（棚外）→空气内能（棚内）→空气动能（棚内+烟囱内）→电能（涡轮发电机）。
受德国研究与技术部资助，1982年在西班牙马德里南部150km处的Manzanares附近的LaMancha沙漠地区建立了第一座峰值发电功率为50kW的太阳能烟囱式实验性电站。
电站主要由太阳能烟囱、集热棚和空气涡轮机三大部分组成，该实验电站的烟囱高195m，直径10m。
与烟囱相连的集热棚直径240m，其边缘处与地面间隙约2m，中间处距地面8m。
基于试验目的，该电站安装了144个传感器，以测试自然气象条件下各部件对涡轮发电机输出功率和电站效率的影响。
结果表明：
发电成本可控制在0.1马克/kW，可靠率超过95%。
自从德国政府投资1400万马克在西班牙建成了第一座太阳能烟囱式热力发电示范电站后，各国能源专家对这种简洁而全环保的发电方式表现出浓厚兴趣。
南非的A.J.Gannon等人对太阳能烟囱式热力发电系统循环及其发电涉及的流动和传热问题进行了研究，认为投资近4亿美元在南非北好望角建造200MW的太阳能烟囱式电站是可行的，并有可能与化石燃料电站竞争。
美国的Krisst1983年在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座10W家用太阳能烟囱式发电装置，该装置的烟囱高10m，集热棚直径6m。
1997年佛罗里达大学N.Pasurmarchi教授对所构建的3种太阳能烟囱模型进行了理论和实验研究。
土耳其科学家Kulunk在土耳其伊兹密尔市建造了一个烟囱高2m，直径7cm，集热棚面积9m2，发电功率仅为0.14W的微型电站，烟囱底部采用的涡轮机转子功率0.45W，发电效率31%，烟囱底部温差和压差分别是4℃和200Pa。
在印度的拉贾斯坦的塔尔沙漠建一座10MW太阳能烟囱发电站的计划曾得到论证并开始实施，但由于印度和巴基斯坦之间的核竞赛使该计划落空。
自从1995年起，由物理学家沃尔夫沃尔特·
斯廷纳领导的小组已提出计划2004年在南非边远的沙漠城锡兴附近建造200MW太阳能烟囱发电站方案，但这庞大的计划仍存在许多巨大的困难，其中所需要的1500m高烟囱的计划是目世界上前所未有的。
我国的华中科技大学受武汉市青年科技晨光计划资助已经开始从事这方面的研究，目前正在筹备建造一座50W太阳能烟囱式发电装置，拟对集热棚和烟囱内的传热和流动过程进行数值模拟研究。
上海交通大学教育部太阳能发电及制冷工程研究中心运用一种简化分析方法对所构建的概念太阳能烟囱式电站的性能进行了预测，并针对宁夏地区气候特点，对其在银川、平罗和贺兰三个地区应用的可行性做了分析。
在理论研究方面，最近几年国外的研究人员发表了多篇关于太阳能烟囱发电技术的文章。
内容涉及太阳能热风电厂的理论设计，能量转换效率，性能改进，环境效应等问题。
其中南非的VonBackstrom和GannonA.J.对太阳能热风电厂内的可压缩流动，系统内空气压降，系统热力循环和能量损失以及透平性能强化等进行了研究，提出了IGV（即用烟囱的底座作为烟囱的入口导叶）的概念，取得了一系列领先的研究成果。
此外，Ruprecht计算了200MW的太阳能热风电厂的空气流动情况并设计了透平装置。
DosSantosBernarde给出了太阳能热风电厂的热力分析的计算机模拟，对未来太阳能热风电厂的建造具有指导意义。
太阳能烟囱式热力发电可利用太阳能进行大规模发电，所需设备与技术相对较低，在太阳能资源丰富、荒地多且廉价、少水又缺电的欠发达工业国家和地区具有相当的吸引力及与常规能源发电的竞争力。
国外对太阳能烟囱式热力发电技术的三大部件在材料、设计、工艺及理论方面进行了长达二十多年的研究，而国内在这方面的研究时间短，力度小。
三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点。
本项目开发太阳能热气流产生的方法和设计实现产生太阳能热气流的装置，进一步提高太阳能热气流发电效率。
（1）利用太阳光照射，加热太阳能集热装置的空气，热空气上升流动形成风；
（2）将上述热空气形成的风汇集在纵向设置的导风筒内，利用烟囱效应提高风速；
（3）利用上述风推动设置于导风筒上方的风力发电装置发电。
上述技术方案中，在夜间无太阳光时，调节风力发电装置的风叶方向利用自然风力发电。
总的说来目前太阳能烟囱风力发电方法虽然具有诸多优点，但也存在某些缺点与不足，主要有以下6个方面：
（1）驱动涡轮发电机所需的热空气是通过集热棚的温室效应产生的，发电效率低。
目前太阳能热风发电所需的热空气是在集热器内根据“温室效应”原理而获得。
集热器的玻璃顶棚距地面2～6m，由水平覆盖的玻璃或塑料构成。
短波可以从集热器辐射出去而地面辐射的长波却无法穿越集热器。
（2）烟囱（导风桶）底部和顶部的温差、压差较小，发电效率低。
（3）集热棚的透明材料，很容易被尘土盖上，不易清洗，使透明材料的热交换效率下降；
（4）在大风下，透明材料易被破坏；
（5）超高烟囱的防风防震的安全问题也值得进一步探讨，目前世界上最高的人工建筑物是加拿大的多伦多电视塔只有550m高；
（6）与普通的风力机相比，大结构的太阳能烟囱内的涡轮发电机在经济上是不合算的。
风力发电存在的如下主要问题：
风力发电站建设过程当中风电场的选址是风电场建设首先应解决的问题，也是风电场建设过程当中十分关键的一步，直接关系到风电场经济效益的好坏。
因为风况决定风电机的发电量，风况是风电场选址必须考虑的主要因素。
风资源特点决定设备年利用小时仅2500～3400h。
造成设备的利用率低，给生产造成损失。
由于自然风的间歇性，风力发电机输出波动较大，波动时间范围从数秒至数年。
时间从数秒到数分钟的波动可能在短时间内影响常规发电设备的暂态稳定、系统频率控制和负荷潮流。
当前，太阳能烟囱热风发电有两方面需要突破的地方：
第一个方向涉及在太阳能烟囱发电系统中如何收集太阳能问题，即太阳能集热的方法。
这对于太阳能烟囱热风发电是至关重要的。
太阳能收集的好，发电效率就高。
这就需要研究能够产生太阳能热风的太阳能集热方法。
第二个方向涉及太阳能烟囱热风发电系统转换效率以及基于太阳能热风发电固有的热力学性不完善的研究。
太阳能烟囱热风发电技术实质上是太阳热发电，受热力学定律的制约，热力学第二定律效率极低，这就需要研究能够提高热力学第二定律效率的方法。
第三个方向涉及超高烟囱的防风防震的安全问题。
总之，随着我们对太阳能热风风力发电系统研究的深入，研究太阳能热风发电的意义与条件逐步显现。
拟申请的项目研究旨在研究太阳能热风产生的方法，探讨适合于产生太阳能热风的太阳能集热和传热机理，并且设计有效的实现方法，为广阔的太阳能热力用领域打下坚实的基础，具有十分重要的理论意义与应用价值，希望我们的工作能为使我国在这一研究领域取得国际领先地位贡献一定的力量。
本项目研究在太阳能热气流发电系统中热风的产生方法，其创新点有：
（1）在太阳能热气流发电系统中，突破传统的利用温室效应产生热风的方法，首次提出太阳能热风利用太阳能集热设备塔式太阳能锅炉、平板形太阳能集热器、全玻璃真空管太阳能集热器、真空管太阳能集热器或其组合产生。
受热的空气向上流动驱动烟囱内部的风力发电机发电。
（2）采用新型太阳能集热方法的基础上，进一步提高太阳能热气流发电系统中热力学第二定律的效率。
太阳能热气流发电原理示意图
四、项目预期目标（主要技术经济指标、社会效益、技术应用和产业化前景以及获取自主知识产权的情况）。
1）主要技术经济指标：
本项目设置的集热器可使导风桶（烟囱）内气流温度升高大于50℃，所能形成的上升气流速度约为35m/s。
将太阳能转换效率由目前的不足1％，转换效率提高到大于5.1％。
2）社会效益、技术应用和产业化前景：
本专项形成具有浙江特色的太阳能热气流风力发电产业，有效增加浙江省能源供应，优化浙江省能源结构，建设推广多项应用太阳能热气流风力发电示范工程，培育多家重点企业家，预计实现年新增产值2亿元，利税2000万元以上。
在形成多家太阳能热气流风力发电产业化示范工程基础上，带动相关产业发展（太阳能热力用产品生产企业），形成新的经济增长点。
浙江省有很多家太阳能热水器生产企业，随着太阳能热水器市场的饱和，目前，这些企业面临转产的局面。
当我们开发的太阳能热风发电系统产业化以后，这些企业完全可以转向生产太阳能热风发电系统中的部分集热装置。
培养太阳能热气流风力发电技术的研发与管理人才等15名以上。
3）预期研究结果：
开发具有自主知识产权、处于国际、国内领先水平的太阳能热气流风力发电关键共性技术3项以上，新产品10个以上；
专利申报和授权达到8项，其中发明专利3项以上。
（1）开发新型的太阳能集热风力发电方法，建造高于目前太阳能集热风力发电效率的太阳能热风发电系统。
（2）设计新型的太阳能集热方法。
（3）太阳能热风发电系统热力学特性数学建模、分析和参数优化。
（4）在国内外重要刊物上发表高级别论文3～5篇。
（5）发明专利至少3项，实用新型专利至少5项。
4）利用研究结果计划和今后发展思路
在浙江省乃至全国大规模建造太阳能热风风力发电站，缓解浙江省乃至全国电能短缺的严重局面。
当然作为一种新型的太阳能热风风力发电技术，随着太阳能集热技术的发展，太阳能热风发电的效率也将进一步提高。
（1）在基础、技术、工程应用三个层面上，结合能量利用系统创新集成优化理论，研究系统中太阳热能转换—储存—传输—再生电能过程中的动力学、热经济学，热传递现象理论，以及储能系统中的应用基础问题。
（2）建立相应能量流转换的理论和模型。
包括建立设计、运行、控制三个层次一体化模型，目标函数，决策变量和约束集。
拓展现代分析研究方法及有效健壮的数值方法，开发相应的计算软件和控制软件。
（3）实现能量流转换、传递过程高效化和能量储输技术的创新，并完成相关高效储输和转换系统中关键技术的研发与优化工作，力求达到可工程应用的实用水平，为促进纯太阳能热力发电高技术和产业的发展提供科学与技术支撑。
五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解。
1）实施方案
太阳能热风发电的工作过程为空气在集热器内被加热，形成的太阳能热风上升气流驱动透平发电机组发电。
此过程的能量转换过程分为3个部分：
太阳能转换为热能，热能转换为风能，风能最后转换为电能。
（1）太阳能热风的形成方式。
太阳能热风的形成主要依靠太阳能集热装置。
太阳能集热由两部分组成：
其一为由太阳能集热板组成的上下开口呈锥体结构；
其顶部开口与高塔下端开口相匹配，集热板经太阳光照射，将太阳能转化为热能，加热集热板下面周围的空气；
其二，在由太阳能集热板组成的上下开口呈锥体结构内部，安装有散热器，散热器中流动高温的气体或高温液体，进一步加热由太阳能集热板组成的上下开口呈锥体结构内部的空气，所述散热器中流动的高温气体或高温液体由外部的太阳能聚光设备塔式太阳能锅炉、平板形太阳能集热器或真空管太阳能集热器加热驱动。
（2）太阳能烟囱。
太阳能烟囱是摩擦损失较小的压力管道。
锥形塔里面加热的空气温度上升值与烟囱内所形成的风力成正比。
本项目设置的集热器可使空气温度升高大于50℃，所能形成的上升气流速度约为35m/s。
（3）在太阳能烟囱上安装风力发电机，利用风能和太阳能进行互补，一方面提高发电功率，另一方面削减大风对太阳能烟囱装备的破坏。
（4）对太阳能集热装置和烟囱内温度场和流动场进行三维数值模拟计算，优化太阳能烟囱发电装备的结构和效率。
2）技术路线
在该项目中，我们将从三个方面来研究和开发太阳能热风产生方法。
太阳能热气流产生由太阳能集热装置产生。
太阳能集热装置由两部分组成：
其二，在由太阳能集热板组成的上下开口呈锥体结构内部，根据空间大小安装足够的散热管或散热器，散热管或散热器中流动高温的气体或高温液体，进一步加热由太阳能集热板组成的上下开口呈锥体结构内部的空气。
散热管中流动高温的气体或高温液体由外部的太阳能聚光设备塔式太阳能锅炉、平板形太阳能集热器、全玻璃真空管太阳能集热器或真空管太阳能集热器加热驱动。
本项目中太阳能热气流产生装置主要是太阳能聚光设备塔式太阳能锅炉、平板形太阳能集热器、全玻璃真空管太阳能集热器或真空管太阳能集热器。
在此基础上研究用计算流体力学的方法对整个太阳能热风发电系统的流场、温度场和压力场进行数值模拟，优化导风桶和锥形集热装置的几何参数。
采用新型太阳能集热方法的基础上，进一步提高太阳能热风发电系统中热力学第二定律的效率。
太阳能热气流发电系统中的太阳能集热设备由塔式太阳能锅炉、平板形太阳能集热器、全玻璃真空管太阳能集热器、真空管太阳能集热器或其组合构成。
前面提到的太阳能集热设备具有很好的太阳能集热特性。
目前，太阳能聚光设备塔式太阳能锅炉、平板形太阳能集热器、全玻璃真空管太阳能集热器或真空管太阳能集热器等都已市场化。
对现有的太阳能聚光设备塔式太阳能锅炉、平板形太阳能集热器、全玻璃真空管太阳能集热器或真空管太阳能集热器在形式上和结构上做相应的改进就可以应用于太阳能热风发电系统，加热空气产生太阳能热风。
当然，针对现有的太阳集热设备，研究更适合太阳能热风发电的太阳能集热装置，也是本项目研究的内容。
总之，不论从理论还是实际，产生利用太阳能驱动的热风是却是可行的。
在采用新型太阳能集热方法的基础上，进一步提高太阳能热风发电系统中热力学第二定律的效率。
3）组织方式
本专项的组织方式采取产、学、研密切结合的方式进行，由XX公司和XX大学联合攻关，XX大学负责设计和安装，XX公司参与研制、建设和组织鉴定。
项目申请人具有工学博士学位，有十多年的理论教学、实践和科研经验，多年从事可再生能源的开发利用技术，参加省科技厅和教育部科研课题多项，在《中国电机工程学报》、《电工电能新技术》以及《太阳能学报》等刊物发表论文二十多篇，具有较强的科研能力。
专项负责人主要研究方向：
电气自动化、可再生能源开发利用技术、电源技术等。
累计发表论文50余篇。
曾获浙江省科技进步三等奖一项。
4）课题分解：
XX公司主要承担集热设备的设计与施工、技术指标的测试、实验方案的落实等工作。
XX大学主要承担系统方案的设计、数据分析、系统优化等工作。
六、现有工作基础和条件。
申请单位XX大学系省教育厅直属高校，专业教师中均毕业于国内著名高校，学源广。
“可再生能源的开发与利用”被列为校优先发展学科，现有专任教师20人，其中教授3人，副教授7人。
近3年新增实验室用房2000平方米，累计投入实验室建设资金1200万元。
科研工作取得了较大的进展，完成多项国家级和省部级课题。
已立有教育部、省科技厅、科技局和学校等校级以上课题30多项，国内外二级以上刊物发表相关论文三百多篇，具有较强的科研开发能力。
XX公司是浙江省专门从事无机热超导管系列化产品的开发、制造、经营的高新技术企业。
公司已全面通过ISO9001：
2000国际质量体系认证，并被中轻部评为全国太阳能热水器行业质量放心·
国家标准合格产品，获得国家强制性产品CCC认证、产品通过欧盟CE安全认证。
公司倡导产学研相结合，积极研制
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