太阳能烟囱直接抽取地下水技术的提出

    在化石能源日益减少的今天，开发以太阳能为代表的可再生能源是一条解决能源问题的出路。太阳能烟囱发电技术采用一些常规材料，运行成本很低，而且能减少温室气体ＣＯ２的排放，其优点已经被建造在西班牙的太阳能烟囱电站所证明。然而，其固有的缺点和难题也是限制其发展的主要原因。
    ①太阳能烟囱发电系统的总能量转化效率低。西班牙５０ｋＷ太阳能烟囱电站的能量转换效率不到０．２％，预测的１０ＭＷ大型太阳能烟囱的总能量转化效率也只有１．３９％。只有太阳能烟囱的规模越大，其效率才越高。
    ②投资巨大。１００ＭＷ的太阳能烟囱建造成本为０．７８９亿英镑，澳大利亚计划建造的２００ＭＷ的太阳塔的预计投资为７亿美元。
    ③超高烟囱的安全总是和可靠性问题是令人担忧的。目前世界上最高的人工建筑物（加拿大的多伦多电视塔）只有５５０ｍ高，而待建的澳大利亚太阳能烟囱的高度是它的２倍。
    ④太阳能集热棚灰尘的清洗和效率的维持是一个难题。集热棚表面很容易覆盖灰尘，大面积集热棚表面的清洗又很困难，集热棚积灰会影响太阳光的透过，降低发电效率。

    在我国西部地区，普遍存在能源和水源缺乏的问题。水资源的开发是解决荒漠化地区人类生存的关键。抽取地下水是解决干旱地区水资源缺乏的一种有效途径。这些地区交通困难，经济落后，电力匮乏，领先传统电网的延伸来提供水泵动力是难以实现的。虽然我国已经在西部地区开展了太阳能光伏发电提水的研究，但是由于太阳能电池的成本太高，因此目前还未达到大规模应用。另外，风力提水技术只能适合于风力资源丰富的地区，在许多风力资源贫乏的地区就不能使用。

    根据太阳能烟囱发电技术的难点和我国西部地区的具体情况，建立大规模的太阳能烟囱的时机还不成熟。回避修建大规模电站的风险，建造中小规模的太阳能烟囱装置直接抽取地下水，是解决我国西部地区水资源问题的新思路。

    太阳能烟囱直接抽取地下水的模型设计

    太阳光透过塑料或玻璃集热棚加热地面。为了增加地面的蓄热性能，将地面铺设一层水管作为蓄热材料。由于温室效应，集热棚内空气温度升高，热空气膨胀而向集热棚中部流动，进入集热棚中部的烟囱。实际应用的烟囱一般采用钢筋混凝土结构，以保证一定的强度和防风抗震性能。上升的气流在烟囱中加速上升，推动安装在烟囱底部的涡轮机旋转，并通过机械传动带动曲轴取的地下水通过过滤器被提升到高位水塔中。高位水塔中的水通过喷淋设施清洗集热棚表面的灰尘，也可以输送到远处。

    最简单常见的活塞水泵是由１个圆形水管外筒和１个活塞组成。圆管底部设进水口，并安装有过滤器，在圆管的顶部设出水口，活塞上装有一个单向活门。当活塞处于向下行程时，圆管底部的活门关闭，活塞上的活门被水的压力冲开而流入活塞以上部位。当活塞处于向上的行程时，活塞活门受上部水的压力而关闭，圆管底部的单向活门被吸开，水进入到圆管内，活塞活门上部的水就被提升到其顶部的水管中。只要太阳能烟囱有足够的功率，就可以把地下水抽到水塔内或输送到很远的地方。一个太阳能烟囱提水装置所需的功率大小，主要考虑抽水、输水的扬程和管道内的摩擦阻力损失两部分。该系统的抽水泵，可选用活塞泵，还可以选用薄膜泵。
  太阳能烟囱直接抽取地下水的实例分析

    烟囱高１００ｍ，集热棚直径１５０ｍ，预计能产生１０ｋＷ以上的驱动功率。假设地下水位深４５ｍ，太阳能集热棚离地高度为８ｍ，修建高位水塔离地面高度为１５ｍ，沿水平方的距离为９０ｍ；输水管道为直径５０ｍｍ的钢管；水泵效率为７０％。抽水和输送所需的功率主要由扬程和管道内的摩擦阻力损失所决定，可以按照下面公式进行计算。

Ｐ＝９８１１（Ｈｗ＋Ｈｆ）Ｑ/Ep          （１）
    式中Ｐ——水泵抽水的功率，Ｗ；
    Ｈｗ——抽水扬程（地上扬程和地下扬程之和），ｍ；
    Ｈｆ——摩擦阻力扬程，ｍ；
    Ｑ——抽水的平均流量，ｍ３/ｓ；
    Ｅｐ——水泵效率，％。

    摩擦阻力扬程由各段管道长度、管径以及弯头个数确定，可以用下面经验公式计算。

    Ｈｆ ＝ξ（Ｌ＋４Ｎ）              （２）
    式中：Ｈｆ——摩擦阻力扬程，ｍ；
    ξ——水头损失系数（根据管径Ｄ和流量Ｑ从经验曲线查得），取ξ＝１；
    Ｌ——管道长度，ｍ；
    Ｎ——弯头个数，假定弯头个数为３。
    由公式（１）和公式（２）可以估算出１０ｋＷ的水泵功率能够抽取地下水的平均流量为０．００３２ｍ３/ｓ。具体的说，烟囱高为１００ｍ，集热棚直径为１５０ｍ的太阳能烟囱抽水装置，能够以１９３Ｌ/ｍｉｎ的平均流量，将４５ｍ深的地下水抽到１５ｍ高的水塔中。

    结束语

    １．利用太阳能烟囱技术进行太阳能能量的转换抽取地下水，弥补了现有的光伏提水成本太高的不足，克服了风力提水受风场和地域限制的缺点。太阳能集热棚下面的地面具有蓄热功能，太阳能烟囱不但白天可以抽水工作，晚上地面释放的热能也可以维持其继续抽水。
    ２．太阳能烟囱抽水技术回避了大型太阳能烟囱发电须修建超高烟囱的难题。利用太阳能转换的热能直接通过机械传动抽取地下水。这样就可以修建中小规模的太阳能烟囱系统，消除了超高烟囱的安全隐患，提高了能量的转换效率。
    ３．实现了烟囱系统的自清洗过程。太阳能烟囱的集热棚占地面积大，在运行的过程中，很容易被灰尘所覆盖而降低能量转换效率。利用太阳能烟囱缺陷取地下水，既提供了饮用水源和灌溉水源，又可以方便地进行集热棚表面灰尘的自清洗，能保证太阳能烟囱装置高效正常地运行。