CN102852744A

CN102852744A - 一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法

Info

Publication number: CN102852744A
Application number: CN2012103590590A
Authority: CN
Inventors: 王子龙; 张华�; 胡立业
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明涉及一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法，太阳能热风发电系统中太阳能集热器受到太阳光加热，其内部空气受热密度减小并沿太阳能集热器顶进入太阳能烟囱，在太阳能烟囱内形成上升气流驱动安装在太阳能烟囱内的风力透平发电机组发电；将圆形区域的太阳能集热器根据温度的不同划分成不同的区域，从圆形中心为内到外分为高温区、中温区、低温区；不同季节，将农作物依据不同的生长温度置于太阳能集热器下的不同温度区域，将农业生产和热风发电技术紧密结合，根据不同条件，最大程度的发挥了两者各自的优势，提高了太阳能的综合利用率，提高了土地资源的综合利用率，同时降低了农业和发电的成本，扩大了太阳能热风发电系统的应用范围。

Description

一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法

技术领域

本发明涉及一种能源、电力运用技术，特别涉及一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法。

背景技术

在能源问题日益突出的今天，太阳能的开发利用已成为实现能源可持续发展的重点。太阳能发电是一种新兴的可再生能源，其生产过程不会产生环境污染，又不会消耗其它地球资源或导致地球温室效应，因此受到世界各国的重视。

太阳能的利用有光电转换和被动式利用（光热转换）两种方式。光电转换主要是通过光伏电池将太阳能转换成电能，但是现有的光伏电池普遍存在着效率不高、稳定性低、适应能力差、体积庞大且系统复杂等缺点，并且其电池效率随着电池温度的上升而降低，因此，还需增加一定的散热设备，更进一步提高的光伏发电的成本，不利于光伏发电的进一步推广。

太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学J. Schlaich教授于1978 年提出的。该发电系统主要有3个基本组成部分：具有高透光性顶棚(如玻璃) 的集热器、太阳能烟囱和透平发电机组。太阳光以辐射形式加热集热器下面的地面，使之温度升高。环境空气进入集热器后，受地面和阳光加热，密度减小并沿集热器顶进入太阳能烟囱，在太阳能烟囱内由于“烟囱作用”形成上升气流。当集热器面积足够大时，烟囱内的上升气流就可驱动安装在太阳能烟囱内的风力透平发电机组发电。同时，环境空气不断进入集热器，形成持续的气流流动。太阳能热风发电技术具有一系列优点：(1) 太阳能几乎是取之不尽, 用之不竭的清洁能源, 太阳能热风发电对环境无污染；(2) 太阳能热风电厂通过设置蓄热系统，可实现全天候运行；(3) 太阳能热风电厂设备简单，透平发电机组是唯一的运动部件，维护费用低；(4) 不需冷却水、不产生二氧化碳气体，对缓解全球变暖有积极作用。

国内外学者对太阳能热风烟囱产生了浓厚的兴趣。1982 年德国和西班牙合作，在西班牙的Manzanares建造了第1 座太阳能热风试验型电站。这座电站的烟囱高度为195 m，烟囱直径为10.3 m，集热棚直径约242 m，集热器面积约46 000 m²。电站内设置了蓄热系统可实现连续供电。白天透平发电机的转速为1500 r/min，输出功率为100 kW；在夜间透平发电机的转速为1 000 r/min，输出功率40kW。1983 年美国科学家Krisst建造了一座烟囱高度为10 m，集热器直径为6 m，输出功率为10W 的庭院式太阳能热风发电装置。1997 年在美国佛罗里达大学花园建造了3 种不同形式的太阳能烟囱模型，并进行了理论和试验研究。土耳其科学家Kulunk在土耳其的伊兹密尔市建造了1 个微型电站，这个电站的烟囱高2 m，直径为7 cm，集热器面积为9m²，发电功率为0.14W，烟囱中的涡轮机转子功率为0.45W，发电机效率为31%。

国内太阳能热风发电技术的研究起步较晚。华中科技大学建立了1座小型的太阳能热风发电装置，并能正常运行。上海理工大学搭建了一座太阳能热风烟囱试验台，试验系统中集热棚直径为6.5m，烟囱高度为10m，烟囱直径为0.3m，发电功率为5W。上海交通大学对将太阳能热风发电技术应用于我国宁夏地区的可行性和方案做了研究。此外，中国科技大学的葛新石和叶宏对太阳能热风发电系统的热力学不完善性做了分析。指出太阳烟囱发电技术实质上是太阳热发电，它受热力学定律的制约，作为热发电系统,热源的热空气温度很低,即使在理想条件下，系统的发电效率也较低。

传统的太阳能热风发电技术存在以下缺点：1.其发电效率较低；2.占地面积较大；3.经济效益有限。对于我国，由于经济发展的不平衡性，东西部的经济有一定的差别，这对于太阳能热风烟囱的发展会产生一定的影响，主要表现在，西部地区土地资源丰富，但经济条件较差，建造大规模的热风发电烟囱有一定的困难，而东部地区虽然经济条件较好，但土地资源有限，不适合建造大面积的热风发电系统。

发明内容

本发明是针对目前太阳能热风发电系统经济效益较低的问题，提出了一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法，可以有效解决目前热风发电系统所存在的问题，将农业生产和热风发电技术紧密结合，根据不同条件，最大程度的发挥了两者各自的优势，提高了太阳能的综合利用率，提高了土地资源的综合利用率，同时降低了农业和发电的成本，扩大了太阳能热风发电系统的应用范围。

本发明的技术方案为：一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法，太阳光很强烈时，太阳能热风发电系统中太阳能集热器受到太阳光加热，其内部空气受热密度减小并沿太阳能集热器顶进入太阳能烟囱，在太阳能烟囱内形成上升气流驱动安装在太阳能烟囱内的风力透平发电机组发电；所述的太阳能集热器为直径100～10000米的圆形区域，将此圆形区域根据太阳能集热器温度的不同划分成不同的区域，从圆形中心为内到外分为高温区、中温区、低温区；春秋季，将农作物依据不同的生长温度置于太阳能集热器下的中温区或低温区；冬季，将农作物依据不同的生长温度置于太阳能集热器下的高温区、中温区、低温区。

所述太阳能集热器放置在具有拱结构的支撑架上，太阳能集热器由镀膜层的透光玻璃制成。

所述的太阳能烟囱的高度为100～2000米，其内径为20～200米。

本发明的有益效果在于：本发明一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法, 从原来只适用于荒漠及沙化地区，扩大到所有的地理范围内，扩大了太阳能热风发电系统的应用范围；太阳能集热器放置在具有拱结构的支撑组上，与普通的平面式支撑结构相比，该结构形式的性能和经济性均较高，降低了系统的建造成本；太阳能集热器由具有镀膜层的透光玻璃构成，与普通的透光玻璃相比，这种类型的玻璃具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，降低了集热器内的热损失，提高了系统的效率；将太阳能集热器内部温度与农作物生长温度对应，在对太阳能热风发电系统影响不大的前提下，采用与农作物相结合的方式，最大限度的提高了系统的综合利用率，提高了系统的整体经济性；太阳能热风发电系统建设成本较低，技术相对成熟，建成后的运行维护费用也较低；可根据当地气候条件实现发电与农业生产的紧密结合，扩大了太阳能热风发电系统的应用范围。同时，较为适合我国的国情，也是可能部分替代我国以火力发电为主的极好途径，将会具有十分巨大的经济、社会和生态效益，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1为太阳能热风发电系统原理图；

图2为太阳能热风发电系统太阳能集热器支架结构示意图；

图3为太阳能热风发电系统温度分布图；

图4为本发明太阳能热风发电系统与农业结合原理图。

具体实施方式

结合农业生产的实际情况合理利用太阳能热风发电系统，如图1所示太阳能热风发电系统原理图，太阳能热风发电系统包括太阳能烟囱1、太阳能集热器3和位于太阳能烟囱底部的涡轮发电机组2，图中的4为地面。太阳能热风发电系统中太阳能集热器受到太阳光加热，密度减小并沿太阳能集热器顶进入太阳能烟囱，在太阳能烟囱内形成上升气流驱动安装在太阳能烟囱内的风力透平发电机组发电。所述的太阳能烟囱1高度为100～2000米，其内径为20～200米，所述的太阳能集热器3为直径100～10000米的圆形区域，并放置在具有拱结构的支撑架7上。如图2所示太阳能集热器支架结构示意图，拱结构是一种很经济有效的承重结构方式，由于其自承受压应力，所以其截面可以非常的经济。太阳能集热器3的材料为透光玻璃6，但通常的玻璃有着非常高的辐射率，为了提高热效率（保温性能）可以在加胶玻璃中采用一层薄膜，镀膜层具有对可见光高透过及对中远红外线高反射的特性，这样就可以大大降低因辐射而造成的集热器内的热能向外部的传递，从而最大限度的加热集热器内部的空气。

如图3所示太阳能热风发电系统温度分布图，太阳能集热器3可根据集热器内部温度的不同划分成不同的区域，从内到外分别为高温区、中温区、低温区，根据各种农作物生长的温度范围不同，分别种植在不同的温区，充分发挥了系统的效果。

当太阳辐射较强，环境温度较高时（如夏季），可采用如图1所示的模式，即以发电为主，太阳能集热器3通过吸收高强度的太阳能辐射能量，再加之具有镀膜层的透光玻璃6，使得太阳能集热器3内的空气温度远高于环境温度，在太阳能烟囱1内空气由于“烟囱作用”形成上升气流，从而带动位于烟囱底部的涡轮发电机2转动，进行发电。此时，仅进行太阳能热风发电。

当太阳辐射强，环境温度不是很高时（如春、秋季），可采用如图4所示太阳能热风发电系统与农业结合原理图，图中5为农作物，即发电和农业生产共同进行。根据当地的气候条件，依据不同农作物的生长温度范围不同，将农业生产在图3所示的中温和低温区中进行。此时，太阳能热风发电和农业生产同时进行。

当太阳辐射不强，环境温度较低时（如冬季），可采用如图4所示的模式，即以农业生产为主。并将农业生产在图3所示的高温、中温和低温区中进行。此时，仅进行农业生产。

这样，采用本发明的太阳能热风发电系统的功能包括两个部分：一是涡轮发电设备产生的电能；一是根据不同温度分布而种植的农作物。虽然由于采用了农作物种植，涡轮发电设备的发电功率会受到一些影响，但是相比传统的纯发电的太阳能热风发电系统，本发明所述系统的总体经济效益要高。初步计算结果表明：采用与农业生产相结合的太阳能热风发电系统比传统的太阳能热风发电系统的整体经济效益可以提高30%～40%左右，并且可以适用于太阳辐射强度相对不高的地区，扩大了太阳能热风发电系统的应用范围。

Claims

1.一种农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法，其特征在于，太阳光很强烈时，太阳能热风发电系统中太阳能集热器受到太阳光加热，其内部空气受热密度减小并沿太阳能集热器顶进入太阳能烟囱，在太阳能烟囱内形成上升气流，从而驱动安装在太阳能烟囱内的风力透平发电机组发电；所述的太阳能集热器为直径100～10000米的圆形区域，将此圆形区域根据太阳能集热器温度的不同划分成不同的区域，从圆形中心为内到外分为高温区、中温区、低温区；春秋季，将农作物依据不同的生长温度置于太阳能集热器下的中温区或低温区；冬季，将农作物依据不同的生长温度置于太阳能集热器下的高温区、中温区、低温区。

2.根据权利要求1所述农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法，其特征在于，所述太阳能集热器放置在具有拱结构的支撑架上，太阳能集热器由镀膜层的透光玻璃制成。

3.根据权利要求1所述农业生产与太阳能热风发电系统结合的方法，其特征在于，所述的太阳能烟囱的高度为100～2000米，其内径为20～200米。