CN101958556A - 风力发电与太阳能温差发电互补组合电网 - Google Patents

Abstract

风力发电与太阳能温差发电互补组合电网属能源利用方法领域，是从资源整体全方位去挖掘合理利用，如从高层次全面来看风力发电所在地大自然给予的能源资源，风力是上层空间空气流动所蕴含的能量，是相邻大范围内太阳照射的光和热所形成。在其周边闲置的局部地面上，太阳光直接照射的光和热可用另一方式转换成电能组合到风力发电的电力传送系统中去，可看作大幅度提高了风力发电的效率，而且在用电时间，空间利用及各自强弱均衡互补，相辅相成，本发明使用了无机热超导技术，电二重层电容器存储技术，无线数据传送调频调相逆变并网技术，而使多个风力发电机及其下部温差发电组成较大规模电网，为低碳经济可再生能源充分利用作贡献。

Description

风力发电与太阳能温差发电互补组合电网

技术领域：本发明属自然能源利用方法领域，是由多个风力发电机及其下部地表太阳能温差发电阵列组成的综合统一电网。

背景技术：全球在低碳经济的指引下，为了可持续长远发展，自然都关注可再生能源的充分利用，因而都着手挖掘大自然给予人类可利用的能源。本发明人认为最关键最重要的是打破人们习惯了的传统专业分割观念，扩大视野从资源整体高层次全方位来认识，才能找到新的综合协调统筹利用方法，现今国内外科研人员很多是单一的深入研究某一项能源设备效率的再提高，如研究改进已有百年历史的风力发电设备的效率，可以说已到了山穷水尽，潜力接近枯竭的境地，如果从高层次全方位来看风力发电所在地大自然给予的能源资源，则可以看到风力是上层空气对流所蕴含的能量，可经风机转换为机械能，经发电机转换为电能，其实质是相邻大范围内太阳照射的光和热所形成。在风力发电机下部周边闲置的地面上，无人过问的太阳光直接照射着的光和热被浪费掉是很可惜的，这种被人们忽视的自然能源完全可以用另一种方法转换成电能添加到风力发电的电力传送系统中去，可以大大增加电力，也可以看作是大幅度提高了风力发电的效率，而且可以在很多方面均衡互补相辅相成，真正使能源开发利用进入柳暗花明的新境界，而且这些转换方法是可学习借鉴的成熟的，其均衡互补性为：(1)风和日丽的日子风力自然小，风力发电量少，而这时云淡风轻，太阳光照充足，太阳能发电量自然会多，而阴雨天狂风大作，正是风力发电多的时刻，太阳能发电则处于低潮，甚至完全不能发电，具有均衡互补性；(2)从电力供应需求来看，白天用电量最多，特别是上午十时至下午三时用电高峰时段，也就是太阳光照最强能提供最高发电量的时段，入夜至黎明时，太阳下山，人们也都休息，大部分工厂不开工，用电量也少，这是自然界和人们活动时间规律所形成的均衡互补性；(3)在空间整体分布利用上的均衡互补性，风力是利用上部空气流动的能量，只占用上部空间，温差发电则要在地面安装吸收太阳能的真空集热管阵，光伏电池也一样是安放在地面，而温差发电是利用温差发电模块，其冷面必须不断散热才能维持稳定的温差，而其发电量是与温差成比例的，因而利用地表下泥土层这一热容量接近无穷大的大散热器是正合适又相匹配的，当然本发明人还要使用渠氏无机热超导管导热措施，使温差发电模块冷热两面，能快速高效集热和散热才能充分提高其发电效率。

从高层次全方位来看大自然能源，首先要对大阳能和风能的整体有宏观全面了解，才能很自然的进一步研究如何统筹综合利用，特别是要关注技术经济指标、工程成本造价、环境保护、实施难易程度。从高层次看，太阳每时每刻都在进行着强烈的热核反应，它释放的能量相当于每秒钟爆炸910亿颗一百万吨TNT当量的氢弹，所以太阳是一个炽热的大火球，它既辐射可见光也辐射紫外线和红外线，其中红外线占了太阳总辐射能量的一半左右，所以要特别强调重视温差发电，因为光伏电池对红外线辐射不敏感而且造价高，尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一，但已高达173000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于500万吨煤。太阳能既是一次能源，又是可再生能源，它资源丰富，可免费使用，无需运输，对环境无任何污染，相当安全可靠。风是地球上的一种自然现象，它是由太阳辐射热引起的，太阳能辐射到地球表面，各处受热不同，产生温差，从而引起大气的对流运动而形成风，全球的风能约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能约为2×10⁷MW，比地球上开发利用的水能总量还要大10倍。而我们对于水能的利用如三峡大坝各地水库，是非常重视的，但对风能利用的重视远远不够。风能与其他能源相比有四大优点：蕴量巨大，可以再生，分布广泛，没有污染，这是对就地能源的高层次认识，还有就是地下水所附能量的开发应用，充分理解了就地的自然能源，就可考虑因地制宜的全方位全面综合利用。

现在要强调关注与民生息息相关的技术经济指标，人们一提到太阳能发电就往往意味着硅光伏电池发电，现今不少地方都在发展制作高纯度单晶硅，虽然光伏电池发电安装简单方便不用维护，有其独特优点，但价格特高，生产时本身消耗能源(电)很多，特别是单晶硅生长和用区域溶化法高精度提纯时所用的电特多，回收期长达几十年这是应该充分重视的，在一些特定场合，如要求小体积，结构安装简便是合理的，但大范围使用是不经济不合算的，现举一个反面例子，号称阳光科技园1.6兆瓦屋顶太阳能光伏电站，国家第一批太阳能光电建筑应用示范项目，是通过财政部、建设部、科技部等部委批复的第一批光伏电站项目，完全应该将屋顶风力发电互补组合全面利用，只因为这是人海战术、钱海战术，没有充分发挥就地能源的潜力，应该说是一个主持人对能源资源的认识问题，显然不适宜推广。温差发电是利用“塞贝克效应”，将P型(74％三碲化二锑，26％三碲化二铋)和N型(80％三碲化三铋，20％三硒化二铋)半导体材料连接起来就组成一个电偶对，由电偶对可以构成“热电堆”，将多个“热电堆”组合起来，就可以得到更大的温差，这现象是可逆的两端如通电则形成温差，如两端保持一定温差则可发电。

本发明为了温差发电模块的高效集热和散热，采用华裔美国科学家渠玉芝先生发明的无机热超导管，该热管导热能力经美国斯坦福研究院(SRI)测试表明，其最高等效导热系数是金属银的32500倍，众所周知。金属银是自然界中导热性能最高的，故其热阻趋近零，因而被美称为热超导，相对于电阻趋于零而称为电超导而得名，将热超导管用于温差发电模块两面的集热和散热，使模块两面维持较高稳定的温差而提高发电效率。这一高科技手段的引入，将使温差发电效率显著提高，另外超高频无线数据传送技术的引入，各风力发电机组下面的逆变装置将同时收到50HZ同频同相位的正弦同步信号，而使并网问题简单解决。这是本发明实施时高效率低成本的重要独特措施。

发明内容：本发明的目的就是充分利用就地自然能源风能和太阳能组成综合互补的局部电网，为国家为人民减轻越来越大的能源短缺的压力，减少环境污染。因而特别关注全面充分高效利用和工程造价等的技术经济指标。

至于单独的风力发电设备的结构组成，生产制造、运行维护等，国内外已有很多部门进行了长达近百年的研究，可以说已经比较完善和成熟，国外如瑞典挪威等国是比较出色的，国内如新疆嘉盛阳光风电科技公司，规模也比较大，已经系列化生产，大到单机30千瓦的风力发电设备，其太阳能电站用的是光伏电池发电，最高达100KW，造价是极为昂贵的，因为光伏电池价格极高，例如德州生产的太阳能光伏电池路灯价格都超过万元，皇明太阳能热水器机组部份采用了光伏电池组发电售价高达30万元，这对推广应用是很不利的。

本发明在太阳能发电上采用低价位的温差发电，走的是与以上结构完全不同的技术路线，当然温差发电安装会麻烦些，但一劳永逸。本发明的主要内容为：

(1)为适应更多的小风速地区使用，采用多点多个小风机分别发电，结合每个风机下部地面上安装的太阳能真空集热管阵列，将热集中到温差发电片热面形成对反面冷面的地表下泥土层不断散热时的较高温差，由温差发电片发电，这两部分电能经电压适配用DC/DC变换器及串并联组合后，对电二重层电容器Electric double-layer condenser，或储能蓄电池充电，最后经DC/AC逆变器转换为220伏50周/秒交流，并网组成统一电网。

(2)为适应小风速及低光照时都能有效利用来发电，而风速和光照强度是随时变化的，变化幅度范围很大，而对储能蓄电池充电必须高于蓄电池端电压才能充电，因此将风力发电的不稳定(频率和电压大小)电压先整流成直流，经“宽输入电压范围(10V-40V)同步降压型控制器”如TPS40050之类，输出整定为25V以上，对24伏储能胶体蓄电池充电。太阳能真空集热管阵列分为多组，通过热超导管将热导至温差发电片热端，而冷端通过热超导管将热导至就地泥土层中的水箱扩散至大地，而维持稳定温差。温差发电片冷热两面温差低时，电压很低，经低输入(1.8V-9.0V)多拓朴结构型高频PWM控制器(如TPS43000之类)，多组串并联同样整定为25V以上，对同一24伏储能胶体蓄电池充电。

(3)为了组成电网，各路直流电(24V蓄电池端电压)再经高精度DC/DC变换器转换成高稳定直流电压，经逆变器逆变为稳定的交流电压，按超高频无线接收机收到的统一的50周/秒同步信号进行同步。用无触点过零触发开关接通和断开以避免大的瞬态冲击。

(4)为了维持温差发电片两面较高而稳定的温差，以便发出较多的电，真空集热管收集的太阳辐射(可见光和红外热线)的热量，经渠氏无机热超导管无阻力无损耗的快速转移至温差发电片热面，而其冷面必须快速无阻力的散热，才能使冷面温升小和维持温差稳定，为保持较高温差，故在地表下设密闭散热水箱，水箱金属薄外壁接触泥土层面积比较大，便于热最终快速消失在土层中。温差发电片冷面的热也经渠氏无机热超导管传出并直接伸入到水箱内。

附图说明：为了表述本发明所述电网的结构组成，特通过框图对各部件相关连接作形象说明。图1是本发明互补组合电网的框图，图中仅标示了两组风力发电机及其下部温差发电阵列的组成，其中两组的各相同部件标号相同。

图1中，1为吸收太阳能的真空集热管阵列；2为温差发电片冷端对地层散热伸至地面水箱中的热超导管；3为风力永磁发电机；4为整流器；5为宽输入电压范围(10V-40V)同步降压型控制器DC/DC变换器；6为低输入(1.8V-9.0V)多拓扑结构型高频PWM控制器DC/DC变换器；7为电二重层电容器或储能胶体蓄电池；8为高稳定度精密直流变换器；9为直流交流逆变器；10为输出计量仪表；11为当地负载；12为超高频无线接收机；13为小型天线；14为统一电网。

具体实施方式：为了组成局部电网，首要的是选择有风，空闲地相邻成片的地区，以便多设几个风机，显然这类地区大多在穷乡僻野，也正是电力缺乏地区，如草原牧区，高原山区，河溪沿岸之类。风力发电设备已有成套商品，可直接采购，真空集热管不能用通常太阳能热水器所用通水的管子，因为在野外，冬夏都要工作，要防炸管和冰雹，可根据当地气候及造价要求，如选用清华阳光能源公司的速乐管，真空管全部采用硼硅玻璃3.3为原料，强度大，25mm冰雹冲击仍不损坏，特别寒冷地区也可用更优的金刚无水管，采用特有传热工质传导热量，工质的冰点低至零下40℃，真空管全封闭式无水热循环，本发明实施的关键在于要将真空集热管所吸收的太阳光辐射转换成热能并快速的转移到无机热超导管，经热超导管传至温差发电片热面，其冷面的热量又经另一组无机热超导管传送至地表层下部水箱中内的水中，水温升高的同时又将热均匀快速传送至水箱外壁，再由水箱金属外壁将热传至地下泥土层中。由于高效快速传热而准持冷面相对较低温升，而使温差发电片维持稳定温差以便发出较高电压。

宽输入电压范围(10V-40V)同步降压型控制器及低输入(1.8V-9.0V)多拓扑结构型高频PWM控制器，可用美国Texas Instruments产品。

本发明的构思和实施都是充分考虑技术经济指标，和光伏电池发电相比，发同样多电，其造价不到十分之一或更低，是具有前景的应该受欢迎的。

Claims (3)

1.风力发电与太阳能温差发电互补组合电网是由多个风力发电机组及下部温差发电阵列组成，其特征为：

(1)在各风力发电机组下部铺设太阳能真空集热管阵，用温差发电模块发电，其模块冷端就地散热至下部泥土层；

(2)风力发电的交流电整流后和温差发电的直流输出幅值变化较大，经DC/DC控制器转换稳定后都先存储到电二重层电容器内或储能蓄电池内；

(3)电二重层电容器或储能蓄电池的电压再经DC/DC控制器转换为高稳定电压后再经DC/AC逆变器转换为交流电压；

(4)统一用各无线接收机收到的50周/秒正弦信号去同步各逆变发生器的频率和相位，而组成统一电网。

2.根据权利要求1所述风力发电与太阳能温差发电互补组合电网其特征在于温差发电模块的热面和冷面均通过渠氏无机热超导管集热和散热。

3.根据权利要求1所述风力发电与太阳能温差发电互补组合电网，其特征在于各路电力传送是通过无触点过零接通和断开的。

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