风力发电耦合太阳能热气流发电系统设计(6)
为了弥补太阳热辐射不稳定、不能持续供应的不足，使之从辅助能源最终变为一种使用方便、可靠的清洁能源，蓄热问题的解决是关键的一个技术环节。对于太阳能热气流发电，蓄热层的作用是调节负荷，降低设备的容量和投资成本，从而进一步提高太阳能资源的利用效率和设备利用率，提高太阳热气流发电系统的可靠性和经济性。
耦合发电系统发电所需的热空气是在集热棚内根据“温室效应”原理获得的。集热棚的透明顶棚距地面2~6m，由水平覆盖的玻璃或塑料构成。太阳辐射中的短波可以从集热棚辐射出去而地面辐射的长波却无法穿越集热棚。因此，集热棚内的地表被阳光加热后可以很快地把热量辐射给集热棚内部的空气。
集热棚除了收集太阳能之外，也是一个巨大的温室，里面有大约2/3的温室面积可以用于植物、蔬菜和农业作物的种植等用途，是我国西部缺水地区设施农业的一个发展方向。
2.2.2 风力发电机塔筒
风力发电机塔筒的作用是形成压差，为整个发电系统提供动力。这个压差与集热棚内外的温度差和塔筒的高度成正比，并且与塔筒内壁之间的磨擦阻力有关。设计时应该优化塔筒的内表面积与容积的比值，以使磨擦阻力达到最小。在压差的作用下，集热棚内被加热的空气沿塔筒上升，形成人造热风，风速与棚内外温差ΔT 和塔筒的高度Ht成正比。根据有关文献的介绍[3]，一个200MW的太阳能烟囱式热气流发电站，其集热棚内部的空气的温度可以升高30℃以上，在1000m高的烟囱所形成的压差的作用下，形成的人造热风速度可以达到30～70m/s，这个风速可以推动多台兆瓦级涡轮机工作。
2.2.3 涡轮发电机
空气涡轮机安装于塔筒的底部，由塔筒中的循环气流驱动。与传统的风力发电所采用的速度级涡轮机不同，这种耦合发电系统发电时所采用的是压力级涡轮机，这与水力发电中的水轮机相似——空气的静压被转换成涡轮机旋转的机械能能，从而带动发电机的转子进行发电。在涡轮机前后空气的流动速度相等的情况下，压力级涡轮机的出力是相同条件下速度级涡轮机的8倍，其出力的大小与空气的体积流量和压降成正比。在涡轮机的运行过程中，涡轮机的调节系统会根据气流对涡轮叶片的作用力进行适当的调整，当涡轮机叶片的旋转平面与气流方向正交时，叶片将无法旋转；当涡轮机叶片的旋转平面与气流方向平行时，则涡轮机的前后两侧没有压降，同样也无法转动发电。在以上两种极端的状态之间，存在着一个最佳的叶片倾角。调节系统应将叶片调整至该角度后，涡轮机可以获得最大出力，此时涡轮机的压降约为可得到的总压差的2/3[9, 10]。
2.2.4 耦合发电系统发电原理
太阳光穿过透明的集热棚，被棚内的地面吸收，由于太阳辐射的短波可以从集热棚辐射出去而地面辐射的长波却无法穿越集热器，从而形成“温室效应”。集热棚内被加热的蓄热介质（土壤）与空气之间进行热交换使集热棚内空气的温度升高，被加热的空气由于密度的减小而上升，进入与集热棚相连通的风力发电机的塔筒中。同时，集热棚外面的冷空气通过集热棚四周的开预留口进入集热棚，从而形成了空气的循环流动。被加热的空气在风机塔筒中上升，途中经过安装在塔筒底部的涡轮发电机，推动涡轮发电机进行发电。
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