太阳能烟肉与垂直轴风机耦合发电可行性分析
张凯'，杨家宽
（1.华中科技大学环境科学与工租学院，湖北武汉430074；2.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010）
摘要：通过分析太阳能烟幽然气流发电和垂直轴风力机发电的技术及特点，挺出了太阳能热气流烟自与垂直轴风力机耦合发电的方法.对风力机一太阳能然气流烟自互补发电系统阳能与风能综合利用的有效遗径. 的可行性进行了分析.互补发电的功率输出持续、魏定，具有大规模并网的良好条件，是实现太
关键润：可再生能源：属合发电；太阳能烟由：垂直轴风力机；
中图分类号：TK519文献标志码：A文章编号：1009-3230（2010）04-0001-
Analysis of Solar Chimney Fan Coupledwith the VerticalAxis ofPowerFeasibility
ZHANC Kai YANC Jia kuanEngineering Wuhan 430074;2. Inner Mongolia University of TechnologyInstitute of Energy and the Environment Baotou 014010)
(1. Environmental Science and Technology Huazhong University of Science and
Abstract: It is through anslysis of solar ht sir chimney eneste electricity and vertical axis windturbine power genertion technical festures propoed solar chimey coupled with thevetical is wind turbine power generation method. It analysis of the feasibility of on the wind tuarbine - solar *ndno aod pe u d is od puq ao e that had a good condition for large = scale merge grid. It achieves an effective way for Solar and wind energy utiliration.
Key words; Renevable Energy; Coupled Power; Solar chimney; Vertical axis wind turbine
大、烟图高等原因至今没有得到大规模的应用.电事业正在蓬勃发展.螺旋奖式水平轴风力机 风能是日前开爱利用比较成熟的一种新能源，风（HAWT）发展迅速，已成为大型商业风力发电的要的可再生能源，已经得到了广泛的应用.太阳主流机型.而叠直轴风力发电机由于气动力学过 能的两个主要应用方向：一是利用太阳能发热；二程较复杂，翼型设计难度大及人类认识水平的局是利用太阳能发电.太阳能发电技术有多种，其限，其发展相对滞后.近年来，随着科技的进步，中太阳能烟由热气流发电是一种重要的非聚光类人们在不断突破对垂直轴风力机的传统认识，其 太阳能热发电技术.该技术是由德国J.Sehaich无需偏航机构、风能利用率高、启动风速低等优点教授在1978年首先提出的.随后在西班牙建成吸引了众多研究人员，使垂直轴风力发电机取得的可行性.由于太阳能烟密的热效率较低、投资阳能和风能资源面且太阳能与风能又存在着天然 了世间上第一座50kW示范电站，证明了该技术了长是的发展.我国西部地区具有丰富的太的季节互补性、气候互补性和登夜互补性.签于高空风的存在和太阳能热气流发电技术中高耸烟 跑的特点，提出了以太阳能烟卤作为大型垂直轴
0前言
大力开发和利用可再生清洁能源是我国优化能源结构，改善环境，促进经济社会可持续发展的 重要战略措施之一.太阳能和风能是两大重
1.1技术原理
1.2系统特点
万方数据
能烟肉热气流发电技术和垂直轴风力发电技术的不足，降低发电容量的峰谷波动，提高供电稳定性和电能品质，提升资源利用效益.
1太阳能烟图热气流发电技术及特点
Schlaich教授1978年提出的大胆构想，基于该技 太阳能烟热气流发电技术源于德国术的太阳能热气流发电系统主要由集热棚、透平、烟图和蓄热层四个部分组成，如图1所示.集热 棚用金属支架支撑，其上铺盖玻璃、薄膜等透明或半透明材料，形成一个巨大的太阳能集热器.集 热棚底部是用土壤、砂、砾石等材料做成的蓄热层，在白天，太阳辐射能透过集热想的透明材料加内的空气传递热量，空气级收热量，温度升高，密 热蓄热层表面，与此同时，蓄热层表面也向集热棚度降低，小于外界环境相同高度处的空气密度，从作用，加大了系统内外的压力差，形成强烈的气流 而形成了压力差.硼中央的烟肉起一个负压管的流动.当系统内空气以较大的速度进人烟图中时，强烈的上升气流推动烟卤底部的涡轮机转动， 通过发电机最终实现将太阳能转换成电能.
图1大阳能烟实热气流发电原图
太阳能烟卤热气流发电系统是一种清洁的将劣质能源变成优质能源转化装置，与传统的发电方式相比，具有无环境污染、运行稳定、使用周期 长等优点.相反，热效率低、占地面积大，集热棚易损坏、功率输出不稳定，难以实现并网等缺点制 约该技术的大规模应用.其中超高烟回是最主要的制约因素.烟肉是太阳能热气流发电系统必不率的大小.建设亮瓦级的发电系统烟肉高度不仅 可少的组成部分，其高低决定系统效率和输出功超越了人类建筑水平的极限，面且高空风会对超高烟肉的安全稳定造成很大威胁.降低烟肉高度 和有效利用高空风能是太阳能烟园热气流技术突破的重要方向.
风力机的转轴，充分利用高空风能，实现太阳能与2垂直轴风力机技术及特点
风能联合发电的构思.这种合方式将弥补太阳2.1垂直轴风力机技术
垂直轴风力机是将风的动能转换为机械能，再把机械能转换为电能的装置.其叶片是垂直设置的且环绕同一垂直轴旋转.主要类型有达里厄 型、萨提纽斯型和涡轮型等.其中达里厄型风力机根据叶片形状的不同，又分为曲线翼型和直线翼型两种.作用在风力机叶片上的风力可分解成 与风向垂直的升力和与风向平行的阻力.直线翼达里厄型垂直轴风力机主要依靠升力来工作，萨握纽斯型和涡轮型垂直轴风力机主要依靠阻力来 工作.目前，大型风力机均采用水平轴风力机.但水平轴风力机的发电成本较高.加快垂直轴风力机的研究和开发对降低风电成本具有重要的意 义.河海大学的赵振宙博士和郑源教授等”科研人员在《中国电机工程学报》发表的《螺旋形S型垂直轴风轮结构优化设计》论文中，对两叶片 螺旋形S型风轮，采用k-e数学模型从偏心系数、封盖直径、内隔板数、螺距四个关键结构参数进行结构优化设计，具有较多的理论创新，极大地 促进了垂直轴风力机的发展.南非瓦尔理工大学创新中心主任扬约斯特教授最近发明了一种新型结构的垂直轴风力发电机.与一般的垂直轴风 力发电机只含有一层叶片不同，他发明的垂直轴风力发电机由相互交错的上、中、下三层垂直叶片组成.较多的叶片，使截留风能的面积增加了 200%，面且新型设计使叶片持续在强风中旋转，根据理论计算，这种新型结构发电机将使其发电 可以截获更多的能量，发电能力将提高200%.功率比一般垂直轴风力发电机提高400%，风洞试验的初步结果支持了这一推论.此项发明将会 大大降低风力发电的成本，水平轴风力发电机将逐渐被垂直轴风力发电机取代.
2.2直轴风力机特点
与水平轴风力发电机相比，垂直轴发电机的叶片对材料没有司刻的要求，重力荷载均衡，更容易实现自动化生产，发展迅速.但仍存在许多问 题，最关键的是功率输出的波动问题.由于风速的不可控性使风电具有不确定性和易变性.当风电接人到弱电网时或电网接人较高比例的风电 时，会对电网稳态运行时的无功功率、有功功率、系统电压的控制和动态稳定性产生不利的影响.
3太阳能烟图与垂直轴风力机的耦合
能流密度小、波动大、功率输出的波动性、并网难是各种可再生能源利用模式所面临的共同难 题.有效的解决方式有2种：一种是采用风电与
其他发电方式互补的综合系统，如风电一水电互补发电系统，风电一太阳能光伏互补发电系统，风 电一柴油机互补发电系统等：一种是采用储能系统，如各种物理、化学储能系统等.本文所采用的是风电一太阳能热气流互补发电系统.
3.1风力机与烟图的耦合
风力机的转轴，风力机的轮毂和烟肉外壁之间用 如图2所示，以太阳能烟图外壁作为垂直轴轴承连接.轴承的内圈固定在烟肉外壁上，轴承的外圈连接风力机轮载.风力机可选用升力型也 可选用阻力型.太阳能烟卤直径较大，常规轴承技术难以满足尺寸结构和阻力要求，可采用磁敏浮轴承.
图2太阳能圳离与风力机据合结礼简图
3.2涡轮机在烟闽内部的布置
安装在太阳能烟肉内部的涡轮机与磁悬浮轴承合，涡轮机叶片作为磁悬浮轴承的转子，安装在磁悬浮轴承的内图上，并保持相对静止.磁悬 浮轴承的外图与太阳能烟国的内壁紧密相连且保持相对静止.涡轮机叶片的翼型可选为螺旋奖型.结构如图3所示.
图3大阳能热气流涡轮机结构简图
3.3涡轮机与风力机的耦合
涡轮机是由太阳能烟卤内部的热气流驱动面旋转的，风力机是由太阳能烟自外部的自然风的作用下转动的.通过齿轮和传动轴将烟图内部的 涡轮机与烟肉外部的风力机和发电机联合在一
起，使涡轮机和风力机既可以同时驱动又可以交替独立地驱动发电机旋转发电.从而实现了白天 太阳辐照强烈而无风时可由增卤内部的润轮机驱动发电机发电，当夜同风大而无太阳辐照时可由 烟图外部的风力机驱动发电机发电的互补功能.
4可行性分析
4.1资源分布的可行性
源丰富的国家之一.根据全国700多个气象台站长 中国地处北半球欧亚大陆的东部，属太阳能资期观测积累的资料表明，中国各地的太阳辐射年总量大致在3.35×10²-8.40×10²M/m²之间.其平均 值约为5.86×10MJ/m².该等值线从大兴安岭西偏南至兰州，然后径直朝南至昆明，最后沿横断山脉 麓的内蒙古东北部开始，向南经过北京西北侧，朝西转向西藏南部.在该等值线以西和以北的绝大部分地区的年总辐射量都超过5.86×10”M/m².全国 总面积2/3以上地区年日照时数大于2000h.其中西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和日照时数均为全国最高.我国的风能资源分布 广泛面不均匀，主要集中在山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和毒南等沿海近10km宽的地带和东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等北部地 区近200km宽的地带.风能丰富带的风功率密度在200~300W/m²，有的可达500W/m²以上，如阿拉场等.根据全国气象台部分风能资料的统计和计 山口、达坂城、辉腾锡动、锡林浩特的灰腾梁、承德围算，中国风能分区及占全国面积的百分比见下表.
1 中国风续分区及占全国面积的百分比
丰窑区 校半富区可利区 黄乏区年有效风 >200 <200150<1-50 <50年3n/s累计 表度（w/=） <5000- 5000 4000 2000 2200 <2200 - 1500 <150 ~350 <150占余送面积 8 18 50 24 的百分比（%） 我国新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地区的太阳能和风能资源均较为丰富，见图4，适合太阳能和 风能资源联合开发技术的应用. 4.2时间互补的可行性 天然的时间互补性，冬春季节风大阳光弱，夏秋季 我国西北部大部分地区的太阳能和风能都有节风小阳光强；白天阳光强风小，晚上风大无阳光.实施风一太阳能热气流互补发电可很好地适 应太阳能与风能的时空变化，达到电能的连续稳定输出. 4.3荷载需求的可行性 4.4结构设计的可行性 万方数据 高峰，深夜之后为用电低谷.一年中的7、8月是 一天中上午11时左右以及傍晚时分为用电用电负荷最大的时期.用电高峰期通常风电输出功率最小，与电网负荷需求完全相反，面太阳能热 气流发电正处于一年中功率输出最大的时期，与风电形成互补.当晚上用电负荷需求下降而风电的输出功率增加时，可以利用多余的风电对太阳 能热气发电站的集热棚进行加热储能.总之，根据当地风能和太阳能的特点，调节太阳能热气 流发电系统的风门.可使风能、太阳能热气流综合发电系统的输出电能与当地的用电负荷相匹配. 太阳能烟图热气流发电技术的可行性通过众多学者的研究已得到证实.垂直轴风力发电机具 有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪音等优点，受到众多学者的广泛关注.许多建筑师建议将VAWT结合到建筑设计中，不仅是美 学上的考虑，更重要的是节能环保.意大利建筑师大卫菲舍勒就运用动态建筑学的理念设计出 了全球首动态变形摩天楼.该摩天楼转动设计的思想与本文提出的垂直轴风力机以太阳能烟园为轴转动的思想相通（见图5）. 图5转摩天楼果图 大楼设计方案在纽约公诺于世.设计方案中摩天楼共设80层，每一层都可以围绕国定的水泥 材质轴心进行360°旋转，面且在相邻楼层间装备 图4我国太阳能和风能资源丰宴区的分布图（3） 5 结论 风力涡轮机，其产生的电能供给楼层的自由旋转，剩余电能将存储下来作为它用.垂直轴风力机与 太阳能烟卤热气流发电系统相结合，将具有更加广间的应用前景. 风能和太阳能热气流发电系统的电力输出均呈现不同程度的波动性，太阳能热气流烟图与垂直轴风力机耦合的整体作为发电单元： （1）可利用太阳热气流电站在发电功率变化上与风力机功率变化的互补性实现连续稳定的电并网问题： 力输出，降低功率输出的波动性，有效解决大规模 （2）弥补了垂直轴风力机起动性能差的不足； （3）可提高同等规模太阳能烟图热气流发电系统的输出功率；的集热棚面积和烟肉高度： （4）可相对降低太阳能烟肉热气流发电系统省了投资； （5）省去垂直轴风力机基架的建设费用，节（6）新型涡轮机安装在烟肉内壁上，没有中心基座，安装高度可任意. 参考文献 [1]潘班，事承林，周理兵，等、大阳能烘气流发电及 其对我国能源与环境的深选影响[J].世界科技研[2]争岩，垂直轴风力机及其发展概况[].可弄生 完与发晨，2003 25（4）：7-12.[3]起根密，郑源，徐小的，等.螺选形5型垂直轴风 他源，2009 27(1)：121123.轮结构优化设计[J].中国电机工程学报，2009，29[4]李学华，南非发明新型办直轴风力发电机 (26) ;75 78.hetp://. edu. cn/rm_ye_zi_ran_1130// 20090811_398060. shtnl.[5]btp:/ewers. ema gow. en/en/ [6] htp://vsrh. octy. /p_play - CCTVNEWS[4] news_20080625_6344941. hcml. 徐庆福，王立海，林业生物质能源及其开发利用对累[J].森林工程 2006 22（6)：1-3.
