据外媒报道，美国亚利桑那州正计划在它的西部沙漠地区兴建一座高约800米的、能发电的巨型太阳能塔。据估计，太阳能巨塔可产生20万千瓦的清洁电力，足以满足当地15万至20万户家庭的用电需求。2015年建成后，它将成为世界上第二高建筑。

很多读者感到好奇——说起太阳能发电，更容易联想到太阳能电池板、太阳能反射镜之类的装置，而那么一个巨大的烟囱，是如何实现太阳能发电的呢？

太阳能塔，较为科学的名称是“太阳能热气流式发电系统”。它不烧任何燃料，不需用水，因而绝不排放任何温室气体，也不排放废水或其他任何污染物，是一个典型的碳排放为零的清洁发电厂。

之所以能够如此，是因为它巧妙地组合了三个为人熟知的科学原理——温室效应、烟囱效应和风力涡轮，使太阳光的热能被利用来制造强大的上升气流，驱动涡轮发电机发电，很有创意！

温室效应

加热大量空气

这个项目首先要建设一个巨大的“热空气收集器”，它实际上就是我们常见的大温室。

首先，这个大温室的顶盖对阳光来说必须是透明的，白天阳光的直射和漫射，加热了被约束在温室内的空气。温室内的土壤等物质的温度因吸收太阳辐射能而上升，再向温室内辐射远红外线从而加热温室内的空气。

其次，这个大温室的顶盖像一个“天棚”，它必须能不让温室内物体辐射的远红外线逃逸，尽量不让温室的热量散失，起隔热保温的作用。

另外，根据需要，温室内还将放置一些“储热材料”。这些储热物质的温度因白天接受太阳辐射而上升，从而储存了阳光的热能；到了夜间，这些储热物质通过辐射远红外线向室内缓慢释放它白天所吸收的热量，一定程度上维持着温室内空气的温度，以便维持夜间也有相当的发电能力。

烟囱效应

形成强大的热气流

热空气上升的现象、烟囱的抽吸作用，生活中最常见不过了。多个世纪以来，北方农村那些烧炕取暖的民房，就是用烟囱来改善炕内烟道热气流的流通的。

由于空气受热后体积膨胀，就是说室内的热空气变轻了，它要上升可又无处可去，此时如果温室中部建造一座大烟囱，变轻了的热空气将瞬即通过烟囱上升至温度低的烟囱出口，而温室外部相对“较冷”的空气将从温室边缘不断补充进来，必然会在烟囱内形成一股强大的、向上的热气流。设想如果塔身设计得很矮,它的抽吸作用就不明显。要使烟囱内的热气流流动速度大，塔身就得高，它的抽吸作用也就越强。

因为烟囱设计得既高又大，我们就称它为“上升气流塔”。

风力涡轮机

把热气流转换成电能

在烟囱底部的气流通道上安置多组风力涡轮发电机，强大的热气流通过时，它驱动涡轮机的叶片旋转，热气流的动能转换为机械能，从而带动发电机发电转换为电能。这与水力发电站用的轴流式水轮机工作原理完全一样。

由此可见，由于阳光及其所带来的吸热物体的热辐射，温室内空气被加热，在烟囱的帮助下产生上升的抽吸气流，它的动能驱动涡轮发电机组发电，变成电能输出，这三个古老而又成熟的技术组合，就是太阳塔的发电原理。

不用燃料不用水

实现真正的零排放

太阳塔的运行不需要用水，这意味着它可以用在干旱的环境中，在大片荒漠上应用，同时还能改善环境。例如大片荒漠沙地将得以覆盖，切断沙源。如果温室内能生长植物，种树绿化，太阳塔内将会有带湿气的热气流上升至高空，能形成雷雨云，增加降雨机会，这对改良沙漠的生态条件、降低沙尘暴很有帮助。

其次，建造太阳塔所用的原材料都是十分普通的，建造它并不需要高技术设备。再加上整个系统除了发电机组之外没有其它运动部件，因此可靠性高，维修简便。

如果太阳塔项目商业化运行成功，它不需要消耗地球资源、零排放、零污染的优点决定了它将是能源与环境协调发展的最好的清洁能源方式。

大功率电站尚无先例

需要实践进行检验

虽然太阳能热气流式发电技术提出较早，理论也是成熟的，但除西班牙的一个小型实验电站外，至今还没有大功率电站运行的实践，因此很多问题的解决还要经过实践检验。例如，如今的材料能否确保近千米高太阳塔的稳定性和抗风能力，连续的阴天如何有效地维持电站运行，暴雪过后如何迅速清除阻挡阳光的积雪等等。

设计者声称太阳塔的使用寿命至少50年以上甚至可达80年；项目建成后，只需50个工作人员维持运转，20万千瓦峰值输出时的运行效率可达60%(如果确实如此，那将是其它可再生能源发电方式所无法比拟的)等提法仍需实践检验。

然而可以相信，随着研究的深入，相关技术会越来越成熟。新材料的突破将使人们有可能选用既便宜可靠又长寿耐用的材料来建造高塔。

延伸阅读

太阳能巨塔

相当于小型火电站

美国亚利桑那州计划建造的太阳能塔是澳洲一间上市公司EnviroMission设计的，它几经评估选定并取得美国一间工程管理公司支持，投资7.5亿美元来建设世界上第一个大尺寸的太阳塔。

据报道，上升气流塔高约800米，仅次于全球最高的位于阿联酋的迪拜塔(826米)。塔身将选用轻质钢筋混凝土材料建成，塔的内部除了用钢筋做加强筋之外是空心的。塔基将覆盖大约1平方公里的地面。根据设计，32台大型涡轮发电机组就安装在这里，形成一圈环绕放置。

气流塔外围是占地37平方公里的巨大温室，选用玻璃或具有足够强度、耐紫外线照射的聚碳酸酯等聚合物薄膜制成能透光的顶部，堪称一个其大无比的天棚。据测算，其温室效应可令困在温室中心处的空气温度比温室外的环境温度高出约35℃。

在这样的设计条件下，塔底的风力涡轮机迎风面处的热气流流速可达每秒15米，32个旋转的涡轮将产生20万千瓦的清洁电力，能供15万至20万户家庭用电。而与同样可以输出这么多电力的小型火电站相比，相当于每年减排了75万至83万吨的温室气体。

背景资料

西班牙曾建造

试验型太阳能塔

早在百年以前的1903年，就有一位名叫IsidoroCabanyes的上校在一本名为《电能》的杂志上提议过要利用烟囱效应发电。

1982年，德国技术部门与西班牙电力公司union    Fenosa携手合作，出资在西班牙马德里南部150公里的曼沙那列士地区建设了一个可以发电的小型太阳塔样板装置。烟囱的高度为195米，直径为10米，温室的集热面积为46000平方米(温室直径244米)，获得最大输出功率为50千瓦。

这个试验电站于1986年7月开始运行，记录了大量的运行数据，验证了太阳能热气流式发电的可行性。小型太阳能塔采用便宜的材料建成，目的是使用最低的建造成本，但不幸由于一场风暴，靠近塔的地方遭遇旋涡气流，致使这个小型试验电站遭到严重损坏，遂于1989年退役。（陈贺能作者为中国科学院原新技术开发局高级工程师、中国科学院老科学家科普演讲团成员） 
 
作者:陈贺能