CN104389743A - 人工龙卷风热气流发电装置 - Google Patents

人工龙卷风热气流发电装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于一种可以利用人工温度场制造较高的热功转换率的人工龙卷风热气流发电装置，包括设置在地面上的负压涡轮机和设置在负压涡轮机下方的发电机，负压涡轮机圆周内侧设置有叶片，叶片形成气流通道，气流通道顶部设置有短气囱，短气囱外侧设置有内圈玻璃大棚，内圈玻璃大棚外侧设置有外圈玻璃大棚，负压涡轮机外侧设置有固定导流板，所述玻璃大棚底部通过大棚支柱与地面连接，内圈玻璃大棚内设置有环形燃烧带，环形燃烧带上设置有燃烧炬，本发明利用热成龙卷风机理，克服自然尘卷风汇集能量太小的缺点，通过辐射能或辅助能源加热获得棚内气体的温度增量，棚内被加热的空气在启动装置的带动下，提高了人工龙卷风热气流发电装置的发电能力。

Description

人工龙卷风热气流发电装置
技术领域
本发明属于一种龙卷风发电装置，尤其涉及一种可以利用人工温度场制造较高的热功转换率的人工龙卷风热气流发电装置。
背景技术
近年来新能源产业的蓬勃发展，使得风电规模、太阳能光伏发电规模快速递增，但是风电及光伏的随机性对电网的安全性稳定性带来了挑战，为应对不断升高的新能源上网比例，国家电网加快建设储能调峰电站，建设大型上下游调峰水电站；以及利用大规模的液流电池、锂离子电池进行储能调峰发电，来平抑电网的峰谷差；太阳能应用也向塔式或槽式储热均衡发电寻求突破，新能源产业正在克服自身的瓶颈向前发展。新能源产业需要储能调峰、需要自身均衡发电，而储能调峰不仅需要较高的能源效率，而且需要合理的投资成本和恰当的寿命期，才具有发展价值。同样太阳能热发电也必须具有同其他能源发电的竞争能力。前期国家补贴只能是导向性的临时措施，新能源虽然具有环境友好绿色低碳的特点，但也需要有较好的经济效益，才能做大做强。
龙卷风是自然界的一种气候现象，它是由两股空气强烈相向对流、相互摩擦而形成的空气漩涡。由于龙卷风是大气对流层下部热空气剧烈上升，上部冷空气急剧下降的强对流气候所致，其直径从几米到数百米不等，风速可以达到200m/s，具有强大的空气流和巨大的能量，因此，可以利用龙卷风发电装置进行发电。现有的龙卷风发电装置虽然能够利用大气对流层空气对流规律，通过自然环境的上升气流形成的高速气旋，从而产生龙卷风效应进行发电，然而，这种发电装置需要沿陡峭的山体建筑，达到一定高度的垂直高度差，从而获得足够的梯度温差动力，同时还需要利用间断性、不对称机翼形螺旋脊管道形成高速气旋，才能具备龙卷风发电装置发电的必备因素，因此，现有的龙卷风发电装置具有较大的局限性，无法在非高山的地方推广使用，此外，现有的龙卷风发电装置汇集能量不够稳定，能量转换率较低，无法实现全天候、全时段均衡发电。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种人工龙卷风热气流发电装置，充分利用了人工温度场，克服自然尘卷风汇集能量太小的缺点，提高了热功转换率，实现全天候、全时段均衡发电。
本发明的目的是这样实现的：一种人工龙卷风热气流发电装置，包括设置在地面上的负压涡轮机和设置在负压涡轮机下方的发电机，其特征在于：所述的负压涡轮机圆周内侧设置有叶片，叶片形成气流通道，气流通道顶部设置有短气囱，短气囱外侧设置有内圈玻璃大棚，内圈玻璃大棚外侧设置有外圈玻璃大棚，负压涡轮机外侧设置有固定导流板。
所述的内圈玻璃大棚和外圈玻璃大棚底部均通过大棚支柱与地面连接。
所述的内圈玻璃大棚内设置有环形燃烧带，环形燃烧带上设置有燃烧炬。
所述的气流通道半径与短气囱半径相等，故涡轮为大直径低速负压涡轮机。
本发明的工作原理为：在地面上由内圈玻璃大棚和外圈玻璃大棚形成的热力大棚内，以空气为介质的热载体，太阳能透过双层玻璃大棚加热棚内空气，棚内被加热的空气受到热成风的机理作用，在固定导流板导引下，在科氏力、惯性离心力作用下，通过棚中央出口汇集旋升形成人造龙卷风。而成势龙卷风中心的低气压和较高风速为热气流作用负压涡轮机获得机械能提供了良好的技术条件，在热风场中央出口水平安装大型负压涡轮机，即可获取热气流的部分能量，实现热能-风能-电能的转换。在夜间或太阳能不足时，采用辅助能源—荒煤气，在棚内环形燃烧带上燃烧加热空气，热空气工作温度控制在65℃—95℃之间，完善的系统具备均衡发电和调峰发电的能力。
热成旋风的机理分为自然龙卷风和人工龙卷风，自然龙卷风如荒漠戈壁的尘卷风发生在夏季的午后时分，地表被阳光持续照射，加热地表的空气，并形成一定的热空气层厚度，当该空气层的温度达到门限值时，气体分子的热运动力克服气体的重力，气团瞬间向上运动，在某个随机地点以热空气层厚度8倍的半径形成上升气体柱，在科氏力和地球惯性离心力的作用下，上升气体柱快速起旋，热气体向相对低温低压的上层大气升旋排泄，在上升气体柱的底面形成低气压，外围热空气在前导气体的气流场的作用下，沿柱面近90度的角度被吸入形成龙卷风，龙卷风中心的低气压使得气体的热能转化为气体的动能，升旋中转化为势能，将地面能量向高层大气扩散，在龙卷风发展和成型阶段，地面热空气层形成水平涡旋。尘卷风的空气温度无法高于门限值，热空气层厚度小，水平涡旋直径有限，无法收集大范围内的太阳能。
本发明依据的基础理论为龙卷风空气动力数学模型，该模型能够解释台风、陆地龙卷风、荒漠戈壁尘卷风的形成原因，形态，规模大小，通过地面或洋面由于太阳辐射增温幅度，导出龙卷风的最大地面风速、龙卷风或台风中心最低气压值等运动参数，同时获得龙卷风的形态参数，如上升气旋的直径，地面涡旋的作用直径，气旋上升高度，耗散高度等。
建立的热空气流作用于负压涡轮机提取动能及热气流内能的理论模拟计算式，为大型负压涡轮机的外形尺寸、叶片形状、叶片角度等设计提供依据。
本发明具有如下积极效果：
1、本发明利用热成龙卷风机理，克服自然尘卷风汇集能量太小的缺点，人为设置水平涡旋—大棚半径，捕捉需要的太阳能热量来加热棚内的空气，为减少棚内气体向棚外的低温红外辐射，采用双层玻璃，棚高即为热空气层的厚度，通过辐射能或辅助能源加热获得棚内气体的温度增量，棚内气体的增温可以高于门限值，大棚中心的短气囱是龙卷风的升旋出口，气囱出口半径和玻璃大棚的采光面积及大棚的高度，决定了汇集的能量大小；
2、龙卷风发电装置的大棚内被加热的空气在启动装置的带动下，将热空气引导到达旋口气囱，在气囱中热空气的升旋机理同上，气旋形成后气旋带动涡轮机转动，从而提高了人工龙卷风热气流发电装置的发电能力；
3、本发明克服了龙卷风发电装置的位置局限性，无须建在高山上获得梯度温差，也不用以山体作为螺旋脊管道的载体，极大地提高了龙卷风发电装置的建筑位置和使用范围；
4、由于本发明龙卷风发电装置内圈玻璃大棚内设置有环形燃烧带和燃烧炬，解决了大棚内能量不足的问题，从而真正实现了全天候、全时段均衡发电，不仅满足了新能源具有环境友好、绿色低碳的特点，而且提高了龙卷风发电装置的经济效益，促进了龙卷风发电技术的发展和推广；
5、本发明通过自然龙卷风数学模型可以导出龙卷风的最大地面风速、龙卷风或台风中心最低气压值等运动参数，同时获得龙卷风的形态参数，如上升气旋的直径，地面涡旋的作用直径，气旋上升高度，耗散高度等，为本发明龙卷风发电装置的结构制造、操作流程以及后续的改进提供了宝贵的理论基础和相关依据。
附图说明
图1为本发明的热力大棚平面俯视图。
图2为本发明的热力大棚立面剖面图。
图3为负压涡轮机的平面俯视图。
图4为负压涡轮机的立面剖面图。
图5为本发明的负压卡诺循环图。
图中：1.负压涡轮机 2.发电机 3.叶片 4.气流通道 5.短气囱 6.内圈玻璃大棚 7.外圈玻璃大棚 8.固定导流板 9.大棚支柱 10.环形燃烧带 11.燃烧炬 12.涡轮动力输出轴。
具体实施方式
实施例1，如图1、图2、图3、图4所示，一种人工龙卷风热气流发电装置，包括设置在地面上的负压涡轮机1和设置在负压涡轮机1下方的发电机2，负压涡轮机1通过负压涡轮机1底部的涡轮动力输出轴12提供，负压涡轮机1圆周内侧设置有叶片3，叶片3形成气流通道4，气流通道4顶部设置有短气囱5，短气囱5外侧设置有内圈玻璃大棚6，内圈玻璃大棚6外侧设置有外圈玻璃大棚7，负压涡轮机1外侧设置有固定导流板8，所述的内圈玻璃大棚6和外圈玻璃大棚7底部均通过大棚支柱9与地面连接，内圈玻璃大棚6内设置有环形燃烧带10，环形燃烧带10上设置有燃烧炬11，气流通道4半径r与短气囱5半径R相等。
本发明利用热成龙卷风的机理，克服自然尘卷风汇集能量太小的缺点，人为设置水平涡旋—大棚半径，捕捉需要的太阳能热量来加热棚内的空气，为减少棚内气体向棚外的低温红外辐射，采用双层玻璃，棚高即为热空气层的厚度，通过辐射能或辅助能源加热获得棚内气体的温度增量，棚内气体的增温可以高于门限值，大棚中心的短气囱是龙卷风的升旋出口，气囱出口半径和玻璃大棚的采光面积及棚的高度，决定汇集的能量大小。棚内被加热的空气在启动装置的带动下，将热空气引导到达旋口气囱，在气囱中热空气的升旋机理同上，气旋形成后气旋带动涡轮机转动。
其中，棚内空气的温度增量∆t决定气体的最大风速υmax，转换数学式为（当温度增量取为∆t= 68°时）
υmax = [0.8×∆t×1005]1/3=37.95 m/s
由大棚获得总辐射能差等于气体流量乘温度增量关系式：R0 2π（L×α×θ－∆t×(k1＋k2）=Ф×∆t×1005
得到计算的玻璃大棚半径R0：
R0=[Ф×∆t×1005/ [π×（L×α×θ－∆t×(k1＋k2）)]1/2
式中：L为哈密夏季白天9小时的平均太阳辐射能值，(春秋季白天7小时的平均太阳辐射能值)α为地表吸收系数，θ为双层玻璃的透射系数，k1为热气体的红外反射系数，k2为地表导热系数，Ф为空气流量。
(当L=688w/h，α=0.9 ，θ=0.7，k1=2.5，k2=1.5，H=2m棚高，R1=16m气囱内半径，ρ=1.08kg/m3中心气体密度，Ф=2 R1πHυmaxρ时。) R0=1053.75m。
（太阳辐射不足时，启动辅助能源，保证大棚内空气温度增量∆t不变,气体最大速度υmax不变，Ф不变，以补充辐射能值L，）
由玻璃大棚的光照面积S1公式：（R2=286m为隔热大棚的半径）
S1=πR0 2=π×（R2－R2 2）
得到大棚的半径R：
R=（R0 2＋R2 2）1/2 =1092 m
被加热的空气形成热气流向中央汇集并通过在大棚中央水平安装的负压涡轮机的叶片通道，涡旋气流通过固定气流导板以一定的角度射入叶片通道，气流的流速在叶片的正面和背面产生气体的密度差∆r=（r1－r2），从而对叶片形成压力差 ∆P =n2×∆r=n2×（r1－r2）推动涡轮机做功。涡轮机功率WJ由下式给出：
WJ=ωM×9.8×10-7 万kW
=n4r×2kR1H2π2×（R2+R3）×0.102×cos(θ)×tan(θ)×∆r×10-7
式中：ω为涡轮机的角速度，M为气体作用于涡轮机的力偶矩，n为进入涡轮机的风速，r为将进入涡轮机的气体密度，k为涡轮机叶片的线速度与风速的比值，R1为叶片的內园半径，H为涡轮机的高度，R2为叶片二次冲击半径，R3为一次冲击半径，θ为气体的入射角，∆r为叶片前后密度差。r和∆r由另外的公式求算，风速已给出，其余为涡轮机的结构参数，代入相关数据涡轮机的最大出力达到14.5万kW。
实施例2，如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种人工龙卷风热气流发电装置，包括设置在地面上的负压涡轮机1和设置在负压涡轮机1下方的发电机2，负压涡轮机1通过负压涡轮机1底部的涡轮动力输出轴12提供，负压涡轮机1圆周内侧设置有叶片3，叶片3形成气流通道4，气流通道4顶部设置有短气囱5，短气囱5外侧设置有内圈玻璃大棚6，内圈玻璃大棚6外侧设置有外圈玻璃大棚7，负压涡轮机1外侧设置有固定导流板8，所述的内圈玻璃大棚6和外圈玻璃大棚7底部均通过大棚支柱9与地面连接，内圈玻璃大棚6内设置有环形燃烧带10，环形燃烧带10上设置有燃烧炬11，气流通道4半径r与短气囱5半径R相等。
建立的人工龙卷风加入动力涡轮机后的整体系统数学模型，为太阳能热力场计算受热面积从而获得玻璃大棚的半径、辅助加热的环形燃烧半径、升旋气流在大棚中央的出口半径、及大棚的高度等尺寸；棚内加热气体的增温和热气体的流速与涡轮机发出的最大功率的计算式。
图3的负压涡轮机的平面俯视图、图4的负压涡轮机的立面剖面图均为系统结构示意图，图中叶片数量由下式确定：
n= 2πR2/ L2sin(θ1)
式中：θ1为气流入射角，R2为受力面半径，L2为叶片受力长度。
通过小型试验开发出负压涡轮机，验证人工龙卷风的生成和可控性，并发出电力。
通过中型试验验证负压涡轮机的效率，验证系统装置的热功转换效率，龙卷风涡轮机的热效率的卡诺定理，系统装置（含外界）的负压卡诺循环图如图5所示：（1005J/kg/C°为气体焓值）
图中： P 0 ＞P Z ， T 0 ＞T Z 系统介质在热能的作用下，向低压、低温环境运动中对涡轮机和气团做功。由图得到涡轮机提取的能量为：
W J =(υ 3 b ρ b /2+ Q 2 )－(υ 3 b ρ b /2+ Q 3 )≈Q 2 －Q 3
Q 2 =Δt×1005－υ 3 b ρ b /2Q 3 =Zg－Q 4 = Zg－Δt 1 ×1005
W J ≈Q 2 －Q 3 =Δt×1005－υ 3 b ρ b /2－Zg＋Δt 1 ×1005
=（Δt＋Δt 1 ）×1005－υ 3 b ρ b /2－Zg
=（Δt＋Δt 1 ）×1005－υ 3 b ρ b /2－0.5υ 3 b ρ b /2 （由辅助方程得到）
=（Δt＋Δt 1 ）×1005－0.75υ 3 b ρ b （υ b =υmax）
=（Δt＋Δt 1 ）×1005－0.75×0.8×Δt×1005×ρ b （ρ b =1.08）
=（Δt＋Δt 1 －0.65Δt）×1005 （Δt 1 =0.65×Z/100）
=（0.35Δt＋Δt 1 ）×1005 （Z=0.5Δt×1005 /2/9.8） Z为龙卷风上升的有效高度。
=（0.35Δt＋0.16Δt）×1005 （Δt 1 =0.166Δt）
=0.516×Δt×1005 Δt 1 称为大气温度梯度补偿
系统最大理论热效率：
η= WJ/Q1=0.516×100%=51.6%
通过推导计算系统的大型负压涡轮机出力较大，可以达到14万kW，且系统的热效率比较高，达到50%左右。
大型试验为大型负压涡轮机进行修改定型，确立龙卷风热气流发电最高效率，优化大型热力场的设计，为太阳能热加辅助热源均衡发电提供一种模式；为建立电网级储能调峰、调频发电的储能电站提供一种式样。

Claims (4)

1.一种人工龙卷风热气流发电装置，包括设置在地面上的负压涡轮机和设置在负压涡轮机下方的发电机，其特征在于：所述的负压涡轮机圆周内侧设置有叶片，叶片形成气流通道，气流通道顶部设置有短气囱，短气囱外侧设置有内圈玻璃大棚，内圈玻璃大棚外侧设置有外圈玻璃大棚，负压涡轮机外侧设置有固定导流板。
2.根据权利要求1所述的人工龙卷风热气流发电装置，其特征在于：所述的内圈玻璃大棚和外圈玻璃大棚底部均通过大棚支柱与地面连接。
3.据据权利要求1所述的人工龙卷风热气流发电装置，其特征在于：所述的内圈玻璃大棚内设置有环形燃烧带，环形燃烧带上设置有燃烧炬。
4.据据权利要求1所述的人工龙卷风热气流发电装置，其特征在于：所述的气流通道半径与短气囱半径相等。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113033462A (zh) * 2021-04-09 2021-06-25 山东大学 基于火星尘卷风产率的火星着陆点确定方法及系统

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