综述：太阳能烟囱发电厂技术、性能及未来前景的综合评述

【编辑推荐】这篇综述系统梳理了太阳能烟囱发电厂（SCPP）的技术原理、组件（集热器/塔/涡轮/储能层）、性能瓶颈（低效率/高成本）及混合系统优化路径，涵盖1980-2025年关键研究（含44篇高引文献），提出环境参数-几何构型-涡轮设计-经济评估五维创新方向，为可再生能源领域研究者提供技术成熟度（TRL）评估框架与商业化突破策略。

　　

Abstract

全球能源需求增长与环境挑战推动太阳能成为最具潜力的可再生能源之一。太阳能烟囱发电厂（SCPP）通过结合太阳能与风能实现低温热能的捕获，其核心组件包括集热器、烟囱、涡轮及储能层。尽管具备连续发电与环境友好特性，SCPP仍面临效率低下（通常<2%）与初始成本高的瓶颈。最新研究通过五维优化策略——环境参数调控、几何构型改进（如烟囱高度/集热器倾角）、涡轮空气动力学设计、混合系统（如光伏-SCPP）集成及经济模型迭代，推动技术向商业化（TRL 6-7阶段）迈进。

Introduction

太阳能利用可追溯至古代供热与照明，现代技术则聚焦光电（PV）与光热（CSP）两大路径。SCPP作为间接光热发电的代表，其单轴结构适合荒漠地区部署，但效率仅为传统CSP的1/10。研究揭示，通过吸收层材料优化（如选择性涂层）与烟囱高度动态调节，可将理论效率提升至5-8%。2010年后涌现的混合系统（如结合地热或相变材料）进一步拓展了SCPP在电网调峰中的应用潜力。

Solar chimney

Schlaich教授提出的SCPP三组件模型中，集热器直径（100-1500 m）与烟囱高度（50-1000 m）呈非线性正相关。数值模拟显示，在太阳辐射>800 W/m²区域，200 m烟囱可产生4-6 m/s的上升气流。创新性研究如"涡旋涡轮"设计使能量提取效率提升23%，而相变材料（PCM）层可将发电时长延长至夜间。

Feasibility of solar chimney power plant

四维可行性评估框架中，气候维度强调DNI>1800 kWh/m²/年的选址标准；技术维度揭示涡轮压力损失与输出功率的平方根关系；经济分析表明，100 MW级SCPP的LCOE需降至$0.08/kWh才具竞争力；生命周期评估（LCA）则证实其碳足迹仅为燃煤电站的1/50。

Technology maturity of solar chimney

当前SCPP处于TRL 6（原型验证）阶段，西班牙Manzanares试验电站（1982-1989）仍是最大实证案例。2023年澳大利亚10 MW示范项目采用自适应烟囱结构，将TRL推进至7级，但大规模商业化仍需解决土地占用（3-5 km²/100 MW）与材料耐久性问题。

Literature review of SCPP

1980-2020年高引研究奠定了边界层理论（Haaf et al. 1983）与一维模型（Bernardes et al. 2003）；2021-2025年研究则聚焦计算流体力学（CFD）优化与城市建筑集成方案。值得注意的是，2024年伊朗团队通过仿生集热器设计将效率提升至3.2%，创实验室纪录。

Outcomes and future directions

突破路径包括：开发耐候性复合材料、建立动态TRL评估体系、探索近海浮式SCPP概念。中国西北部与撒哈拉地区被列为最具部署潜力的区域，需配套政策激励与智能电网接口标准。

Conclusion

SCPP虽暂未实现商业化，但其模块化架构与零碳特性契合全球能源转型需求。未来十年需跨学科协作攻克效率-成本悖论，使其成为可再生能源组合的关键拼图。