CN102691626A - 一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置与方法，通过回收工业废热（废热水或废蒸汽等）和集热棚上设置的集热管吸收的太阳能，使保温水箱中的水温达到80-90℃，将其送入设置在风塔塔基内的换热器中，加热塔基内的空气，空气受热形成热浮流，热浮流在导流锥导引下进入风塔的烟囱，驱动设置在风塔内的涡轮发电机发电，有效地回收利用了工业废热，同时提高了太阳能的利用效率，发出的电除了保证装置自身的正常工作，其余大部分还可以并入电网进行供电。

Description

一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置与方法
技术领域
本发明涉及一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电的装置与方法。
背景技术
最早把太阳能烟囱技术应用于发电构想起源于德国的schlaich教授，他于1978年提出了著名的太阳能热气流发电技术。1981年，世界上第一所太阳能热气流电站在西班牙的沙漠中建成，这座实验性电站开创了将此项技术应用于实际的先河，太阳能烟囱发电技术自从提出以后，广泛受到关注。最近几年，国内外每年均有不少与太阳能烟囱发电技术相关的文章发表，围绕太阳能烟囱发电站的结构模型，能量转化效率，环境效应等相关问题进行研究，但均是关于对太阳能利用方面的内容。
 近年来，由于环境与资源的压力，给可再生能源的发展以及二次能源的利用带来了全球性的繁荣。废热，作为一个典型的二次能源，之所以对废热进行回收，其基本点并非在于这些热量的数量本身，而在于它们的“价值”。余热资源的普遍存在 ，特别是在钢铁、化工、石油和建材的行业的生产过程中，都存在丰富的余热资源。通常利用热管、换热器、热泵、蓄热器和废热锅炉等装置进行废热回收。
 中国专利申请号为200410073048.1的专利说明书公开了一种太阳能烟囱发电装置的建造方法，该太阳能烟囱发电装置由太阳能集热棚、太阳能烟囱和安装在太阳能烟囱内的涡轮机发电机组组成。集热棚建造在倾斜阳面自然斜坡上，太阳能烟囱建造在斜坡的坡顶上，并使集热棚的上部与太阳能烟囱的底部连通，涡轮机发电机组安装在太阳能烟囱的底部；集热棚由透明覆盖层、透明覆盖层下地面和前两者中间空气夹层构成，透明覆盖层由钢结构框架和紧固在框架上的透明盖板组成； 集热棚的集热区地面均匀地铺满石头或绝热保温层；石头的上表面喷 涂有黑色的太阳能吸热涂层，绝热保温层上喷涂有黑色的太阳能吸热涂层的 吸热板；集热棚的每个集热区形成一个集热气流通道，气流从低端入口进入，在该集热区加热后沿集热通道上升，最后进入烟囱底部，推动安装在烟囱底部的涡轮机发电机组发电，该装置虽然结构简单，集热棚的集热效率较高；建造成本较低，系统的发电成本较低，但是，该装置在太阳能的利用效率方面还有进一步提升的空间，且热量的来源比较单一。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，以解决现有发电装置热量来源单一、太阳能利用效率低的问题，同时提供一种利用该装置发电的方法。
为实现上述目的，本发明提供的利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置的技术方案如下：一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，包括塔基，塔基内具有腔体，所述塔基的上部设有与塔基的腔体连通的烟囱，所述塔基腔体的下部边缘处设有冷空气进口，塔基的顶面布置有太阳能集热棚，所述太阳能集热棚由内部连通的集热管和汽包密排组成，所述塔基内部周向布置有换热器，烟囱内具有空气流道，空气流道底部设有涡轮发电机；所述集热管和换热器上分别设有一个进水口和一个排水口，所述汽包上设有一个出气口；该装置还包括一个用于储存工业废热水的保温水箱，所述保温水箱具有分别与集热管和换热管的进水口连通的出水口，换热管的出水口用于供换热后的废水流出，汽包的出气口与保温水箱的进气口连通。
所述塔基的内腔中设置有导流锥，所述换热器布设在导流锥的锥面上，所述导流锥的锥顶朝向烟囱的进口，所述涡轮发电机设置于导流锥的锥顶上方。
所述保温水箱的出水口通过一电磁开关阀分别与集热管和换热管的进水口相连通，所述电磁开关阀的进水口与保温水箱的出水口相连，电磁开关阀的出水口分为两路分别与集热管和换热器的进水口相连。
所述保温水箱内设有与控制器控制连接的温度传感器；所述冷空气进口处设有与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器；所述空气流道中于涡轮发电机的进气口处设有与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器。
所述电磁开关阀与集热管和换热器之间均设有水泵。 
所述换热器为螺旋形的盘管式换热器。 
所述集热管的出水口与保温水箱的回水口相连。
本发明提供的利用工业废热及太阳能的热风塔发电的方法的技术方案如下：一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电方法，包括如下步骤：
(1) 收集工业废热水，将其输运储存在保温水箱中；
(2) 将保温水箱内的废热水分成两路，一路与设置在风塔塔基内部的换热器的进口相连，一路与集热棚上的集热管进水口相连；
(3) 换热器与风塔塔基内部的冷空气进行换热，从而使空气流道中的空气温度升高而密度降低，形成热气流，热气流在热浮流的作用下沿空气流道上升，从而驱动空气流道中的涡轮发电机工作；
(4) 利用太阳能集热棚上的集热管吸收太阳能加热集热管内的热水生成水蒸汽进入汽包，维持汽包压力在一设定值，达到设定值后将汽包内的蒸汽输送回保温水箱加热其中储存的废热水。
保温水箱的出水口通过一电磁开关阀分别与集热管和换热管的进水口相连通，在保温水箱内设置与控制器控制连接的温度传感器；在冷空气进口处设置与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器；在空气流道中于涡轮发电机的进气口处设置与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器，将各传感器的信号反馈至控制器，控制器通过控制电磁开关阀来调节进入换热器的热水流量，从而改变换热器与风塔内冷空气的换热量，进而使空气流道内的气流具有一个相对恒定的流速，利用这个稳定的热气流驱动涡轮发电机持续稳定的发电。
空气流道采用螺旋结构，并在塔基的内腔中设置导流锥，将涡轮发电机设置于导流锥的锥顶上方，换热器与风塔塔基内部的冷空气进行换热，在换热器和导流锥引导作用下使换热后的热空气进入风塔塔基内烟囱底部的空气流道中，热空气沿螺旋形空气流道流动形成螺旋上升的旋转气流，这样在烟囱底部的中心形成一个低压区，在这个低压区内流动着较之其他区域更加高速旋转的上升气流，并在烟囱的抽吸作用下形成高速热气流。
本发明利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置与方法，通过回收工业废热（废热水或废蒸汽等）和集热棚上的设置的集热管吸收的太阳能，使保温水箱中的水温达到80-90℃，将其送入设置在风塔塔基内的换热器中，加热塔基内的空气，空气受热形成热浮流，热浮流在导流锥导引下进入风塔的烟囱，驱动设置在风塔内的涡轮发电机发电，有效地回收利用了工业废热，同时提高了太阳能的利用效率，发出的电部分除了保证装置自身的正常工作，其余大部分还可以并入电网进行供电。
附图说明
图1是本发明利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置原理图；
图2是风塔的结构示意图；
图3是换热器的结构布置图；
图4是汽包与集热管示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置一种实施例的原理图，由图可知，该装置包括塔基，塔基内具有腔体，塔基的上部设有与塔基的腔体连通的烟囱3，塔基腔体的下部边缘处设有冷空气进口7，塔基的顶面布置有太阳能集热棚，太阳能集热棚由内部连通的集热管1和汽包2密排组成，塔基内部周向布置有换热器9，烟囱3内具有空气流道，空气流道底部设有涡轮发电机4；集热管1和换热器9上分别设有一个进水口和一个排水口，汽包上设有一个出气口20；该装置还包括一个用于储存工业废热水的保温水箱16，保温水箱具有与集热管和换热管的进水口均连通的出水口，换热管的出水口用于供换热后的废水流出，汽包的出气口20与保温水箱16的进气口连通。
进一步优化，本实施例的换热器9为螺旋形的盘管式换热器，空气流道采用螺旋形结构，在塔基的内腔中设置导流锥6，导流锥的锥顶朝向烟囱的进口，所述换热器布设在导流锥的锥面上，将涡轮发电机设置于导流锥的锥顶上方；在发电时，螺旋形布置的换热器9和导流锥6引导热空气流动，使其顺利进入烟囱底部的空气流道中，从而使空气流道中的空气温度升高而密度降低，形成热气流，热气流在热浮流的作用下沿空气流道上升，从而驱动空气流道中的涡轮发电机工作，涡轮发电机在热气流的流速达到设定值，如15m/s时，开始发电，发出的电部分用于维持水泵、控制器等正常工作，其余大部分并入电网。
保温水箱16的废热水进口14与热电厂废热水出水管道连接，其出水口与保温管道17相接，保温水箱的出水口通过一由控制器12控制的电磁开关阀11分别与集热管和换热管的进水口相连通，电磁开关阀11的进水口与保温水箱的出水口相连，电磁开关阀的出水口分为两路，一路与设置在风塔内的换热器9的进口相连，后经出水管道15流出；一路与集热棚上的集热管进水口22相接，汽包出气口20与保温水箱的进气口相连，为进一步利用能源，集热管的出水口21与保温水箱的回水口相连，将集热管中加热后的热水回送至保温水箱，如图4所示。
为了更有效地控制涡轮发电机发电的稳定性，在保温水箱内设有与控制器控制连接的温度传感器13；在冷空气进口处设有与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器19；在空气流道中于涡轮发电机的进气口处设有与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器8和流速传感器，控制器接收各传感器采集的反馈信号，如流速、温度、压力，由PID算法给出控制量，通过控制电动阀门来调节进入换热器的热水流量，从而改变换热器与空气的换热量，进而使流道内的气流具有一个相对恒定的流速，利用这个稳定的热气流驱动涡轮机，可以使涡轮发电机组持续稳定的发电。
为了提高抽水效率，在电磁开关阀11与集热管1和换热器9之间分别设有水泵18和10。
如图2所示为发明风塔实施例的结构示意图，包括塔基和烟囱3、导流锥6及螺旋空气流道5，导流锥6锥顶上方安装有涡轮发电机4，集热管1与汽包2密排组成集热棚，烟囱3设置于风塔正中央。
如图3所示为本实施例换热器的结构示意图，采用盘管式螺旋状布置形式。
本发明的工作过程如下：工业废热水从工厂排出，由进水口14进入并储存在保温水箱16中，水温在80-90℃；电磁开关阀11阀门打开后，保温水箱中的热水通过保温管路17在水泵10和水泵18的抽吸下分成两路；一部分热水被送入换热器9，换热器换热后将较低温度的水经出水管道15排出，使其流回工厂再利用；另一部分热水由集热管进水口22进入集热管1，再经集热管出水口21流出，集热管吸收太阳能后对管内的水加热生成水蒸气储存在汽包2中，当压力达0.4Mpa，蒸汽被输送回保温水箱16，从而加热水箱中的水；冷空气由塔基腔体的下部边缘处的冷空气进口7进入螺旋形空气流道5，换热器9对流入的空气进行换热，使空气温度升高形成上升的热气流，热气流在导流锥6的引导下和在烟囱3的抽吸下不断地向集热棚中心汇集，形成强大的热气流在空气流道中沿烟囱上升，从而推动涡轮发电机4旋转，带动涡轮发电机发电；与此同时集热棚周围的冷空气源源不断地从冷空气进口7吸入塔内，空气从入口斜向进入换热室并沿螺旋流道流动从而使气流在烟囱底部形成螺旋上升的气流这样既能减小从各个入口沿径向进风在中心汇集时所形成的流动阻力，同时气流沿螺旋流道流动能形成螺旋上升的旋转气流，这样在烟囱底部的中心形成一个低压区，在这个低压区内流动着较之外层更加高速旋转的上升气流并在烟囱的抽吸作用下形成高速热气流。
本发明还提供了一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电方法，包括如下步骤：
(1) 收集工业废热水，将其输运储存在保温水箱中；
(2) 将保温水箱内的废热水分成两路，一路与设置在风塔塔基内部的换热器的进口相连，一路与集热棚上的集热管进水口相连；
(3) 换热器与风塔塔基内部的冷空气进行换热，从而使空气流道中的空气温度升高而密度降低，形成热气流，热气流在热浮流的作用下沿空气流道上升，从而驱动空气流道中的涡轮发电机工作；
(4) 利用太阳能集热棚上的集热管吸收太阳能加热真空集热管内的热水生成水蒸汽进入汽包，维持汽包压力在一设定值，达到设定值后将汽包内的蒸汽输送回保温水箱加热其中储存的废热水。
本实施例中空气流道采用螺旋结构，并在烟囱的下部中心处设置导流锥，将涡轮发电机设置于导流锥的上方，换热器与风塔塔基内部的冷空气进行换热，在换热器和导流锥引导作用下使换热后的热空气进入风塔塔基内烟囱底部的空气流道中，热空气沿螺旋形空气流道流动形成螺旋上升的旋转气流，这样在烟囱底部的中心形成一个低压区，在这个低压区内流动着较之其他区域更加高速旋转的上升气流，并在烟囱的抽吸作用下形成高速热气流。

Claims (10)

1.一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，其特征在于：包括塔基，塔基内具有腔体，所述塔基的上部设有与塔基的腔体连通的烟囱，所述塔基腔体的下部边缘处设有冷空气进口，塔基的顶面布置有太阳能集热棚，所述太阳能集热棚由内部连通的集热管和汽包密排组成，所述塔基内部周向布置有换热器，烟囱内具有空气流道，空气流道底部设有涡轮发电机；所述集热管和换热器上分别设有一个进水口和一个排水口，所述汽包上设有一个出气口；该装置还包括一个用于储存工业废热水的保温水箱，所述保温水箱具有分别与集热管和换热管的进水口连通的出水口，换热管的出水口用于供换热后的废水流出，汽包的出气口与保温水箱的进气口连通。
2.根据权利要求1所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，其特征在于：所述塔基的内腔中设置有导流锥，所述换热器布设在导流锥的锥面上，所述导流锥的锥顶朝向烟囱的进口，所述涡轮发电机设置于导流锥的锥顶上方。
3.根据权利要求1或2所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，其特征在于：所述保温水箱的出水口通过一电磁开关阀分别与集热管和换热管的进水口相连通，所述电磁开关阀的进水口与保温水箱的出水口相连，电磁开关阀的出水口分为两路分别与集热管和换热器的进水口相连。
4.根据权利要求3所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，其特征在于：所述保温水箱内设有与控制器控制连接的温度传感器；所述冷空气进口处设有与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器；所述空气流道中于涡轮发电机的进气口处设有与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器。
5.根据权利要求4所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，其特征在于：所述电磁开关阀与集热管和换热器之间均设有水泵。
6.根据权利要求5所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，其特征在于：所述换热器为螺旋形的盘管式换热器。
7.根据权利要求6所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电装置，其特征在于：所述集热管的出水口与保温水箱的回水口相连。
8.一种利用工业废热及太阳能的热风塔发电方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 收集工业废热水，将其输运储存在保温水箱中；
(2) 将保温水箱内的废热水分成两路，一路与设置在风塔塔基内部的换热器的进口相连，一路与集热棚上的集热管进水口相连；
(3) 换热器与风塔塔基内部的冷空气进行换热，从而使空气流道中的空气温度升高而密度降低，形成热气流，热气流在热浮流的作用下沿空气流道上升，从而驱动空气流道中的涡轮发电机工作；
(4) 利用太阳能集热棚上的集热管吸收太阳能加热集热管内的热水生成水蒸汽进入汽包，维持汽包压力在一设定值，达到设定值后将汽包内的蒸汽输送回保温水箱加热其中储存的废热水。
9.根据权利要求8所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电方法，其特征在于：保温水箱的出水口通过一电磁开关阀分别与集热管和换热管的进水口相连通，在保温水箱内设置与控制器控制连接的温度传感器；在冷空气进口处设置与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器；在空气流道中于涡轮发电机的进气口处设置与控制器控制连接的温度传感器、压力传感器和流速传感器，将各传感器的信号反馈至控制器，控制器通过控制电磁开关阀来调节进入换热器的热水流量，从而改变换热器与风塔内冷空气的换热量，进而使空气流道内的气流具有一个相对恒定的流速，利用这个稳定的热气流驱动涡轮发电机持续稳定的发电。
10.根据权利要求8或9所述的利用工业废热及太阳能的热风塔发电方法，其特征在于：空气流道采用螺旋结构，并在塔基的内腔中设置导流锥，将涡轮发电机设置于导流锥的锥顶上方，换热器与风塔塔基内部的冷空气进行换热，在换热器和导流锥引导作用下使换热后的热空气进入风塔塔基内烟囱底部的空气流道中，热空气沿螺旋形空气流道流动形成螺旋上升的旋转气流，这样在烟囱底部的中心形成一个低压区，在这个低压区内流动着较之其他区域更加高速旋转的上升气流，并在烟囱的抽吸作用下形成高速热气流。
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