可控局部大气环流连续发电的技术设想
太阳能又称太阳辐射能，在地球表面的大气层外能量为1.37kW/㎡[1]，大气层内地表能量为1 kW /㎡[1].到达地表的太阳能除了被海洋、植被和大气环流吸收一部分外，其他能量都以反射和长波辐射的方式重新回到了太空中。到达地表太阳能总量有17×104 亿kW，是人类活动总能量的3.5万倍[1]，然而由于太阳能的分散性、随机性、间歇性，导致其利用困难，实际利用率非常低。随着人类活动能量需求的急剧升高、化石能源的枯竭、地球环境的严重污染，寻求替代能源成为社会发展的重要任务。在所有的替代能源中，除了核能、潮汐能、地热能外，象生物质能、水能、风能和化石能源等实际上都是太阳能作用结果的表现。
在大气层中，局部空气因为受光照、洋流、地热等热载体传热影响，密度、内能发生改变，产生上升和下降运动，从而成为一个较大的能量载体；又因为地球自转所造成的不同纬度线速度不同，惯性力不一样，使得这部分带有能量的空气产生移动就形成了风（参见图一、图二所示）。
在地况特殊的地方，风能较高，方向稳定，延续时间长，适合我们建造风力电厂，可是像这样能直接利用的风场不是很多。如果利用人为干扰方式生成能量较高、方向稳定、延续时间长的风场来发电，将提高我们对太阳能的利用率。本文对此技术设想加以阐述，抛砖引玉，还望斧正。
图一 空气受热做上升运动
图二 地表大气循环运动
图三 可控局部大气环流连续发电原理图
1 可控局部大气环流连续发电的技术原理1.1 概述可控局部大气环流连续发电装置由如下六大系统构成：集热系统、蓄热循环系统、热交换循环系统、空气循环系统、发电系统、控制系统（参见图三所示）。
真空集热装置收集太阳的光能并转化成热能，对一次介质水（也可是其他常态为液态、沸点和比热较高的物质）进行加热，实现光能转换成热能；蓄热循环系统为主动循环装置。利用温差控制，将被加热的一次介质水间歇地泵入蓄热池中。为保证连续发电，设置独立多水箱蓄热装置，满足在无光照条件时的连续供热要求。
热交换循环系统也为主动循环装置。从蓄热水箱中，将符合条件的高热一次介质水泵入热交换装置，加热气体环流通道中的空气；空气循环系统为被动循环装置。循环通道中被加热的空气体积膨胀，推动叶轮旋转，转动的叶轮带动空气泵轮和机械传动装置旋转；空气泵轮又对循环通道中泵入常态空气，继续加热，形成连续不断的风场。
发电系统由机械传动调速装置和发电机构成，旋转的发电机在满足条件的情况下对外输出电能；控制系统除了完成上述主动循环装置的控制外，还要控制管道系统的阀门开闭、空气泵轮的轴向角度调整等需要控制的工作。
[page_break]1.2 太阳能集热系统太阳能集热系统由太阳能热收集单元（参见图四）构成，基本构成元素有：贯通式吸热真空管、吸热金属管、保温上联箱、保温下联箱、进水口、出水口、接头及接头保温装置。
太阳能热收集单元中的吸热真空管将太阳光能转换成热能，通过吸热金属管将热量传输到管内工质，使工质受热。在进、出水口的压差作用下从下联箱流动到达上联箱。
考虑到工质流量的分配和减小流体流动过程中的压力损失，将一定数量的太阳能热收集单元组合成集热方阵（参见图五），配置集水和分水保温管道；再将一定数量的方阵通过管道连接，设置集热循环水泵，形成主动循环的太阳能集热系统（参见图三集热系统）。
为减小流体流动过程中的沿程压力损失和局部压力损失，太阳能热收集单元中的吸热金属管径要尽可能大，同时上、下联箱间的吸热金属管长度和结构要满足强度、刚性、成本和安装工艺的要求。
图四 太阳能热收集单元
图五 由热收集单元组成的集热方阵
1.3 蓄热循环系统蓄热循环系统由一组保温水箱和两套循环系统构成。
图六 保温水箱示意图
保温水箱配置有集热循环进、出水口和做功循环进、出水口，其内部设置了可控移动隔热板和安全卸压阀。集热与做功循环的进、出水口相互独立将不妨害其各自功能的实现。可控移动隔热板在水箱内部将上部热水与下部冷水隔离开，既防止了热量传递又有效利用水箱空间。水箱内胆和可移动隔热板用绝热保温材料制成，水箱外壳可以用砼材或者用金属材料构成，要保证箱体的承压要求。水箱内胆和外壳间填塞保温绝热材料。
水箱组由若干保温水箱通过循环水管并联组成，水箱组与集热循环和做功循环的联系是依靠阀门控制动作而程序化完成。设置多个独立水箱构成水箱组作用有两个：其一保证做功循环水温快速达到设计要求；其二能保证在无光照条件下实现热水的连续供给。
两套循环系统为集热循环和做功循环。通过这两套循环系统将集热系统和热交换系统与水箱连成一体。两套循环系统均设置有水泵，实现自动控制下的主动供水。
集热循环系统的主动供水是靠温差控制实现的。当集热方阵上联箱水温高于水箱温度达到设定值时，控制系统动作，将集热循环水泵启动，将集热系统的热水泵人水箱；当循环到适当时间，集热方阵上联箱水温和水箱水温平衡时，控制系统动作，停止运行集热循环水泵。
做功循环系统的连续主动供水是靠变量泵完成的，使用变量泵供水的目的是保证供给循环通道的热量能保证叶轮以稳定的转速旋转，保证输出稳定可靠的电能。
各水箱的次序动作给排水是靠控制系统开闭阀门实现的。
[page_break]1.4 热交换循环系统热交换循环系统由热交换室、散热器、水循环、空气循环构成（参见图七）。
图七 热交换循环系统示意图
热交换室是空气循环通道的重要组成部分，是冷空气和热水进行热交换场所。热交换室必须有足够的横截面积，保证进行热交换的空气通畅流过并进行充分的热交换，防止空气流动过程中产生较大的局部阻力损失。
蓄热水箱中的热水通过做功循环水泵泵入散热器，对热交换室中的空气加热，实现热量传递。散热器中热水从上部流入，下部流出，通过散热器管道和散热片对流过其外部的空气充分加热。
1.5 空气循环系统空气循环系统是一个半封闭系统，系统不工作时与大气环境等压相通。热交换开始后，由于气体内能的改变，产生气体流动。气体泵轮对气体环流通道泵入空气，膨胀的热空气推动叶轮旋转做功，做完功的气体排入大气，完成空气循环。
气体泵轮和叶轮同轴布置，同轴驱动，不需外界提供能量。泵轮和叶轮结构与尺寸选择应该与能量输出匹配，同时还必须与气体环流通道的截面尺寸匹配。做好叶轮、泵轮与气体环流通道进、出口的间隙密封，防止能量损失，提高功效。
为了较好的利用热空气能量，在叶轮入口设置气体导轮，改变热空气与叶轮接触角度。
气体泵轮与叶轮轴支撑轴承要满足径向、轴向、周向力支撑要求，同时还要满足轴旋转跳动和膨胀要求。
气体环流通道设置气量调节装置，满足工作状态发电机转速要求。
图八 气体循环和发电装置
1.6 发电、配电系统发电机机械调速装置通过联轴器和超越离合器与气体叶轮轴连接。当叶轮转速达到发电机工作要求时，超越离合器结合，动力接通，发电系统开始运行对外输出能量。
配电系统将发电机电能分配到厂用电和升压站，系统完整运行开始。
在我们电力系统这是一项成熟的技术，不再详细阐述。
1.7 控制系统本系统分为集热控制、蓄热循环控制、热交换循环控制、空气循环控制、发电系统控制。
集热系统为固定安装结构，为保证在早晨和傍晚阳光入射角度较小时的光能吸收，设置辅助发射板。控制系统能实现反射板的展开与收缩、阳光追踪、反射准确。为实现对反射板的保护，当出现恶劣天气时，控制系统能对其进行检测和保护启动。
蓄热循环控制系统实现集热系统的温度检测、集热循环水泵的启动与关闭、蓄热水箱阀门的顺序安排。
热交换循环控制系统控制做功循环水泵的启动与关闭、流量控制、热交换水箱的顺序安排，满足能量交换与发电机能力和能量输出匹配。空气循环控制主要是对进气量实施控制，防止发电机失去稳定工作状态。
发电控制系统实现励磁、发电和电能的稳定输出。
[page_break]2 本技术设想的拓展应用利用该技术原理可实现做功乏汽的自主冷凝和余热发电；还可用于预热锅炉进水，提高进入锅炉循环系统的水温。
2.1 做功乏汽的自主冷凝和余热发电汽机做功乏汽的强制冷凝需耗费大量电能，消耗大量的冷凝水，并损失大量的冷凝热量。
参见图九所示，根据本技术原理，直接将汽机乏汽引入气体环流通道的热交换装置，利用乏汽余热加热空气环流通道中的空气，实现气体的强制自主流动，实现对乏汽实施强制冷凝。
图九 做功乏汽的自主冷凝和余热发电示意图
2.2 太阳能预热锅炉进水不管是经过处理的锅炉给水还是冷凝水，在进入锅炉水循环系统前，其温度的提高都是要消耗一定的热能。利用本技术原理中蓄热水箱中温度稍低于沸点的热水泵入锅炉循环水系统，也能实现一定的能量节约。
结论：电能是高效、方便、快捷的二次能源，太阳能是蕴藏量近似无限的一次能源。建立二者之间的直接、简便、低成本的联系是大势所趋。
目前，太阳能的综合利用主要就是光伏和光热两种。光伏发电的高成本、有限寿命、规模小的状况制约着其发展。光热利用除了在生成生活热水、物料干燥、植物种植上有了成熟的技术外，光热发电的理念一直局限于高温高热蒸汽或者烟囱效应上，也很难有所突破。
本技术设想利用了大气环流生成的原理，有效结合风能发电的技术理念，通过三次能量的传递，实现光——热——风——电的变迁。
从原理上看，它有这么几个特点：1）低温转换，绝热保温易于实现。
2）常压运行，设计、制造、运行成本低。
3）能量收集规模大，可实现大规模生产。
4）高日照点一般都处在环境恶劣的地方，可实现环境的综合整治。
5）无污染，零排放。
6）由于实施了多水箱蓄热功能，在当日光照充足的情况下，可实现24小时连续发电。
7）本技术设想存在的不足是产生的风能密度较小，整个系统结构较大，一次性投资大，设备的加工精度要求高。
此技术方案已搭建数学模型进行过计算，由于缺少气体环流通道中的空气动力学试验数据，不能提供生成能量的具体结果，在此表示遗憾。
作者简介：王振华 男 1965.9 安徽潜山 讲师 一直从事教学与工程设计工作
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