CN104728048B - 冷却塔风力水力混合发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冷却塔风力水力混合发电装置，包括原有的冷却塔模块、风力发电机组模块、水力发电机组模块、改进的填料模块，以及相应的导流片、支撑结构等辅助装置组成，包括循环水(1)，冷却塔外壳(2)，填料层(3)，水力发电机组模块(4)，导流片(5)，风力发电机组模块(6)，风机(7)，旋转式循环水喷管(8)，水泵(9)，以及相应的控制系统，可以达到富余风力水力压头回收发电、改进型填料进一步提高散热效率等多种功能，充分达到节能减排的目标、便于加工安装调试、更新改造、重新设计等优点，可以广泛地用于使用功能的冷却塔场所。

Description

冷却塔风力水力混合发电装置

技术领域

本发明涉及一种新型的冷却塔风力水力混合发电装置，具体地说，是涉及一种利用冷却塔出风口的富余风量和风速进行风力发电，以及冷却塔淋水口的水流进行水力发电的装置，用于提高冷却塔效率、便于加工安装调试、可以广泛地用于各种现有冷却塔改造和新设计的冷却塔节能装置

背景技术

在2013年，在国家发改委公布的1400家高能耗企业名单中发现，除部分水泥制造企业以外，90％以上的企业都大量使用机械通风式冷却塔，而平均每家企业的用量又都在10万吨以上。根据估算，仅上述1400家企业中，传统冷却塔的总量就在1亿3千万吨左右，因此仅冷却塔一项每年的能源消耗量非常巨大，另外中央空调系统也大量使用冷却塔用于冷却水的散热，即冷却塔是一种量大面广的通用设备。

冷却塔是大型热力循环和工业过程中常用的散热装置，它广泛应用于电力、石油、化工、建筑暖通等各个行业，它蕴藏着可观的节能潜力，冷却塔的热力性能直接关系到工厂的经济效率。随着冷却塔应用的不断增长，在目前能源紧张的严峻现实中，全方位地对冷却塔进行节能改造，已成为当务之急，冷却塔节能对于节约企业成本，提高企业效益，保护自然环境具有非常重要的意义，而重建新型节能冷却塔显热是不可能短期实现的。冷却塔风机富余动能与冷却水富余扬程蕴含巨大的发电潜力，但不能随意开关风机、改变水泵扬程和新建冷却塔来节能，因此设计一种应用于常见冷却塔、基于利用冷却塔富余风力和水力的混合型发电装置是非常必要的。

本发明装置除具有传统冷却塔的高效冷却功能以外，还可以进一步提高冷却塔的冷却效率，同时充分利用冷却塔的富余风力与水力发电等多种功能，同时具有高效率、结构紧凑、具有一定的电能输出，也可以利用该电能输出直接给景观灯或其他装置供电作用等多方面的优点。

发明内容

本装置需解决的技术问题是：冷却塔风机是系统的核心设备，风机一般处于常运转状态，即使阴天、下雨、水温比较低的情况下，没有停机指令，冷却塔风机仍然在运转，这无疑浪费了很多电能，并且为了保证排气流量，确保冷却效果，风机的额定功率一般是系统所需功率的1-2倍，气体被排到自然环境中，考虑将排出气体的富余动能转化为电能。在风力发电模块，为了使所设计的发电模块对冷却塔的性能不产生负面影响，通过实验的方式，首先最优化了导流片的角度，并基于排风速度曲线确定了风力发电机安置的最佳位置。该风力发电机模块安装有一个扩散板，扩散板形成多个气流通道，以最大限度地提高风电，减少对排出空气流的阻碍。在冷却塔循环水冷却方面，普遍存在冷却水提升水泵扬程设计偏大的现象，并且冷却回水富余扬程被自然释放没被有效利用。在水力发电部分，整个模块由旋转式循环水喷管和水力发电机组组成，当旋转式喷管开始喷水时，有着过高速度的水流冲击发电机组的叶片上，使叶片旋转发电，充分利用水泵的提升水流的过高的扬程。

本发明需解决的技术问题是：克服现有的冷却塔能量利用存在的缺陷，提供一种旨在充分利用冷却塔出风口的富余风量进行风力发电，以及利用冷却塔淋水口的水流进行水力发电的发电装置。这样即可以充分利用冷却塔的富余容量，提供更好的冷却效果，又可以有效地减少冷却塔的噪声污染，达到很好的节能减排目的。

本发明的理论依据：利用冷却塔本身风机的富余风量和风速带动冷却塔出口的风力发电机组发电，进而利用冷却塔喷水管喷水口水流冲击水力叶轮或贯流式水力发电机组混合发电，同时采用改进的PVC冷却塔填料，进一步降低水流阻力和风力流过冷却塔填料的风速，提高冷却塔换热效率和冷却效率，一举三得。

本发明的技术方案是：一种冷却塔风力水力混合发电装置，包括集水池、塔体、支撑、填料、导流片、风机、水泵、水力发电装置和风力发电机组，其中集水池设在支承底部，在支承上安装塔体。

所述发明装置由四大模块组成，原有的冷却塔模块、风力发电机组模块、水力发电机组模块、改进的填料模块，以及相应的导流片、支撑结构等辅助装置组成。

所述集水池用于收集冷却塔内由喷水管喷射后流经填料的冷却水。水泵在集水池底部的出水口通过出水管道将循环水不断地抽到水力发电装置中的旋转式喷管。

所述填料设在塔体内部，在冷却塔顶端的排风口处有一个风机。风机用来保证冷却塔内气体能够及时地带着热量排出塔外。

所述水力发电装置设置在风机和填料之间，由旋转式循环水喷管和水力发电机组组成。

所述风力发电机组模块设置在冷却塔排风口处，具体位置在风机上方，该风力发电机组由一个支撑结构保持，它能够安装在垂直方向上，而不会阻塞排出的空气流。

所述支承结构安装在冷却塔的排风口，其中排出的空气从下方在垂直方向上进入，风力发电机组模块装置设有导流片，能够调节气流进入风力发电机组的角度。

本发明的目的及解决其技术问题采用以下技术措施进一步实现。

所述水力发电机组模块布置在冷却塔的风机和旋转式循环水喷管下方与和填料之间，进一步收集水力富裕扬程的能量，该模块由改进型旋转式循环水喷管和水力发电机组组成。

当旋转式喷管开始喷水时，有着过高速度的水流冲击发电机组的叶片上，使叶片也旋转发电，充分地利用水泵提升的水流的过高扬程。

所述旋转式循环水喷管喷洒的水流由来自于冷却塔外的水泵供给。

其中上述装置中的旋转式循环水喷管两端，布满一定数量的喷水孔。该区域的大量喷水孔形成一个喷水区域，该喷水区域距离该旋转式循环水喷管的中心位置有一定的距离，使之能够将水流喷射在水力发电机组的叶轮上的一端，减少了不合理的能量损失，使所有喷射水流的动能尽可能地全部冲击水力发电机组的叶轮，极大地提高了能量的回收率及利用率。

所述风力发电机组由八个带有一定宽度的双叶叶轮组成，该八个叶轮在支撑板上，呈两两对称分布，充分利用冷却塔内部的空间，叶轮轴心与叶轮下面的电机连接在一起，能够在叶轮转动的同时带动电机转子的旋转，使电机发电。

所述叶轮叶片叶形采用螺旋桨叶形，充分地结合运动学的原理，使叶片在受到水流的冲击时能够极大地，将水流的机械能转化为叶轮的动能，进而转化为叶轮下面驱动的电机产生的电能。

更进一步的技术方案是在冷却塔顶端的排风口处，加上一个前述的风力发电机组，进一步地回收排出的空气动能。

为了所设计的发电装置对冷却塔的性能不产生负面影响，首先最优化了导流片的角度，并基于排风速度曲线确定了风力发电机安置的最佳位置。

所述风力发电机组还安装有一个扩散板，扩散板形成多个气流通道，以最大限度地提高风电，减少对排出空气流的阻碍。

所述风力发电机组还设有可以调节气流进入风力发电机组角度的导流片。

所述导流片，在进行相关实验验证后，将最外围的两个导流片的最优角定为70°，最靠近中轴线的两个导流片的最优角定为40°。其他导流片介于两者之间，依次间隔设置。

冷却塔风力水力发电装置的安装方法，该安装方法包括以下步骤：

A、建集水池；

B、搭建支撑，将该支撑搭建在集水池上，该支撑为钢架；

C、在支撑上部安装塔体，支撑和塔体连通；

D、在集水池顶部或塔体内架设水力发电装置，水力发电装置入水口和冷却循环水管道连通；

E、在风力发电机组下方搭建填料；

F、安装水泵，水泵入水口用管道和集水池出水口连通，水泵出水口用管道通过冷却水循环管道与水力发电装置的旋转式喷管入水口连通；

G、在塔体顶端安置风机；

H、在风机上部或塔体上部装上风力发电机组。

所述水力发电机组模块由旋转式循环水喷管和水力发电机组组成，该装置的水力发电机组由八个带有一定宽度的双叶叶轮组成，该八个叶轮在支撑板上，呈两两对称分布，装置中的旋转式循环水喷管两端设有密集的喷水区域。

所述风力发电机组模块由扩散板，支撑结构，导流叶，风力发电机组组成。

当该冷却塔风力水力发电装置工作开始，水泵运转将集水池里的水抽到水力发电装置的旋转式喷管，水流从旋转式喷管两端的喷水孔喷出并冲击水力发电机组，使电机转动将水流的机械能转化为电能。然后水流继续进入填料与冷却塔内流动的气体进行换热，最后重新回到集水池。与此同时，冷却塔的风机也在运转，将冷却塔内从进风口进入的气体往塔外排出。当经过风力发电机组，气体以一定的角度进入并冲击风力发电机组，带动电机转动将气体的机械能转化为电能。上述两个装置产生的电能能够给风机以及其他装置提高电能。

所述水力发电模块有叶片式水轮发电模块组成。

所述改进的PVC冷却塔填料，由可以进一步降低水流阻力和风力流过冷却塔填料的风速，提高冷却塔换热效率和冷却效率

本发明的有益效果：采用发明可以利用机械式通风冷却塔出风口的富余风量和风速进行风力发电，同时可以利用冷却塔淋水口的水流富余扬程进行水力发电。风力和水力的混合发电装置提高了能量转化效率，充分利用了冷却塔的富余能量。本装置在利用废弃发电的同时降低了排气噪声，利用水力发电时延长了水流与空气接触的时间，提高了冷却效果。本装置对现有冷却塔设施具有通用性，推广成本低，对核心设备设有围护装置进行保护，安全可靠，可长时间稳定工作。收益效果明显。

附图说明：

图1是本发明冷却塔风力水力混合发电装置结构示意图；

图2是本发明冷却塔风力水力混合发电装置风力发电结构示意图；

图3是本发明冷却塔风力水力混合发电装置水力发电结构示意图。

具体实施方式：

为了进一步阐明发明的目的以及技术方案及优点，下面结合附图和实施例对本装置作进一步叙述。

参见图1，在附图1中：1-循环水，2-为冷却塔外壳，3-填料层，4-水力发电机组模块，5-导流片，6-风力发电机组模块，7-风机，8-旋转式循环水喷管，9-水泵。所述的循环水1处于塔的底部集水池中，在集水池下部会侧面安装水泵9将水泵至塔内进行喷射。水流通过竖直管道至处于塔中间位置的填料层3和塔顶部风机7之间，再送入旋转式循环水喷管8，旋转式循环水喷管8安装在送水的竖直管道上。本新型装置所述水力发电机组模块4安装在旋转式循环水喷管8的正下方，但其位置高于填料层3的上界面。这样当冷却塔运行时，水泵9开始抽水，通过旋转式喷头8向填料层3喷水降温，喷出的水流会先冲击水力发电机组4而使水力发电机转动发电，充分利用循环水的富余扬程的能量。所述风机7是安装在收水器的上方，通过电力驱动抽风使空气从塔底部的百叶窗进入塔内与喷淋水接触换热。本新型装置在冷却塔出口上方单独设置支撑结构安装风力发电机组模块6，在风力发电机组模块6与风机7之间安装一定数量的导流叶片5，并选取最优导流角度使风力发电机组模块6接受最大的风力动能。风机7开始转动，排出的空气流经过最优化角度的导流片5，冲击到风力发电机组模块6上而使风力发电机转动发电。通过两种发电模块有机结合，充分利用了冷却塔的富余能量。

附图2是表示具体的风力发电机组模块结构示意图，10-扩散板，11-支撑结构。支承结构11安装在冷却塔的排风口，单独的支撑结构11使风力发电机组模块可自由拆装于现有的冷却塔上，方便对现有的冷却塔进行推广。同时支撑结构11能维护风力发电机组，确保了风力发电机组长时间运转。其中排出的空气从下方在垂直方向吹出。为了所设计的发电模块对冷却塔的性能不产生负面影响，基于最优导流确定的风力发电机安置的最佳位置。该风力发电机模块安装有一个扩散板10，扩散板10形成多个气流通道，以最大限度地提高风电，减少对排出空气流的阻碍。

附图3是表示具体的水力发电机组模块结构示意图：当旋转式循环水喷管8开始喷水时，有着过高速度的水流冲击水力发电机组模块4的叶片上，使叶片也旋转发电，充分利用水泵的提升水流的过高的扬程。

本发明对现有的冷却塔改造简单，便于推广，效益明显。减小了冷却塔的总耗能量，提高了冷却效率，达到了节能降耗的目的。

Claims (5)

1.冷却塔风力水力混合发电装置，其特征在于：所述装置由四大模块组成：

包括冷却塔外壳(2)和风机(7)的冷却塔模块；

包括导流片(5)和支撑结构的风力发电机组模块(6)；

包括循环水(1)、旋转式循环水喷管(8)和水泵(9)的水力发电机组模块(4)；

包括填料层(3)的填料模块；

所述冷却塔模块为机械式通风冷却塔，所述填料模块的填料层采用PVC冷却塔填料；

所述水力发电机组模块(4)的水力发电机组安装在旋转式循环水喷管(8)的正下方，但其位置高于填料层(3)的上界面；

所述风力发电机组模块(6)设置在冷却塔的排风口处，具体位置在风机上方。

2.根据权利要求1所述的冷却塔风力水力混合发电装置，其特征在于：所述水力发电机组模块(4)的水力发电机组由八个带有一定宽度的双叶叶轮组成，该八个叶轮在支撑板上，呈两两对称分布，装置中的旋转式循环水喷管两端设有密集的喷水区域。

3.根据权利要求1所述的冷却塔风力水力混合发电装置，其特征在于：所述风力发电机组模块(6)由扩散板，支撑结构，导流片，风力发电机组组成，所述风力发电机组由八个带有一定宽度的双叶叶轮组成，该八个叶轮在支撑板上，呈两两对称分布，充分利用冷却塔内部的空间，叶轮轴心与叶轮下面的电机连接在一起，能够在叶轮转动的同时带动电机转子的旋转，使电机发电。

4.根据权利要求2所述的冷却塔风力水力混合发电装置，其特征在于：所述水力发电机组模块的水力发电机组布置在冷却塔的风机和旋转式循环水喷管与填料之间，进一步收集水力富裕扬程的能量。

5.根据权利要求3所述的冷却塔风力水力混合发电装置，其特征在于：所述风力发电机组模块的风力发电机组由一个支撑结构保持，所述风力发电机组能够安装在垂直方向上，而不会阻塞排出的空气流；所述支撑结构安装在冷却塔的排风口，其中排出的空气从下方在垂直方向上进入，风力发电机组模块装置设有导流片，能够调节气流进入风力发电机组的角度。