CN101892960A - 风光塔式发电装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了风光塔式发电装置及方法，发电装置主要由透明顶盖、吸热材料、空气流道隔板、叶轮、发电机、发电机支架和底座构成，空气沿空气流道入口进入空气流道并流向空气流道出口，经过逐渐缩小的空气流道的增速作用后由汇聚到中心顶部的空气流道出口快速流出，从而推动出口处的叶轮旋转，带动发电机工作发电，空气流道中排列布置有一层或多层吸热材料，白天在阳光照射条件下吸收太阳光辐射热能，加热空气流道中的空气，使其受热膨胀，增大空气流道内部和外部环境中的压力差，加速空气流道顶部空气流道出口处的气流速度，提高发电效率，减小发电装置特别是旋转叶轮所占体积。本发明适应性强，能源利用率高，对环境友好，推广应用前景十分广阔。

Description

风光塔式发电装置及方法
技术领域
本发明属于低碳能源技术领域，特指一种将风能和太阳光热能综合利用进行发电的装置及方法。
背景技术
随着经济社会的发展，人类生产活动和日常生活所消耗的能源与日俱增，全球范围内煤炭、石油等化石能源日渐减少，加之常规能源使用过程中所带来的环境污染问题十分严重，能源危机和气候变化的影响已经引起国际社会的高度重视。开发太阳能和风能等低碳能源是实现可持续发展的根本途径。
风能是一种重要的可再生能源，具有清洁、环境效益友好等突出优势。风力发电作为当今世界发展最快，技术最成熟的绿色能源技术，受到世界各国政府和科学家的高度重视并得到了广泛的开发应用，而风力发电机作为实现风能转换为电能的核心部件，从最初的恒速风力发电机到目前广泛应用的变速风力发电机，同样取得了长足的发展。但是，由于目前可以利用的风能资源比较分散，而且存在不稳定、不可控等问题，造成目前风力发电装置建设投资大、成本高，发电效率低，上网电价高，使用维护困难等突出问题。虽然也有学者已经开始在建筑环境中展开风力发电的研究，提出绿色建筑和零能耗建筑的概念，但由于建筑环境中风场情况复杂、紊流加剧，且容易带来噪声和视觉污染等负面影响，在实际实施过程中仍存在很大困难。目前，国内外也有许多学者开始将注意力转移到风电和太阳能发电综合利用的技术研究上来提高新能源的开发利用率，但大多是将风力发电和太阳能光伏发电进行结合，从太阳能光伏电池的原料生产过程来看，也伴随着新的高能耗和高污染的问题。
另外，太阳能热气流发电作为一门新兴学科，是利用太阳热能加热开口系统内的局部空气，使其温度升高、密度降低，在系统内部产生空气流动推动涡轮机发电。但是，小容量太阳能热气流发电系统的能量转换效率不高，而装机容量大的系统其建筑规模也十分庞大。
发明内容
本发明旨在提供一种风能及太阳光热能综合利用的风光塔式发电装置及方法，通过开发利用建筑环境中的风能和太阳光辐射热能来提高发电过程中的电能转换效率，拓展低碳能源开发利用的技术领域，降低风能及太阳能发电的设备制造和运行成本，推动低碳能源普及应用。
本发明的技术方案是，风光塔式发电装置，主要由透明顶盖、吸热材料、空气流道隔板、叶轮、发电机、发电机支架和底座构成，空气流道隔板分隔出的空气流道沿塔式底座圆周分布，从空气流道入口到空气流道出口全程的空气流道截面逐渐减小，实现对空气流道内流动空气的加速作用；吸热材料为长条式絮状体或网栅结构，采取单层排列分布或多层排列分布，设置在透明顶盖下方的空气流道内部，用来吸收透过透明顶盖的太阳光辐射热能，提高空气流道内部的空气温度，增大空气上升的流速；发电机支架安装在空气流道出口上方底座顶端的中心位置，发电机固定在发电机支架上，叶轮通过刚性或柔性的联轴器与发电机连接，透明顶盖通过空气流道隔板固定在底座上，形成塔式结构，空气流道出口处快速流动的气流推动叶轮旋转，通过刚性或柔性联轴器带动发电机工作进行发电。
本发明风光塔式发电装置中的空气流道隔板在塔式底座上分隔出涡旋形空气流道，最大限度地减小空气流动阻力，流道数量及具体形状视装置的具体应用环境而定，使其最大限度利用各个方向吹来的风，可以克服不同季节因风向变化造成的不利影响。
本发明风光塔式发电装置中透明顶盖采用聚碳酸脂(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等透明有机高分子材料或玻璃等透明无机材料，采取整体式或者拼装式结构设计，根据不同建筑规模和制造成本采取相应的实施方案。
本发明风光塔式发电装置中透明顶盖与空气流道隔板沿底座高度方向采取多层叠加的结构，使最顶端汇集的风量大，增加发电量。
本发明风光塔式发电装置中空气流道中的吸热材料为条絮状或网栅状结构，例如绿色或黑色塑料条，加工制造和安装使用简便易行，成本低廉，吸热储能性能好；还可以采用缓释材料将热能缓慢释放，起到储能调峰的作用；对于不需要利用太阳光热能的场合，透明顶盖采用不透明的材质如屋面瓦等，节约原材料成本。
本发明风光塔式发电装置中底座上表面覆盖有反光材料，例如铝箔、镀银膜等，使太阳光辐射光能够进一步投射到吸热材料上，并能加热空气流道内的空气。
本发明风光塔式发电装置中风道的隔板采用桁架结构，桁架外侧设置挡板形成风道，这种结构支撑更加稳固，强度高。
本发明风光塔式发电装置中发电机为直流发电机、交流发电机、飞轮蓄电装置或其他通用蓄电池储能装置，视具体工作环境和应用要求进行选型。
本发明风光塔式发电装置中，如果发电机结构庞大，发电机和发电机支架放置在底座中，刚性或柔性轴穿过透明顶盖和底座中心将叶轮与发电机相连，发电机由叶轮带动发电，这种结构方式使整个装置的顶端体积小，底座还可以延伸到地下，发电机的震动和噪音更小。
本发明风光塔式发电装置中的底座可以与休憩凉亭、售货商店、广告灯箱、人造景观等功能建筑相结合，或者与住宅等建筑屋顶相结合，也可以独立地在沙漠、草原、滩涂、水面等风能和太阳能富集的区域建设塔林风光发电场，大规模并网发电。
本发明风光塔式发电装置的发电储能方法是：空气沿空气流道入口进入空气流道并流向空气流道出口，经过逐渐缩小的空气流道的增速作用后由汇聚到中心顶部的空气流道出口快速流出，从而推动出口处的叶轮旋转，带动发电机工作发电；空气流道中排列布置有一层或多层吸热材料，白天在阳光照射条件下吸收太阳光辐射热能，加热空气流道中的空气，使其受热膨胀，增大空气流道内部和外部环境中的压力差，加速空气流道顶部空气流道出口处的气流速度，提高发电效率，减小发电装置特别是旋转叶轮所占的体积。
本发明根据流体力学的基本原理，对自然环境中的风能和太阳能进行了综合的开发利用，克服了传统风电产业对风力资源的高要求和季节变化对风电设备运行带来的不良影响，有利于实现发电装置与各种建筑相结合实现多功能化地利用，并且设备安装维护简单，适应性强，能源利用率高，对环境友好，推广应用前景十分广阔。
附图说明
图1：本发明风光塔式发电装置工作原理图主视图。
图2：本发明风光塔式发电装置工作原理图俯视图。
图中：1-空气流道入口，2-透明顶盖，3-空气流道隔板，4-吸热材料，5-空气流道出口，6-叶轮，7-发电机，8-发电机支架，9-底座。
具体实施方式
本发明风光塔式发电装置中，空气流道隔板2沿底座9的上部圆周均匀分布，空气流道隔板2设置数量根据应用场合而定，使其能够最大限度地利用从各个方向吹来的风，自空气流道入口1至空气流道出口5的空气流道截面逐渐减小，从而根据流体力学的基本原理来实现对空气流道内流动空气的加速作用；透明顶盖3可以是一体式，也可以是拼接式，用来满足不同规模建筑的应用需求；吸热材料4为长条式絮状体或网栅式，采用单层排列分布或多层排列分布，悬挂在空气流道内部、透明顶盖3下方，在白天阳光照射条件下用来吸收透过透明顶盖3的太阳辐射热能，提高空气流道内部的温度，加大空气流道内外的压力差，增强空气流道内流场的流速；叶轮6安置在空气流道出口5上方，通过联轴器与发电机7连接，发电机7固定在发电机支架8上，透明顶盖2通过空气流道隔板3固定在底座9上，经空气流道加速后的气流从空气流道出口5处快速流出，推动叶轮6旋转，从而带动发电机7工作发电，产生电能向电网或负载供电。
本发明风光塔式发电装置的具体发电方法是：在有风状态下，空气沿建筑物四周的空气流道入口1进入空气流道并流向空气流道出口5，依据流体力学基本原理，通过渐缩型的空气流道的增速作用后由流道顶部的空气流道出口5处快速流出，推动出口处的叶轮6旋转，叶轮6带动发电机7工作发电；空气流道中排列布置有一层或多层吸热材料4，白天在阳光照射条件下吸收太阳辐射热能，加热空气流道中的空气，使其受热膨胀，增大了流道内部和外部环境中的压力差，能够加速空气流道顶部空气流道出口5处的气流速度，尤其在傍晚外部环境温度降低时，吸热材料4对流道内部气体的加热效果更加明显，能有效提高发电效率。

Claims (10)

1.风光塔式发电装置，其特征在于：主要由透明顶盖、吸热材料、空气流道隔板、叶轮、发电机、发电机支架和底座构成，空气流道隔板分隔出的空气流道沿塔式底座圆周分布，从空气流道入口到空气流道出口全程的空气流道截面逐渐减小；吸热材料设置在透明顶盖下方的空气流道内部；发电机支架安装在空气流道出口上方底座顶端的中心位置，发电机固定在发电机支架上，叶轮通过联轴器与发电机连接，透明顶盖通过空气流道隔板固定在底座上。
2.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：空气流道隔板在塔式底座上分隔出涡旋形空气流道。
3.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：透明顶盖采用聚碳酸脂(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或玻璃制作，透明顶盖为整体式或者拼装式结构。
4.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：隔板采用桁架结构，桁架外侧设置挡板。
5.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：透明顶盖与空气流道隔板沿底座高度方向采取多层叠加的结构。
6.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：吸热材料为条絮状、网栅状结构或缓释材料，采用一层或多层结构。
7.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：发电机为直流发电机、交流发电机、飞轮蓄电装置或其他通用蓄电池储能装置。
8.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：发电机和发电机支架放置在底座中，刚性或柔性轴穿过透明顶盖和底座中心将叶轮与发电机相连。
9.根据权利要求1所述的风光塔式发电装置，其特征在于：底座与休憩凉亭、售货商店、广告灯箱、人造景观相结合，或者与建筑屋顶相结合，或独立地在沙漠、草原、滩涂、水面等风能和太阳能富集的区域建设塔林风光发电场。
10.权利要求1所述的风光塔式发电装置的发电方法，其特征在于：空气沿空气流道入口进入空气流道并流向空气流道出口，经过逐渐缩小的空气流道的增速作用后由汇聚到中心顶部的空气流道出口快速流出，从而推动出口处的叶轮旋转，带动发电机工作发电；空气流道中排列布置有一层或多层吸热材料，白天在阳光照射条件下吸热材料吸收太阳光辐射热能，加热空气流道中的空气，使其受热膨胀，增大空气流道内部和外部环境中的压力差，加速空气流道顶部空气流道出口处的气流速度，叶轮旋转更快，发电量更大。
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