太阳能烟囱技术应用研究

0          引言
近年来，随着化石能源日益枯竭和环境问题日益严重，人们把目光投向了太阳能。太阳能烟囱作为一项新技术在自然通风、农副产品干燥和发电领域有着广泛的应用前景。太阳能烟囱是一种热压作用下的自然通风设备,它利用太阳辐射为空气流动提供浮升力，将热能转化为动能 ，从而增大压头和排风量。到目前为止，国内外已对太阳能烟囱的各种可能应用进行了大量的理论、实验以及数值模拟研究。目前，太阳能烟囱技术典型的应用可归纳为三类：室内通风、发电、农产品干燥。本文旨在对太阳能烟囱技术的三类用途的研究和应用现状进行简单的概括，提出存在的问题并分析其发展前景。
1          太阳能烟囱强化室内通风
用于室内通风的太阳能烟囱通常有太阳能集热墙体（见图1）和太阳能集热屋面（见图2）两种典型结构，后者是由上部盖板（通常为透明盖板）、下部吸热板以及中间的空气流道共同组成房间的排风系统[1]。太阳能集热屋面又分为竖直式和倾斜式两种结构形式。此外，还有墙壁－屋顶式（Wall－Roof）的太阳能烟囱、辅助风塔通风的太阳能烟囱等。


图1  太阳能集热墙体（Trombe墙）                  

图  2太阳能集热屋面（倾斜式）
通风的目的是保证室内良好的空气质量。太阳能烟囱强化室内通风就是利用太阳能来加热房间的排风通道，增加热压和室内通风风量，从而达到除湿、降温、排除有害气体的目的。
由于被动式太阳房有很多的南向玻璃窗，夏天存在着过热问题。遮阳板可以消除一部分太阳辐射效果，但对于内部有热源的建筑来说，在不使用机械方法时，利过太阳能烟囱来加强室内空气流动是一种经济有效的办法[2]。目前，在欧美国家，太阳能烟囱已被应用于被动式太阳房，并成为太阳房的主要组成部分。
传统的垂直安放的烟囱在自然对流的条件下运作，这时烟囱内空气的温度高于外面的空气温度。烟囱内外的温度差引起的密度差导致了空气的流动。太阳能烟囱的不同之处在于它的一个或多个表面是由玻璃构成的透明墙体，太阳光可透过透明玻璃加热烟囱内的空气。为了提高太阳能的吸收率和通风速度，太阳能烟囱的南向迎光面需要透明玻璃窗，烟囱一般由混凝土或大理石构成，内部的其他壁面涂黑，内侧的储热墙体用于收集和储存太阳能。在建筑通风设计中，太阳能烟囱最早被安放在屋顶。[3]迈克尔?霍普金斯设计的位于诺丁市传统街区的英国国内税务中心是利用太阳能烟囱技术实现自然通风的典范之作。他设计了一组顶帽可以升降的圆柱形玻璃风塔用作建筑的入口和楼梯间。玻璃风塔可以最大限度地吸收太阳能，提高塔内空气温度，从而进一步加强烟囱效应，带动各楼层的空气循环，实现自然通风。冬季时可将顶帽降下以封闭排气口，这样通风塔便成了一个玻璃暖房，有利于降低采暖能耗[4]。
太阳能烟囱的结构形式、空气通道宽度、进口面积、 出口面积、壁面热流、太阳辐射强度、烟囱的高度和厚度对建筑物所形成的速度场、温度场都存在较大影响，因而自然通风的通风量也有所不同，直接影响室内的通风换气效果。目前有关利用太阳能烟囱来改善居住环境的研究主要集中于玻璃窗和集热墙体间的距离以及进口面积的优化，通过实验研究和理论模拟得到最大气体流速条件下对应的结构参数。Bansal等人定性地分析了太阳能烟囱与风塔共同引发的自然对流，结果预测出太阳能烟囱的效果在低风速下较好。Bouchair对典型的空洞太阳能烟囱用于室内时的自然对流过程进行了实验研究，研究发现存在一个可以获得最大通风量的最佳太阳能烟囱高度和空气通道的宽度的比值，如果烟囱宽度过大，在通道中心存在空气回流。结果还发现，当间隔距离在0.2～0.3m时气体的质量流速最大；当低于0.1m时，进口面积对质量流速无影响；当升至0.3～0.5m时，随面积的增大，气体流速增大。同时，流速还随着表面温度的增加而增大[5]。
太阳能烟囱技术用于室内通风，将室外空气送入室内，提高空气质量，避免了人们长期处于空调状态下，空气品质下降导致的“空调综合症”，增加了室内通风换气次数，驱除了室内污染物。
2  太阳能烟囱发电技术
   太阳能烟囱发电的构想是1978年由德国J.Schlaich教授首先提出的。随后由德国政府和西班牙一家电力企业联合资助，于1982年在西班牙Manzanares建成世界上第一座太阳能烟囱发电站[6]。发电基本原理如图3表示。该系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分构成。太阳光穿过透明的集热棚，被棚内地面吸收，棚内被加热的地面与空气之间的热交换使集热棚内空气温度升高，受热空气由于密度减小而上升，进入棚内的烟囱。同时棚外冷空气通过四周的间隙进入集热棚，从而形成了空气的循环流动。热空气在烟囱中上升速度提高，同时上升气流推动涡轮发电机运转发电。
  太阳能烟囱发电技术是许多能源专家看好的一项新技术。自西班牙建成世界上第一座太阳能烟囱发电站以来，世界许多国家相继开展这方面的研究。1983年美国科学家Krisst建了一座庭院式太阳能发电装置，；1997年在美国佛罗里达州建成3种不同类型的太阳能烟囱；土耳其科学家Kulunk在Lzmir市建造了一个微型电站等等。
在最近几年国内外有不少文章探讨了太阳能烟囱发电结构模型、能量转换效率、环境效应等方面的问题。相较而言，国内由于技术资金等因素的限制，这方面的研究还很薄弱。华中科技大学杨加宽教授等人在2002年12月建造了第一座小型太阳能烟囱发电实验装置。经过一年多的运转测试实验表明，在晴天时烟囱中的上升气流能够推动发电机正常运转[7]。
在实际工程上，由于存在集热棚透明材料使用寿命、烟囱安全可靠性以及系统的经济性等因素的制约，太阳能烟囱发电技术的发展非常缓慢。不过，避开修建大规模电站的风险，利用太阳能烟囱直接抽取地下水为太阳能烟囱的应用开辟了一个新的方向。


图3 太阳能烟囱发电技术原理图    
       

图4 集热器-温室型太阳能干燥装置
3  农产品干燥
众所周知，农产品的干燥主要是采用自然干燥法,而且这种传统的直接摊晒、晾晒的干燥方法一直延续了几千年，直到上世纪70年代，我国才开始对被动式太阳能干燥技术的开发和推广应用。
太阳能烟囱对自然通风的强化和集热性能能够更好地完成传统干燥工艺的任务，并且这方面的研究已逐渐引起了相关学者的重视。使用太阳能烟囱技术来完成水分蒸发任务，首先集热板覆盖区域内的温度较高，高温条件下的水分蒸发速度将高于露天的自然干燥过程；同时太阳能烟囱借助太阳辐射能来加速内部空气的自然循环流动，提高了物料表面的空气流速，增加了瞬态条件下物料表面的湿度梯度，提高了水分蒸发的推动力，使整个过程得到了强化。由于太阳能烟囱能够吸收大量的太阳辐射能，同时干燥物料处于集热板覆盖区域内，所以整个干燥过程受外部环境因素影响较小。
太阳能干燥是以太阳能代替常规能源来加热干燥介质（最常用的是空气）的干燥过程。太阳能干燥装置主要有太阳能空气集热器型和温室型两类。目前，我国的太阳能干燥装置主要是低温干燥型，干燥温度在40～65oC之间。下面就不同类型太阳能干燥器的应用进行简单论述。
温室型干燥器的结构与栽培农作物的温室相似，温室即为干燥室，待干物料被置于温室内，直接吸收太阳辐射，温室内的空气被加热升温，物料脱去水分，达到干燥的目的。
集热器型干燥器是太阳能空气集热器与干燥室组合而成的干燥装置，这种干燥器利用集热器把空气加热到60～70oC，然后通入干燥室，物料在干燥室内实现对流热质交换过程，达到干燥的目的。从操作系统来看，此类干燥器可以比较好地与原有的常规能源干燥装置相结合，用太阳能全部或部分地代替常规能源。该系统在干燥房顶上设有自然通风口。这样可以根据物料的干燥特性调节空气流量，提高干燥速度，同时降低风机能耗。在晴天条件下，不需启动风机，仅利用自然通风就可进行干燥[8]。
温室型太阳能干燥器结构简单，造价低，太阳能利用效率高，但由于温升较小，在干燥含水率高的物料时（如蔬菜、水果等），温室型干燥器所获得的能量不足以在较短的时间内将物料干燥至安全含水率以下。为增加能量以保证被干燥物料的干燥质量，在温室外增加一部分集热器，就组成了集热器-温室型太阳能干燥装置（图4）。物料一方面直接吸收透过玻璃盖层的太阳辐射，另一方面又受到来自空气集热器的热风冲刷，以辐射和对流换热方式加热物料。这种装置适合干燥那些含水率高、对干燥温度要求较高的物料。中科院广州能源研究所设计的广东省东莞县果品公司加工厂的太阳能水果干燥系统就是一座带有空气集热器的隧道式温室型干燥装置。云南师范大学太阳能研究所星火燎原计划项目组对水泡梅的恒温干燥特性进行了实验研究，在此基础上设计制作了6m2的集热器-温室型太阳能干燥装置，并进行了一系列试验与传统的露天自然摊晒进行对比，结果是：干燥周期从48天缩短到15天，干燥质量也有大幅度的提高[9]。
我国是一个农业大国，干燥作业是农副产品加工过程中一个必要的环节，而且耗能巨大。我国太阳能资源丰富，利用太阳能干燥装置既可以节约能源，又可缩短干燥周期，提高农产品质量，投资少，回收期短，经济效益显著。
4  目前太阳能烟囱技术存在的问题和发展前景
葡萄牙研究机构INITE的学者建立了高效太阳能干燥（蒸发）系统(Advanced Solar Dryer－ASD)，对太阳能烟囱技术强化海水蒸发过程进行了理论研究。作为太阳能烟囱技术的又一应用领域，ASD系统具有技术可行性，但此系统与发电系统相同，其经济性能却值得商榷。还有英国相关专利上提出的烟囱的拔风作用可将英国伦敦地下渠道中的湿热空气抽出以改善环境[8]，随后该系统被提出可用来进行海水淡化或苦盐水淡化的研究。太阳能烟囱发电系统提出者施莱其教授也意识到并试图解决单目标系统太阳能有效利用率低下的问题，并提出可以在太阳能烟囱发电技术中采用温室进行植物种植，大约75%的集热板覆盖区域可用于培植农作物。
在太阳能烟囱技术的三个应用领域里，最有可能在实际生产生活中推广的是通风和农产品干燥，这两种应用方式如果能被更多的人了解和熟悉，必然会越来越受欢迎。而由于发电成本过高，就目前情况的看，太阳能烟囱用于发电还不现实。随着常规能源的日渐衰竭，太阳能必然会受到越来越多的青睐，而太阳能烟囱技术也极有希望在不久的将来焕发出勃勃生机。