CN101016878B - 基于太阳墙技术的太阳能热气流电站 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于太阳墙技术的太阳能热气流电站,它可以解决现有技术只适用于荒漠及沙化地区的不足,技术方案是,它包括太阳能烟囱,和处在太阳能烟囱下部的风力涡轮机和发电机,其特征在于太阳能烟囱依附建筑物墙建立,太阳能烟囱正面和两侧面采用透明材料制成,烟囱靠墙面设置有绝热材料,绝热材料外表面是储热装置。基于上述技术特征所构成的技术方案的优点在于:造价便宜,将原来只适用于荒漠及沙化地区的太阳能烟囱技术用于城市,扩大了太阳能烟囱技术的利用领域,同时为城市的建筑节能提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电装置,具体地说是利用太阳墙技术的太阳能热气流进行发电的装置。
背景技术
太阳能烟囱发电技术是被许多能源专家看好的一项新技术。建造太阳能烟囱电站的设想最初是来自斯图加特大学的J.Schlaich教授于1978年提出的。他认为建造太阳能烟囱是解决广大发展中国家由于缺乏电力致使经济长期处于停滞状态问题的好办法。建造太阳能烟囱电站的主要材料是玻璃和水泥。这种电站不像其他太阳能电力系统,它不需要高技术的设备和人才,维修简便。
太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分所构成。太阳能集热棚建在一块太阳能辐射强、绝热性能比较好的土地上;集热棚和地面有一定的间隙,可以让周围的空气进入系统;集热棚中间离地面一定距离处装着烟囱,在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚,集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳辐射能,并加热土地和集热棚覆盖层之间的空气,使集热棚内空气温度升高,密度下降,并沿着烟囱上升,集热棚周围的冷空气进入系统,从而形成空气循环流动。由于集热棚内的空间足够大,当集热棚内的气流到达烟囱底部时,在烟囱内将形成强大的气流,利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机,带动发电机发电。
在国外,德国、西班牙等国在荒漠地区已经建立了大型太阳能热气流电站(集热棚直径为250m,烟囱高200m,功率为100kW),并一直运行至今。此后,美国、印度、南非和澳大利亚等国家相继开展了太阳能热气流电站的工程设计研究和技术经济评估,先后建立了多个不同型式的太阳能热气流发电模型电站,开展了一系列基础性研究。近年还发表了一些太阳能热气流发电技术相关的研究报告,内容涉及结构模型、能量转换、发电质量控制以及可能产生的环境效应等方面。
在国内,上海交通大学、华中理工大学及中科院广东能源所等几所在热能及动力工程领域有较强实力的研究机构及高校对太阳能热气流发电技术进行了一定的研究。上海交通大学对太阳能热风技术在宁夏地区的应用进行了可行性分析,构建了一座太阳能热风发电站,该太阳能热风发电站集热面直径500m,太阳能烟囱高200m,直径10m,并对银川、平罗及贺兰等三个地区的分析表明,一年内该电站月平均发电功率大约110~190kW,能为附近村庄提供电力,集热棚还可用作农用大棚,为促进农业生产发挥积极作用;华中科技大学为获得太阳能烟囱发电装置内气流流速及温度等分布的情况,构建了一座烟囱高度8m,直径0.3m,集热棚直径10m,其周边距离地面0.1m,,在烟囱的底部安装了一个长约0.15m的多叶片涡轮机的太阳能热气流发电装置,从而得到了理论分析与实际装置实验之间的差别。2005年华中科技大学的刘伟教授及其博士研究生明廷臻对MW级的太阳能热气流电站的流动特性及运动特性等问题进行了比较深入的研究。
但上述现有技术均只适用于建立大型的热气流电站,这种类型电站需要建立大型的太阳能集热棚,以收集更多的太阳能,由于烟囱占地大和高度高,因此适用于人稀地广的地区,不适用在城镇中建立。
发明内容
本发明提供了一种基于太阳墙技术的太阳能热气流电站,它可以解决现有技术只适用于荒漠及沙化地区的不足,将太阳能烟囱技术用于城市,扩大了太阳能烟囱技术的利用领域。
为了达到解决上述技术方案的目的,本发明的技术方案是,一种基于太阳墙技术的太阳能热气流电站,它包括太阳能烟囱,和处在太阳能烟囱下部的风力涡轮机和发电机,其特征在于太阳能烟囱依附建筑物墙建立,太阳能烟囱正面和两侧面采用透明材料制成,烟囱靠墙面设置有绝热材料,绝热材料外表面是储热装置。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述的储热装置包括基体,基体制成若干个密封管体,在管体腔内填充有储热材料。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述的储热材料为无机盐类水结晶物,是醋酸盐类,或硝酸盐类,或硫酸盐类,或磷酸盐类,或碳酸盐类;或卤化物类,
在本发明中,还具有以下技术特征:醋酸盐类为NaCH3COO·3H2O,或NaCH3COO·2H2O,或LiCH3COO·2H2O;
在本发明中,还具有以下技术特征:硝酸盐类为Mg(NO3)2·6H2O,或Mg(NO3)2·4H2O,或Ca(NO3)2·4H2O,或Zn(NO3)2·4H2O,或Zn(NO3)2·6H2O,或Zn(NO3)2·1H2O;
硫酸盐类为Na2SO4·10H2O,或FeSO4·7H2O;
磷酸盐类为Na2HPO4·12H2O,或K3PO4·7H2O,或Na3PO4·12H2O;
碳酸盐类为Na2CO3·12H2O;
卤化物类为CaC12·6H2O,或KF·2H2O,或KF·4H2O;
上述无机盐类水结晶物填充于基体的密封管体中,所述基体采用橡胶、橡塑材料制成。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述的基体为将石蜡作相变物质,多孔石墨作支撑载体的具有固-液相变特征的储热装置;固-液相变材料与高密聚乙烯在超过载体熔解温度以后熔融混合,然后冷却成型。冷却时,高熔点的载体先结晶,形成网状结构,低熔点的相变材料后凝固在网状结构中,石蜡则被束缚其中,由此形成定形相变石蜡。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述的基体为以石蜡或无机水合盐等物质作为储热物质的储热装置。首先通过微囊包封技术将石蜡或无机水合盐等固-液相变材料先分散为固态或液态的球形微小颗粒,然后通过聚合将这些微囊聚合成所需形状的储热装置。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述的基体为用金属丝或是合金丝编制成致密的网状结构的储热装置,主要材料为:Al-34%、Mg-6%、Zn合金或Al-Si合金。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述的透明材料为钢化玻璃,钢化玻璃是平板玻璃,或采用扩展表面积的波纹板或微翅板,在透明材料内面涂有保温涂层。
保温涂层涂于太阳能烟囱中透明材料的内表面,主要用途是使太阳能的可见光能通过,用来加热太阳能烟囱中流动的空气,而当空气吸热后温度升高,此时涂层起到了使空气中的热量不能通过涂层向环境进行传递。目前具有这种功能的可选择性涂层非常多,一般可用于太阳能选择性吸收的涂层均可用于本发明的保温涂层,比较常用的有渐变铝-氮/铝选择性吸收涂层;阳极氧化电解着色涂层;电镀黑铬涂层;电镀黑镍涂层;电镀黑钴涂层;硫化铝涂层;FeMoCuOx涂层;黑漆涂层;多元合金复合涂层;金属陶瓷复合膜等。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述绝热材料为水泥-聚苯乙烯泡沫,SiO2气凝胶纳米孔超级绝热材料,以无机质镁、硅、铝、钙等天然金属氧化物、非金属氧化物和工业炉窑废料为原料,通过理化反应及特殊发泡工艺制作成的一种封闭式多孔型、高强度的轻质绝热保温吸声材料,岩矿棉制品,玻璃棉制品,膨胀珍珠岩制品,膨胀蛭石制品,泡沫玻璃,硅酸钙绝热制品,硅酸盐复合浆料,聚苯乙烯泡沫板(含EPS和XPS)、硬质聚氨酯泡沫塑料复合绝热制品(如金属面夹芯板、钢丝网架夹芯板、各种三明治板及现场复合的各类复合结构)。
在本发明中,还具有以下技术特征:所述的风力涡轮机外套装有扩压管,扩压管为渐扩型扩压管,风力涡轮机的叶片位于扩压管大端处,扩压管夹角α范围为8°-15°。
空气从具有一定角度的扩压管进入太阳能烟囱,扩压管设置的目的是使空气在流经空气透平设备前具有高于常压的压力。在扩压管中具有一定的压力的空气可以推动空气透平设备转动,从而将空气所具有的动能转换为机械能;空气推动透平设备转动后进入由透明材料制成的太阳能烟囱内,由于烟囱本身具有一个向上的抽力,使空气上下之间的压差加大。同时空气在烟囱内吸热,由于烟囱是竖直安置的,空气在烟囱内的温度分布为:自下而上空气温度逐渐升高,从而空气密度也由下而上逐渐减小,会使空气上下之间的压差进一步加大。这两种使空气在流经空气透平设备后的压力减小较大。由于采用了使空气在空气透平设备前增压,而在透平设备后减压的措施,使空气透平设备前后空气的压差相差得较多,大大有利于空气推动空气透平设备的转动,使空气的动能更好地转换成机械能,从而推动发电设备发电。
本发明将太阳墙技术与太阳能热气流发电技术有机地结合在一起,将原来只适用于沙漠及人口相对较少的地区的太阳能热气流发电技术引入城市中,为城市的建筑节能提供了新的思路。对于太阳能同样的丰富的城市,因为城市本身的特点,没有较大的空间建造具有大型集热棚的太阳能热气流电站,只能因地制宜的考虑建造小型的太阳能热气流电站。基于太阳墙的热气流电站是一种改进的太阳能热气流电站,它是依托建筑物的南墙建立了采用具有扩展表面的透明材料制成的既是空气流通通道,又是空气吸收太阳能热量的场所的太阳能烟囱。此时再利用太阳能热气流电站较为成熟的技术进行热能转变成电能的能量转换工作。在这种新型的太阳能热气流电站中主要特征有:依附高层建筑、利用具有扩展表面的透明材料建造的太阳能烟囱,为使空气压力增加而设计的按一定角度渐扩的扩压管,具有较强的储热能力的储热装置,为防止热量在建筑物内与储热材料之间进行传递的绝热材料,风力透平机和发电机,为防止热空气所具有的热量向外界环境散失的保温材料。
基于上述技术特征所构成的技术方案的优点在于:
①.将原来只适用于荒漠及沙化地区的太阳能烟囱技术用于城市,扩大了太阳能烟囱技术的利用领域。
②.由于用透明材料建造了太阳能烟囱即是空气流通通道,又是空气被加热的场所,因此相对于原始的太阳能烟囱,这种新型的太阳能烟囱结构更加简单,实用。
③.由于建筑物本身的构建特点,因此在一栋高层建筑上可同时安装上多个新型的太阳能热气流电站,加大了城市中丰富的太阳能的利用效率。
④.由于构建这种新型太阳能热气流电站所需的主要材料为强度较高的钢化玻璃,而这种玻璃的价格比较便宜,同时由于这种新型的太阳能热气流电站规模较小,因此与大型的太阳能热气流电站相比,减少了材料的种类,并且造价较低。
⑤.由于在烟囱与建筑物本身之间增加了绝热材料,使这种烟囱在夏季时可防止储能材料吸收的太阳能的热量向室内传递,在冬季时可防止建筑物室内的热量向储热材料传递,进一步增强了建筑物的节能功能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进行详细地描述.
图1是本发明的太阳能烟囱和所依附的建筑物主视图;
图2是图1的侧视方向剖视图;
图3是图2中的A-A剖视图;
图4是图2中的I部位放大图;
图5是本发明中储热装置实施例之一的主视方向剖视图;
图6是本发明中储热装置实施例之一的俯视方向剖视图;
图7是本发明中储热装置实施例之二的主视方向剖视图;
图8是本发明中储热装置实施例之二的俯视方向剖视图;
1.太阳能烟囱;1-1.透明材料;2.风力涡轮机,也可称透平;3.发电机;4.扩压管;5.储热装置;5-1.基体;5-2密封管体;5-3储热材料;5-4.微孔包,或也或称微囊;6.绝热材料;7.固定装置;8.通风口;9.保温涂层;10.建筑物。
具体实施方式
参见图1、图2、图3和图4,太阳能烟囱1依附于建筑物10南墙建立,一般设置于窗户之间。在建筑物10内底层内,例如地下室内设置风力涡轮机2和发电机3,风力涡轮机2处于烟囱1下部拐角口处,风力涡轮机2外套装有扩压管4,通过固定装置7固定,扩压管4为渐扩型扩压管,扩压管4夹角α的优选范围为10°-12°,通过扩压管4可以加大前后压差,促进风能转化,提高发电量。
烟囱1的正面和两侧面采用钢化玻璃1-1,为了扩展表面积,玻璃1-1采用波纹状钢化玻璃。在玻璃内面涂有一层保温涂层9,比较常用的有渐变铝-氮/铝选择性吸收涂层;阳极氧化电解着色涂层;电镀黑铬涂层;电镀黑镍涂层;电镀黑钴涂层;硫化铝涂层;FeMoCuOx涂层;黑漆涂层;多元合金复合涂层;金属陶瓷复合膜等。
贴附于墙面的绝热材料6可以采用水泥-聚苯乙烯泡沫,SiO2气凝胶纳米孔超级绝热材料,以无机质镁、硅、铝、钙等天然金属氧化物、非金属氧化物和工业炉窑废料为原料,通过理化反应及特殊发泡工艺制作成的一种封闭式多孔型、高强度的轻质绝热保温吸声材料,岩矿棉制品,玻璃棉制品,膨胀珍珠岩制品,膨胀蛭石制品,泡沫玻璃,硅酸钙绝热制品,硅酸盐复合浆料,聚苯乙烯泡沫板(含EPS和XPS)、硬质聚氨酯泡沫塑料复合绝热制品(如金属面夹芯板、钢丝网架夹芯板、各种三明治板及现场复合的各类复合结构)。在绝热材料6表面设置有储热装置5。
参见图5和图6,储热装置5包括基体5-1,基体5-1采用橡胶制成,并形成若干个排列的圆柱形密封管体5-2,在管体5-2腔内填充有储热材料5-3。
储热材料5-3是无机盐类水结晶物,将填入管体5-2腔内,将管体5-2密封,利用无机盐结晶物受热液化,而冷却结晶的特点进行能量的储存及释放。如图1所示。常用的无机盐类有:醋酸盐类:NaCH3COO·3H2O、NaCH3COO·2H2O、LiCH3COO·2H2O等;硝酸盐类:Mg(NO3)2·6H2O、Mg(NO3)2·4H2O、Ca(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·4H2O、Zn(NO3)2·6H2O、Zn(NO3)2·1H2O等;硫酸盐类:Na2SO4·10H2O、Fe SO4·7H2O等;磷酸盐类:Na2HPO4·12H2O、K3PO4·7H2O、Na3PO4·12H2O等;碳酸盐类:Na2CO3·12H2O等;卤化物类:CaC12·6H2O、KF·2H2O、KF·4H2O等。
白阳光照射使储热材料5-3受热液化,夜晚温度下降而冷却结晶向外释放热量,散发出的热量可以使烟囱1内空气密度发生变化,进而可以更多的转化为风能,使透平机3产生更多的能量,提高发电量。
参见图7和图8,储热装置5包括基体5-1,基体5-1可为以下几种方式:(1)将石蜡作相变物质,多孔石墨作支撑载体的具有固-液相变特征的储热装置;固-液相变材料与高密聚乙烯在超过载体熔解温度以后熔融混合,然后冷却成型。冷却时,高熔点的载体先结晶,形成网状结构,低熔点的相变材料后凝固在网状微孔包5-4结构中,石蜡则被束缚其中,由此形成定形相变石蜡。当白天时,石蜡吸热液化,而夜晚时石蜡放热变成固态。
(2)以石蜡或无机水合盐等物质作为储热物质的储热装置。首先通过微囊包封技术将石蜡或无机水合盐等固-液相变材料先分散为固态或液态的球形微小颗粒,然后通过聚合将这些微囊5-4聚合成所需形状的储热装置。当白天时,石蜡吸热液化,而夜晚时石蜡放热变成固态。
(3)用金属丝或是合金丝编制成致密的网状结构的储热装置,主要材料为:Al-34%、Mg-6%、Zn合金或Al-Si合金。当白天时储热装置吸热温度升高,当夜晚时储热装置放热温度降低。
太阳能热气流电站的工作原理就是利用烟囱对空气的抽吸作用产生的气流驱动风力涡轮进行发电,而利用太阳能加热空气的目的在于强化烟囱效应。从技术角度来讲,太阳能热风发电站与水利电站颇为相似,都是将流体流动动能转变成叶轮机械旋转机械能进行发电。而上述基于太阳墙技术的太阳能热气流电站的主要部件如图1所示,每一部件的工作原理及相互之间的连接关系简述如下:
空气从通风口8进入,沿α角的扩压管4进入太阳能烟囱1,扩压管4设置的目的是使空气在流经空气透平设备2前具有高于常压的压力。在扩压管4中具有一定的压力的空气可以推动空气透平设备2转动,从而将空气所具有的动能转换为机械能;空气推动透平设备2转动后进入由透明材料制成的太阳能烟囱1内,由于烟囱1本身具有一个向上的抽力,使空气上下之间的压差加大。同时空气在烟囱内吸热,由于烟囱是竖直安置的,空气在烟囱内的温度分布为:自下而上空气温度逐渐升高,从而空气密度也由下而上逐渐减小,会使空气上下之间的压差进一步加大。这两种使空气在流经空气透平设备2后的压力减小较大。由于采用了使空气在空气透平设备前增压,而在透平设备后减压的措施,使空气透平设备前后空气的压差相差得较多,大大有利于空气推动空气透平设备2的转动,使空气的动能更好地转换成机械能,从而推动发电设备3发电。为减小空气流动过程中的有用能损失,各部件间均采用光滑过渡的连接方式。另外为加强选择性透明材料1-1对太阳能辐射能的吸收作用,采用了带用具有扩展表面(其形式可为多种,例如:波纹板、微翅板等等)的透明材料作为构建太阳能烟囱的材料,目前是为了增加吸收面积。为保证风力透平设备安全正常地运转,采用固定装置7将风力透平设备固定在太阳能热气流发电系统中。高速旋转的风力涡轮机旋转的同时带动安装在太阳能烟囱底部的小型发电设备3发电。另外,为防止由于空气吸收太阳能热量后温度高于环境温度而向外界散热,使空气本身温度下降而造成由于温度升高幅度不大,由此而引起的空气压力变化减小,在烟囱内表面设置了一层具有选择性的材料9,此种材料可允许太阳可见光通过,而空气所具有的热量产生的不可见光不能通过,这样可达到烟囱保温的目的。
由于太阳能本身具有热流密度不稳定的特点,因此本装置还设置了储能装置5,由一种具有高储能性质的材料所制成,安装时使其紧贴着高层建筑的南墙,在白天时可以储存多余的热量,当晚上时又将其储存的热量释放出来,供太阳能热气流电站使用。为了防止建筑物10本身与储热装置5之间进行热量交换,在储能装置5与建筑物10南墙之间铺设一层绝热材料6,在夏季时可防止储能材料吸收的太阳能的热量向室内传递,在冬季时可防止建筑物10室内的热量向储热材料传递。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (2)
1.一种基于太阳墙技术的太阳能热气流电站,它包括太阳能烟囱,和处在太阳能烟囱下部的风力涡轮机和发电机,其特征在于太阳能烟囱依附建筑物墙建立,太阳能烟囱正面和两侧面采用透明材料制成,烟囱靠墙面设置有绝热材料,绝热材料外表面是储热装置;
所述的储热装置包括基体,所述基体制成若干个密封管体,在管体腔内填充有储热材料;
所述的储热材料为无机盐类水结晶物,是醋酸盐类,或硝酸盐类,或硫酸盐类,或磷酸盐类,或碳酸盐类;或卤化物类,
醋酸盐类为NaCH3COO·3H2O,或NaCH3COO·2H2O,或LiCH3COO·2H2O;
硝酸盐类为Mg(NO3)2·6H2O,或Mg(NO3)2·4H2O,或Ca(NO3)2·4H2O,或Zn(NO3)2·4H2O,或Zn(NO3)2·6H2O,或Zn(NO3)2·1H2O;
硫酸盐类为Na2SO4·10H2O,或Fe SO4·7H2O;
磷酸盐类为Na2HPO4·12H2O,或K3PO4·7H2O,或Na3PO4·12H2O;
碳酸盐类为Na2CO3·12H2O;
卤化物类为CaC12·6H2O,或KF·2H2O,或KF·4H2O;
上述无机盐类水结晶物填充于基体的密封管体中,所述基体采用橡胶、橡塑材料制成;
或者,所述基体用金属丝或是合金丝编制成致密的网状结构的储热装置,主要材料为:Al-34%、Mg-6%、Zn合金或Al-Si合金;
所述的透明材料为钢化玻璃,钢化玻璃是平板玻璃,或采用扩展表面积的波纹板或微翅板,在透明材料内面涂有保温涂层;
所述的风力涡轮机外套装有扩压管,扩压管为渐缩型喷管,风力涡轮机的叶片位于扩压管大端处,扩压管夹角α范围为10°-12°;
所述保温涂层为渐变铝-氮/铝选择性吸收涂层,或阳极氧化电解着色涂层,或电镀黑铬涂层,或电镀黑镍涂层,或电镀黑钴涂层,或硫化铝涂层,或FeMoCuOx涂层,或黑漆涂层,或多元合金复合涂层,或金属陶瓷复合膜。
2.根据权利要求1所述的基于太阳墙技术的太阳能热气流电站,其特征在于所述绝热材料为水泥-聚苯乙烯泡沫,或SiO2气凝胶纳米孔超级绝热材料,或岩矿棉制品,或玻璃棉制品,或膨胀珍珠岩制品,或膨胀蛭石制品,或泡沫玻璃,或硅酸钙绝热制品,或硅酸盐复合浆料,或含EPS和XPS的聚苯乙烯泡沫板与硬质聚氨酯泡沫塑料的复合绝热制品,或以无机质镁、硅、铝、钙天然金属氧化物、非金属氧化物和工业炉窑废料为原料、通过理化反应及发泡工艺制作成的一种封闭式多孔型、高强度的轻质绝热保温吸声材料。
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