太阳能热气流发电并网逆变器的设计.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目： 太阳能热气流发电并网逆变器的设计 学生姓名：耿春霞 学 号：0605130238 专 业：电气工程及其自动化 班 级：电气2006-2班指导教师：杨培宏 太阳能热气流发电并网逆变器的设计摘 要随着能源紧张和环境污染的加剧，世界各国都在积极寻找一种可持续发展且无污染新能源。太阳能凭借其广泛无污染的独特优点，作为一种未来常规能源的替代品，尤其受到人类的重视，太阳能热气流发电技术是太阳能利用发展进程中具有前瞻性的技术，对世界化石能源替代、环境改善和生态重建等领域具有重要意义。本文首先介绍了太阳能热气流发电技术在国内外发展现状，以及其基本原理。并对太阳能热气流发电中的并网逆变器进行了设计，并建立了三相电压型并网逆变器的数学模型，利用跟踪控制技术对并网逆变器进行跟踪控制，并在MATLAB/Simulink环境下建立了相应的仿真模型，仿真结果表明建立的三相电压型逆变器数学模型是正确的，且滞环宽度越小跟踪性能越好。关键字：太阳能热气流；三相电压型并网逆变器；滞环跟踪控制； MATLAB；仿真 Three -phase Voltage-type Inerter of The Solar Chimney Power Generation AbstractWith lack of energy sources and worsening of ecosystem environment, many countries around the world are positively looking for a kind of sustainable developing and no pollution new energies. Solar source is used as a kind of abroad no pollution for its particular, the substitute of a kind of future the normal regulation energy of the future. The solar chimney power generation technology, a cutting-edge technology in solar utilization, has importance to fossil energy substitution, environment improvement and ecosystem reconstruction.First introduced the working principle of the solar chimney power generation technology are presented, as well as its R&D and application both at home and abroad ,And design the inverter of Solar Chimney Power generation, presents a mathematical model of Three-phase Voltage- type Inerter and realizes it in SIMULINK Toolbox of MATLAB ,which can be used in the simulation of control system involving Three-phase Voltage-type Inerter ,and utilize Hysteresis comparison to control the There-phase Voltage-type Inerter of Solar Chimney Power generation. Draw the conclusion that the narrower width of the flux hysteresis band influence tracking results better.Keywords：Solar Chimney Power Generation ; Three -Phase Voltage-Type Inerter; CHBPWM; MATLAB ; Simulation 目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引 言11.1 新能源发电技术的发展与现状11.1.1 新能源的发展趋势31.1.2 新能源的环境意义和能源安全战略意义41.2 国内外太阳能热气流发电发展现状41.2.1 国外太阳能热气流发电发展现状41.2.2 国内太阳能热气流发电发展现状81.3 本文主要工作11第二章 太阳能热气流发电132.1 太阳能热气流发电工作原理132.2 太阳能热气流发电特点152.2.1 太阳能热气流发电特点152.2.2 太阳能烟囱热气流发电技术的兴起152.3 西部的地域特点适合于大力发展太阳能热气流发电技术172.3.1 适合于不同西部地域特点的五类太阳能热气流利用技术182.4 逆变器国内外研究现状与发展182.4.1 逆变技术的现状182.4.2 逆变技术的发展192.4.3 逆变技术的发展趋势202.5 本章小结21第三章 并网逆变器的设计223.1 电压型逆变电路223.1.1 电压型逆变电路主要特点223.1.2 三相电压型逆变电路工作原理233.1.3 电压型三相桥式逆变电路的工作波形243.2 PWM控制技术263.2.1 PWM控制的基本原理273.2.2 PWM的控制方式293.3 正弦脉宽调制293.3.1 单极性正弦脉宽调制303.3.2 双极性正弦脉宽调制313.4 PWM跟踪控制技术323.4.1 滞环比较方式323.4.2 三角波比较方式333.5 本章小结35第四章 并网逆变器仿真计算364.1 MATLAB简述364.1.1 MATLAB的主要特点364.2 Simulink 功能384.3 三相电压型逆变器的数学模型394.3.1 模块化实现414.3.2 部分重要模块仿真参数设置424.3.3 仿真结果434.3.4 结论46第五章 结论与展望475.1 结论475.2 展望47参考文献49致 谢51第一章 引 言1.1 新能源发电技术的发展与现状新能源又称非常规能源，指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的太阳能、风能、生物质能、地热能以及海洋能等能源。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部伸出所产生的热能。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、核聚变能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。据世界断言，石油，煤矿等资源将加速减少。核能、太阳能即将成为主要能源。 联合国开发计划署（UNDP）把新能源分为以下三大类：大中型水电；新可再生能源，包括小水电（Small-hydro）、太阳能（Solar）、风能（Wind）、现代生物质能（Modern biomass）、地热能（Geothermal）、海洋能（Ocean）潮汐能；传统生物质能（Traditional biomass）。 这些能源资源丰富、可以再生、清洁干净，刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，是最有前景的替代能源。当前，石油、煤、天然气等化石能源仍是世界的主要能源，在世界一次能源供应中约占87.7 %，其中，石油占37.3% 、煤炭占26.5 %、天然气占23.9 % 。世界非化石能源和可再生能源虽然增长很快，但仍保持较低的比例，约为12.3 % 。以目前的消费速度，不到100年，世界的石油和天然气等能源资源终将枯竭。矿物燃料这种上吐下泻的弊病，是造成温室效应、污染环境的主要根源，已经成为一个人类必须面临的严重问题。开发新型清洁可再生能源，降低能源使用对环境的冲击，维持社会发展，成为必然发展方向。自20世纪70年代以来，许多国家开展了对新型新能源的研究、开发和利用工作。目前，世界各国都将新能源开发提上国家发展战略的高度。美国、德国、瑞典、日本等国政府都大幅度增加对新能源的研发投入，并提出了中长期发展的具体目标。到目前为止，除水电外，全世界新能源发生的总容量已经接近4×104MW，占全世界总装机容量的1%。其中风力发电装机容量已达1.8×104MW，太阳能光伏发电装机容量近的1×104MW。美国、日本、澳大利亚等国家和欧盟都制订了相关政策积极发展新能源产业。我国幅员辽阔，海岸线长，风能资源比较丰富。根据全国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。2008年中国风电装机容量新增约630多万千瓦，与2007年新增装机容量相比增长率为91%，累计装机容量超过1200万kW。90年代中期以来，我国在燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家九五科技攻关项目和中国科学院九五应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。总之，我国新能源与新能源，经过最近30多年来的发展，在技术水平、应用规模和产业建设上，均取得了长足进展，在国民经济建设中发挥了重要作用。然而，由于技术、资金以及政策引导等方面的原因，新能源的开发步伐比发达国家明显滞后。但是我国自然能资源非常丰富，开发潜力巨大。从优化能源结构、保护生态环境、实施经济社会可持续发展战略的高度展望未来，中国新能源与可再生能源的发展前景是美好的，在21世纪前20年将有大的发展，到21世纪中叶将有可能逐步发展成为重要的替代能源。能源是制约国家经济发展和社会进步的重要因素。科学技术的进步为人类选择理想能源创造了条件并使能源构成不断趋于合理。为了解决我国能源的可持续发展并与世界同步发展问题，就必须制订一个既适应经济全球化和环境全球化形势的又符合我国国情的能源发展战略，这是21世纪初叶我国必须解决并且能够解决的问题。1.1.1 新能源的发展趋势 部分可再生能源利用技术已经取得了长足的发展，并在世界各地形成了一定的规模。目前，太阳能、生物质能、风能以及水力发电、地热能等的利用技术已经得到了应用。 国际能源署（IEA）对20002030年国际电力的需求进行了研究，研究表明，来自可再生能源的发电总量年平均增长速度将最快。IEA的研究认为，在未来30年内非水利的可再生能源发电将比其他任何燃料的发电都要增长得快，年增长速度近6%在20002030年间其总发电量将增加5倍，到2030年，它将提供世界总电力的4.4%，其中生物质能将占其中的80%。目前可再生能源在一次能源中的比例总体上偏低，一方面是与不同国家的重视程度与政策有关，另一方面与可再生能源技术的成本偏高有关，尤其是技术含量较高的太阳能、生物质能、风能等据IEA的预测研究，在未来30年可再生能源发电的成本将大幅度下降，从而增加它的竞争力。可再生能源利用的成本与多种因素有关，因而成本预测的结果具有一定的不确定性。但这些预测结果表明了可再生能源利用技术成本将呈不断下降的趋势。 我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划，并制定颁布了中华人民共和国可再生能源法，重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。近年来在国家的大力扶持下，我国在风力发电、海洋能潮汐发电以及太阳能利用等领域已经取得了很大的进展。 新能源（或称可再生能源）主要有：太阳能、风能、地热能、生物质能等。生物质能在经过了几十年的探索后，国内外许多专家都表示这种能源方式不能大力发展，它不但会抢夺人类赖以生存的土地资源，更将会导致社会不健康发展；地热能的开发和空调的使用具有同样特性，如大规模开发必将导致区域地面表层土壤环境遭到破坏，必将引起再一次生态环境变化；而风能和太阳能对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的健康能源，他们必将成为今后代替能源主流。 太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点，应用面较广，现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电，在德国甚至接近全国发电总量的5%-8%，随之而来的问题令我们意想不到，太阳能发电的时间局限性导致了对电网的冲击，如何解决这一问题成为能源界的一大困惑。 1.1.2 新能源的环境意义和能源安全战略意义我国能源需求的急剧增长打破了我国长期以来自给自足的能源供应格局，自1993年起我国成为石油净进口国，且石油进口量逐年增加，使得我国接入世界能源市场的竞争。由于我国化石能源尤其是石油和天然气生产量的相对不足，未来我国能源供给对国际市场的依赖程度将越来越高。 国际贸易存在着很多的不确定因素，国际能源价格有可能随着国际和平环境的改善而趋于稳定，但也有可能随着国际局势的动荡而波动。今后国际石油市场的不稳定以及油价波动都将严重影响我国的石油供给，对经济社会造成很大的冲击。大力发展可再生能源可相对减少我国能源需求中化石能源的比例和对进口能源的以来程度，提高我国能源利用，确保经济安全。 此外，可再生能源与化石能源相比最直接的好处就是其环境污染少。1.2 国内外太阳能热气流发电发展现状1.2.1 国外太阳能热气流发电发展现状自太阳能烟囱热气流发电技术被证明了其可行性后，除提出了一些新型结构太阳能烟囱热气流发电模式以外，美国、德国、西班牙、印度、南非、澳大利亚、中国、希腊和加拿大等一些国家对太阳能烟囱热气流发电及相关技术开展了一系列实验及理论研究。1. 实验原型研究现状 a. Manzanares 电站原型 19811982 年，在德国技术研究部资助下，芬诺沙电力公司在西班牙 Manzanares建造了一座最大功率50kW的实验电站原型1，这是世界上第一座太阳能烟囱电站，其外观如图1.1所示。图1.1 电厂外观 这项研究计划的目标是通过现场试验来验证太阳能烟囱发电系统的可行性，并通过试验来分析各部分对电站输出功率和效率的影响。 Haaf 等2和 Schlaich 等1,3分析了 Manzanares 电站全天候运行的实验数据（包括太阳辐射强度、烟囱内上升气流速度和输出功率等）。实验结果表明：（1）使涡轮叶片转动的最低气流流速为2.5 m/s。一旦流速超过该临界值，涡轮便自动开启，产生电力输入公共电网。（2）输出电功率和太阳能辐射量紧密相关。（3）在晚上烟囱内仍有上升气流，在夜晚也持续一段时间输出电功率，这也证明了地面的储热效应。（4）太阳能烟囱发电系统运行可靠。太阳能烟囱发电系统运行的可靠性主要由全年的总运行时间决定。1987年Manzanares 市有 3067 h 的太阳辐射强度超过150W/m2。整个电站运行3157h并输出电功率到公共电网，其中包括 224 h 的夜晚运行时间，这也证明了地面的储热效应。在 19821989 年期间，Manzanares 实验电站已经运行了大约15000 h。这些结果表明整个发电系统及其组成部分是可靠的，完全能够可靠地运行。热力学惯性是系统能够连续不断运行的一个显著特征，全天连续运行是可能的。甚至在太阳能辐射剧烈波动时，大型发电站也能够有效的运行。（5）从结构的角度来看，玻璃明显比塑料更适合用做集热棚材料。在电站运行的第一年，部分塑料块就变脆，被暴风雨戳破，而顶部的玻璃却一直完好无损。另外，降雨可以自然清洗玻璃棚也证明了玻璃对比塑料的优越性。因只是暂时使用，所以没有对烟囱的拉索采取防锈措施。1989 年春天，由于严重生锈，且仅用耐久性差的轻质材料建成，烟囱在一场暴风雨中被刮断。 b. 微小实验原型 在实验原型研究方面，除了50kW电功率的Manzanares 实验电站原型，另有5座微小实验原型相继建成，用于实验研究，它们的结构尺寸见表 1.1。1983年，美国科学家Krisst在康涅狄格州首府西哈特福德市建造了一座烟囱高度为10m，集热棚直径为6m,输出功率10W的庭园式太阳能烟囱发电装置4。 美国佛罗里达大学校园中的装置5如图1.2所示：烟囱直径从底部的2.28m缓缓减小到0.61m，涡轮安装在烟囱出口。这种设计起到了加速气流的作用，但同时也增加了出口动压损失。作者对原装置的结构进行了两次改进：增大集热棚面积到263m2和在自然地面上增加吸热层。通过对比改进前后装置内空气的温度和速度大小发现：两种结构改进都增加了发电功率。表1.1 微小实验原型的结构尺寸年份地点烟囱高度（m）集热棚面积（m2）1983美国，康涅狄格10281985土耳其，伊兹密尔市291997美国，佛罗里达7.92662002中国，武汉8792006巴西，贝洛奥利藏特11491Kulunk建造的微小太阳能烟囱模型的烟囱底部涡轮转子功率0.45W，输出电功率为0.14W，烟囱底部和顶部的温差和压差分别为 和200Pa6。2002年底，建造了我国第一座太阳能烟囱发电装置。该装置由直径10m的玻璃集热棚和高8m、直径0.3m的烟囱组成7。图1.2 美国佛罗里达大学校园中的太阳能烟囱模型 Kulunk建造的微小太阳能烟囱模型的烟囱底部涡轮转子功率0.45W，输出电功率为0.14W，烟囱底部和顶部的温差和压差分别为 和200Pa6。2002年底，建造了我国第一座太阳能烟囱发电装置。该装置由直径10m的玻璃集热棚和高8m、直径0.3m的烟囱组成7。2006年，在巴西Universidade Federal de Minas Gerais大学校园中建造了一座太阳能烟囱模型，如图1.3所示，集热棚为玻璃纤维材质，呈水平状，高0.5m，为减少内部空气与环境空气在入口处产生强烈的对流而损失过多的热量，入口处高度突然降低到0.05m。烟囱通过玻璃纤维材质包覆木质竖直框架制作成，分为5个模块，每个模块高2.2m，模块间通过螺丝衔接8。 图1.3 巴西Universidade Federal de Minas Gerais大学校园中太阳能烟囱模型1.2.2 国内太阳能热气流发电发展现状2003年，潘垣院士开始在国内大力倡导太阳能热气流发电技术，提出建设太阳能热气流发电系统对中国能源发展以及生态环境的深远影响。目前，该技术的研究已在国内蓬勃发展，在我国有不少单位众多专家学者热切关注这项技术并进行了不懈的探索研究，但与世界先进国家仍存在较大差距。目前国内主要集中于以下几个方面：小型太阳能热气流实验装置的建设与实验；太阳能热气流发电系统的热力学分析；太阳能热气流发电系统的HAG效应；太阳能热气流发电系统在中国部分地区的可行性研究；太阳能热气流发电系统的涡轮机布置方案研究；大容量商业运行太阳能热气流电站可行性研究。利用太阳能产生热气流，进而通过热气流发电，既没有任何污染，而且可以将原有的沙荒地改造成良田。2009年初，位于灵武市的全国首个太阳能热气流发电厂正式破土动工。这不仅填补了我国利用太阳能热气流进行发电的空白，而且此项技术的科技水平同步走在了世界最前沿。2009年3月，在两会上 ,温家宝总理在政府工作报导中提出“积极发展核电、风电、太阳能发电等清洁能泉”。不言而喻，核电、风电和太阳能发电将成为我国大力发展的三大新能源。到2020年，核电从现在的近910千瓦发展到7000万千瓦；风能发电规模将由3000万千瓦调整到1 亿千瓦 ；太阳能发电规模也将由180万千瓦调整到上千万千瓦；三大新能源作为我国战略性新兴产业 ，必将成为我国下一轮经济发展的新引擎。 目前，出席“中国-欧盟新能源技术创新合作论坛” 的中国国务院参事、中国可再生能源学会理事长石定寰透露，10年后中国太阳能发电总量将相当于1.5个左右的“三峡水电站”。“中国对到2020年的太阳能发电规划目标将有重大调整，包括太阳能热发电在内的总太阳能发电量将达到2000万至3000万kW。较之以前的规划目标有10余倍的增长。”石定寰说。总工期达17年的三峡水利枢纽工程的水电总装机容量为1820万kW。石定寰说，由于中国严重依赖化石能源，已经面临着能源安全和环境污染的双重压力。据了解，在中国的一次能源消费结构中，煤炭占69%，石油占20%，而水电、核电、风电等仅占7.6%。根据中国两年前出台的百丁再生能源中长期发展规划，2010年，中国可再生能源消费量要达到能源消费总量的10%左右，2020年这一比例将达到15%。太阳能产业成为中国大力扶持的重点之一。目前，中国年生产能力超过100MW的太阳能光伏电池制造企业已有10多家，已建成并网太阳能光伏。 国家能源局官员2010年1月30日称，先进核能、风能、太阳能等新能源到2050年将成为我国主力能源之一，改变我国长期以来以煤为主的能源禀赋。国家能源局发展规划司司长江冰在此间举行的一个能源论坛上说，应以掌握核心技术和关键设备自主制造为主线 ，推广先进成熟核电技术，大型太阳能光伏电站要逐步由工程示范向推广阶段转变并积极推动海上风电、先进生物燃料、电动车充电系统等示范工程建设，加快核电快堆技术与先进燃料循环系统、核聚变和可燃冰利用的研发。努力使新能源到2030年在我国能源系统中发挥重要替代作用，到2050年成为我国能源体系中主力能源的重要组成部分。此外，他建议要着力推进国家重点能源基地建设把西部能源资源富集区的鄂尔多斯盆地、山西、蒙东西南、新疆等五个能源基地定位为国家重点能源基地进行重点规划开发。据测算，2030年前这五个基地新增一次能源供应量将占全国新增量的 85%左右。我国对此领域的研究起步较晚，对很多人来说这还是一项陌生的技术。但令人高兴的是，最近国内的一些高校和科研院所也己开始对此项技术进行研究。华中科技大学已经建造了一座太阳能烟囱式发电试验装置，并对集热棚和烟囱内的传热和流动过程进行了数值模拟。葛新石和叶宏叫对太阳烟囱发电及其固有的热力学不完善性进行了分析。代彦军等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，并针对宁夏地区的气候特点，对其在银川、平罗和贺兰三个地区应用的可行性做了分析。刘伟等对MW级太阳能热气流电站传热和流动特性研究进行了研究。明廷臻等对太阳能热气流电站系统的热力学进行了分析，提出了能量利用度的概念，并对不同尺寸的太阳能热气流电站的性能进行了分析计算。杨家宽等对太阳能烟囱发电装置温度场和流场进行了数值模拟研究。总的来说，目前国内外有关太阳能烟囱发电技术研究大多集中于热力学、能源、涡轮机等方面，有关超高耸烟囱和超大跨集热棚的结构研究基本空白，这严重阻碍了太阳能烟囱发电技术的进一步开发和推广应用。北京市太阳能研究所的研究员孙喆以西班牙太阳能试验电站为基础，分析在北京市某区建立太阳能热气流发电系统的可行性，计算了不同气候条件下其土壤内的温度分布和输出功率。此后，严铭卿与美国Sherif教授联合,对太阳能热气流发电系统的传热流动特性进行了理论分析，将涡轮机视为旋转圆盘，对涡轮机区域的流动进行结构优化，提出了输出功率极值时的结构特性，之后建立了系统传热数学模型。预测了系统的能量转换效率。之后将近10年，国内关于太阳能热气流发电技术的研究陷于沉寂。宁夏是太阳辐射的高能区之一，太阳能资源丰富，在全国31个省会城市太阳能可利用状况综合排序中，银川位列第三。因此，面对全球金融危机蔓延的态势，新能源的研发和利用在宁夏显得尤为重要。作为“全国民用建筑太阳能热水系统评价标准”西北地区惟一的参与单位，银川市瑞明太阳能有限公司在经过多年的科技攻关后，终于成功破解了太阳能热气流发电中的技术难题。今年年初，他们又顺利在灵武市向东5公里处的一片沙荒地上投资兴建1000kW太阳能热气流发电厂。据介绍，太阳能热气流发电是利用地面反射太阳热量形成热气流，热气流在运动过程中带动叶片进行发电。整个发电过程不需要燃料和冷却水，因此不会对环境造成污染。同时，由于电厂占地面积大，且需要阳光充分，因此只能选在沙漠或荒滩地上，而电厂建筑结构的特殊性正好起到了防风固沙的作用。而且，由于集热温棚和地面存在高度差，正好成为种植农作物或进行养殖的绝佳空间。经测算，仅建设一座1000kW的太阳能热气流发电厂，每年将节约2000吨左右的标准煤，二氧化硫减排量达到30吨。1.3 本文主要工作第一章介绍了课题背景，以及在此背景下热气流发电技术国内外的现状和发展趋势。第二章介绍了太阳能热气流发电工作原理和特点，并且阐述了逆变器国内外发展现状及其发展趋势。第三章详细地阐述了太阳能热气流并网逆变器的主电路为三相电压型逆变电路，以及分析了控制电路采PWM控制技术中的滞环比较方式的工作原理。第四章简单的介绍MATLAB和Simulink功能，重点介绍了逆变器MATLAB/SIMULINK仿真，仿真出不同滞环宽度的波形，并对两种仿真波形进行了分析。第五章对本论文的主要内容进行总结。第二章 太阳能热气流发电与传统发电方式相比，太阳能热气流发电系统具有设计简单、取材方便、运行可靠、运动部件少、维修方便、成本低、无环境污染、昼夜运行连续稳定、使用周期长等特点，成为可再生能源发电的一种新方式，应用前景广阔。 太阳能热气流发电技术是太阳能利用发展进程中具有前瞻性的技术 ，对世界化石能源替代、环境改善和生态重建等领域具有重要意义，故太阳能气流发电技术是目前太阳能研究领域的热点之一。 近年来，我国也加大了这一技术的研究力度。2003年华中科技大学潘垣院士在我国大力倡导太阳能热气流发电技术并积极开展研究 。2002年12月国内第一个太阳能烟囱在华中科技大学建成，负责有关项 目实验及数值模拟研究。影响太阳能热气流发电系统经济性的主要因素为烟囱、集热棚、透平和系统效率等。其中，集热棚占地面积大，还需考虑土地 、材料等费用。若采用缩小集热棚面积，并能获得相近的传热与流动特性参数的太阳能热气流发电系统设计，即能实现优化目标【9】。2.1 太阳能热气流发电工作原理太阳能塔热气流发电基本原理是利用了温室效应、烟囱效应和涡轮旋转发电这三项人们早已熟悉并且是成熟的技术组合形成了一个全新的发电方式，它的结构并不复杂。在地面上设置一个庞大的太阳能集热器大棚，在太阳能集热器的中央竖立一个高大的太阳能塔，集热器顶棚与塔的底部紧密封接，在塔的运行原理底部安装涡轮机，也不复杂。由于太阳的照射，太阳能集热器大棚下的空气被加热，加热后的空气形成上升气流，通过中部的太阳能塔排出，热气流驱动设置在太阳能塔底部的涡轮机旋转带动发电机发电，大棚外的冷空气则通过四周不断被吸入补充。太阳能塔热气流发电的运行原理如图2.1所示。电力与塔的高度和集热器面积的乘积成正比，也就是说与图2.1中圆柱体的体积成正比。 图2.1 太阳能热气流发电运行原理图太阳能塔热气流发电系统包括三个主要部分：太阳能集热系统、集热型烟囱系统和发电系统。（1）太阳能集热系统由大面积集热器和小面积集热棚两部分组成。大面积集热器是由隔板式串并联太阳能真空集热管组合装置集热器（或全玻璃真空集热板集热器和真空集热瓦集热器）、热交换装置、地面卵石出热层和地下储热装置、变频调速循环泵（风机）、连接管路、可调进风窗风门、风速计和温度计等部分组成的可调集热系统。小面积集热棚是由全玻璃真空集热板集热器（或真空集热瓦集热器）所组成。其中地下储热装置分为二类：一类是解热系统中水为传热介质，则地下储热装置为保温水箱；另一类是集热系统中空气为传热介质，则地下储热装置为卵石储热保温箱。（2）集热型烟囱系统采用全玻璃真空集热板（或真空集热瓦）来构成集热型斜坡烟囱和集热型垂直烟囱两种相结合的热气流风道。（3）发电系统是由多台涡轮发电机组成。2.2 太阳能热气流发电特点 2.2.1 太阳能热气流发电特点（1）大容量清洁的可再生能源发电技术。可以大规模开发建成大容量机组，对缓解日益严重的能源危机有重要意义； （2）连续运行，稳定发，电对天气的依赖性较小，夜间也有电能输出，有条件成为能源体系中的主力能源，扮演中心电站的角色； （3）充分利用太阳能，可开发利用全部太阳辐射能，包括直射幅射和散射幅射； （4）结构简单 ，技术成熟。大量使用的是钢材、混凝土、玻璃等常规材料； （5）寿命长、运行维护简便；（6）无需冷却水，为在缺水而阳光充足地区的应用创造了条件；（7）占地面积大，在集热器大棚下面可以进行蔬菜、水果、花卉种植等农业活动，是一特大温室【10】。 2.2.2 太阳能烟囱热气流发电技术的兴起 太阳能烟囱热气流发电技术之所以受到广泛的关注，主要因为它具有以下优点：（1）太阳能烟囱热气流发电技术适合于建在人口稀少的闲置的土地上，特别是荒漠地区。这对于耕地面积锐减的当今世界也具有重要的现实意义。该发电技术特别适合于我国广阔的西部地区，将会为我国的西部大开发做出独特的贡献。 （2）集热棚地面能吸收并储存一部分太阳能，使得电站不但白天能够发电，而且晚上也能释放能量，保证发电机组的连续运行。 （3）太阳能集热棚以及烟囱材料均可以使用现有的常规材料，不象太阳能光伏电池材料价格高昂；设备较其它发电技术简单，运行费用低；而且设备规模越大，功率越大，发电效率也越高，经济性上适合于建立大功率的太阳能烟囱热气流电站。（4）良好的环境效应，不会污染环境。太阳能烟囱热气流发电是清洁发电技术不会产生化石能源所带来的SO2、NOX等污染物，也不会产生CO2等温室气体。据估算200 MW的太阳能烟囱热气流电站每年可以减少90万吨CO2等温室效应气体的排放。另外，当建造在大气污染严重的工业地域，太阳能烟囱还能起到消除局部的地面大气污染。 自太阳能烟囱热气流发电技术的可行性被证明以来，20多年过去了，太阳能烟囱热气流发电技术还没有得到大规模的应用，主要因为它还具有一些本质上的缺点：（1）从热力学角度来说，太阳能烟囱热气流发电系统实际上是太阳能热力发电，转换效率低于卡若循环效率。该发电系统的热源是棚内高温空气，冷源是出口空气。热冷源的温差不大，属于低品质的热力发电，这决定了系统的发电效率不高。然而，正如黄国华教授所指出的：低效率不同于低价值，能量利用效率对于储量有限的化石能源和资源有限的部分可再生能源来说十分重要，但对于不用白不用的太阳能来说，效率是次要的，主要要看发电成本，只要能够获得有竞争力的发电成本就有开发价值。潘垣院士将太阳能热气流发电与其它发电类型进行了比较，大型太阳能热气流电站的初期建设成本可以降到大约为50008000元/kW左右，每度电运行成本约为0.10.25元，一次性投资预计与建造同容量水电站相当。 （2）烟囱高度大，一次性投资多，存在工程安全性和投资风险性等问题。由于太阳能热气流能量转换效率低，只有建造100 MW 级的超大规模的商业电站，才可能将综合能量转换效率提高到1%以上，烟囱的高度超过700m。传统的太阳能烟囱为钢筋混凝土结构，受建筑材料、建筑技术的限制以及其它外在因素（比如地震、高空风等）、安全性等影响，烟囱高度受到限制。如何增加烟囱的有效高度成为太阳能烟囱热气流系统研究的关键。世界最高楼迪拜塔的混凝土核心的最终高度预计将达到575m，加上顶上的钢制尖顶，高度将达到800m以上，计划在2008年建成。最近，建筑公司却突然宣布工程将延期至2009年，据报道可能是因为已建楼层出现了质量问题。高大烟囱的防风抗震能力等安全性问题还有待研究。高大烟囱的一次性投资过高，风险过大，还贷周期过长，让投资者望而却步。如何降低一次性投资和规避投资风险是必须考虑的问题。 （3）超大规模的太阳能热气流发电系统对局部气候和增雨、增雪效应的影响规律不清楚。大规模的太阳能热气流系统将使地面的空气源源不断地输送到距地面千米以上的高空，西部地区象青藏高原平均高程在4000m以上，如果建造在青藏高原戈壁滩上的太阳能电站烟囱顶部就在高程5000m以上。据气象资料统计，拉萨地区的雪线在高程5600m。因此，太阳能热气流电站的烟囱顶部高程接近雪线高程，源源不断地上升的热空气必将对局部气候产生影响，并可能产生增雨、增雪效应。雪线是气候的产物，雪线高程受纬度地带性（温度）、垂直地带性（温度和降水）和地方性气候（主要是降水）的多重性控制。（4）太阳能集热棚运行一段时间后，许多灰尘会粘在集热棚表面，导致采光性能下降。针对以上太阳能热气流发电系统存在的不完善的地方，如何开发综合成本低、运行维护方便、适合各地地域特征的太阳能热气流发电系统具有重要的现实意义。2.3 西部的地域特点适合于大力发展太阳能热气流发电技术 太阳能热气流发电技术提出来后，二十多年来一直没有获得大规模应用。西方发达的国家虽然具有技术优势，但是西方国家一直坚持以油、气为主体的优势能源结构，另一方面缺少太阳能丰富的沙漠化土地资源，因此，在德国等欧洲发达国家对太阳能热气流发电技术没有足够的重视。至于大多数发展中国家，由于经济不发达，技术实力较低，虽然具有广阔的地域优势和丰富的太阳能资源，但是要投巨资开发商业规模的太阳能热气流电站，具有一定的难度和风险。对于经济和技术水平正处在高速发展的我国来说，如何利用西部广袤的地域优势和丰富的太阳能资源，如何发挥太阳能热气流发电技术的优势，来解决西部大发展中能源和生态环境的问题，甚至我国的可持续发展问题具有巨大的潜力和实现意义。 2.3.1 适合于不同西部地域特点的五类太阳能热气流利用技术 结合我国西部地域特点，提出五类太阳能热气流利用模式：中小规模烟囱热气流驱动抽取地下水系统；较平整的小坡度山体上建造的斜坡集热棚式电站；依附于大坡度高山体建造的斜烟囱式电站；依附于大坡度、小跨度高山体建造的山洞烟囱式电站；平坦荒漠上建造的大规模漂浮烟囱电站。 与发达国家相比，我国西部地区在这种电站的发电成本方面和地理资源方面都具有得天独厚的优势。适合我国西部不同地域特点，中小规模烟囱热气流系统用于抽取地下水进行饮用、绿化灌溉、整治荒漠化具有实际价值；斜体烟囱式电站、斜坡集热棚式电站、山洞烟囱式电站及大规模漂浮烟囱电站对于解决超高竖直烟囱带来的安全问题以及投资太大等问题有参考价值。开发综合成本低、运行维护方便、适合西部地域特征的太阳能热气流发电系统服务于西部能源与生态环境的改造具有巨大潜力和现实意义。 2.4 逆变器国内外研究现状与发展2.4.1 逆变技术的现状逆变器的发展是随着开关元件的大容量化和高频化，微机高性能化和控制技术及其回路集成化，逐渐实现小型化、高响应化、大功率输出化和高可靠化。逆变器