CN105041587A - 一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其包括太阳能热气流发电装置和冷风发电装置，太阳能热气流发电装置包括集热风棚、涡轮发电机组Ⅰ和设置在山体顶部的太阳能烟囱，集热风棚设置在斜坡上部，并与太阳能烟囱相连，涡轮发电机组Ⅰ设置在太阳能烟囱与集热风棚交界处；冷风发电装置包括集风棚、涡轮发电机组Ⅱ和设置在山体底部的排风短烟囱，集风棚设置在斜坡下部，涡轮发电机组Ⅱ设置在排风短烟囱与集风棚交界处，斜坡位于集风棚与集热风棚之间的部分裸露在外。本发明利用太阳辐射加热气体并依靠烟囱产生浮升力发电的基础上，有效利用山体地形产生的山谷风效应，实现高效率持续发电，具有发电成本低、适用性广等优点。

Description

一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统

技术领域

本发明属于太阳能热气流发电领域，更具体地，涉及一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统。

背景技术

随着社会的飞速发展，人类对能源的需求越来越大，可传统的化石燃料(煤、石油、天然气)日渐枯竭，化石燃料燃烧过程还会产生严重的环境问题，人类面临日趋严重的能源危机与环境污染，因此迫切需要寻找可行的大规模的可再生清洁能源利用技术。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，其中，太阳能热气流发电技术作为一种利用太阳能发电的技术手段，正受到国内外学者越来越多的研究，在我国山地占全国陆地面积的1/3，并且有许多山脉位于中高纬度且太阳辐射多的地区，因此有效利用山地地形条件结合太阳能热气流发电技术提高发电效率成为国内外学者研究的热点。

现有技术中对于如何将太阳能利用技术与山地的地形相结合已经做出一些设计方案。例如，CN200410073048.1公开了一种太阳能烟囱发电装置的建造方法，并涉及一种太阳能烟囱发电装置，该发电装置将太阳能烟囱建造在斜坡的坡顶上，并将集热棚建造在山体倾斜阳面的斜坡上，利用太阳能实现发电；此外，CN201320304454.9公开了一种应用于山体的太阳能风力发电装置，其包括顺着山势设置的对流管、设于对流管顶端和底端的加热单元、风力发电单元以及控制单元，通过该装置可实现持续供电。

然而，进一步的研究，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：上述的太阳能烟囱发电装置只能利用集热棚内被加热的空气实现太阳能发电，其发电效率低、无法满足大功率发电要求；而上述太阳能风力发电装置，虽然可实现白天与晚上的持续发电，但其需额外设置加热单元、控制单元和温度传感器，整体结构复杂，投资成本高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其中结合太阳能热气流发电技术并利用山体地形产生的山谷风效应，相应设计了适用于不同山体结构的太阳能热气流冷风复合发电系统，并对其关键组件如太阳能热气流发电装置、冷风发电装置的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可有效利用山体地形产生的自然山谷风以及太阳辐射实现白天太阳能热气流发电以及晚上的冷风发电，具有发电效率高、发电可持续性强、适用性广等优点，因而尤其适用于中高纬度地区山体等场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，该发电系统包括太阳能热气流发电装置和冷风发电装置，其中：

所述太阳能热气流发电装置包括太阳能烟囱、集热风棚和涡轮发电机组Ⅰ，所述太阳能烟囱设置在山体的顶部；所述集热风棚沿着所述山体的斜坡设置在该斜坡的上部，并与所述太阳能烟囱相连；所述涡轮发电机组Ⅰ设置在所述太阳能烟囱与所述集热风棚的交界处；

所述冷风发电装置包括排风短烟囱、集风棚和涡轮发电机组Ⅱ，其中，所述排风短烟囱设置在所述山体的底部，其与所述集风棚相连；所述集风棚沿着所述斜坡的下部向上延伸，而所述斜坡位于所述集风棚与所述集热风棚之间的部分则裸露在外，以此使得所述山体中的自然山谷风作为所述集风棚与所述集热风棚的入口风；所述涡轮发电机组Ⅱ设置在所述排风短烟囱与所述集风棚的交界处；以此方式，利用太阳能辐射以及山体中的自然山谷风实现高效率持续发电。

作为进一步优选的，白天，所述斜坡位于所述集热风棚和集风棚之间的部分吸收太阳辐射以形成谷风热气流，该谷风热气流沿着所述斜坡进入集热风棚中，以增加所述集热风棚进风的热量和风量，进而实现太阳能热气流增效发电；晚上，所述斜坡位于所述集热风棚和集风棚之间的部分快速冷却以形成山风，该山风沿着所述斜坡进入所述集风棚中，进而实现冷风发电。

作为进一步优选的，所述涡轮发电机组Ⅰ设置在所述集热风棚靠近所述太阳能烟囱位置处，所述涡轮发电机组Ⅰ中的涡轮为水平轴式。

作为进一步优选的，所述涡轮发电机组Ⅰ设置在所述太阳能烟囱靠近所述集热风棚位置处，所述涡轮发电机组Ⅰ中的涡轮为垂直轴式。

作为进一步优选的，所述涡轮发电机组Ⅱ设置在所述集风棚靠近所述排风短烟囱位置处，所述涡轮发电机组Ⅱ中的涡轮为水平轴式。

作为进一步优选的，所述涡轮发电机组Ⅱ设置在所述排风短烟囱靠近所述集风棚位置处，所述涡轮发电机组Ⅱ中的涡轮为垂直轴式。

作为进一步优选的，所述集热风棚贴覆所述斜坡的上部而建，所述集风棚贴覆所述斜坡的下部而建，所述集热风棚与集风棚之间有较长的裸露山体。

作为进一步优选的，所述集热风棚的形状为矩形、梯形或局部圆锥形。

作为进一步优选的，所述太阳能热气流发电装置为多组，所述冷风发电装置为一组，其中，上述多组太阳能热气流发电装置分设在所述冷风发电装置的多个方向上，并且所述冷风发电装置上设置有多个与所述太阳能热气流发电装置中的集热风棚相对的集风棚。

作为进一步优选的，所述集热风棚内设有蓄热层；所述集热风棚的棚面形状为沿着所述斜坡表面向上收缩的曲面或向上收缩的斜面或与所述斜坡表面平行的平面；所述集风棚的棚面形状为沿着所述斜坡表面向下收缩的曲面或向下收缩的斜面或与所述斜坡表面平行的平面。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明结合太阳能热气流发电技术并利用山体地形，设计获得发电效率高的太阳能热气流冷风复合发电系统，该系统在白天利用太阳辐射产生热气流发电，同时利用山体地形产生的谷风增加集热风棚入风口的温度和风量，提高了发电潜力；在晚上收集并利用山风进行风力发电。该太阳能热气流冷风复合发电系统在利用太阳辐射加热气体并依靠烟囱产生浮升力发电的基础上，有效利用特殊地形产生的自然山谷风增加风量和热量进而增加发电潜力，提高发电效率。

2.本发明还对太阳能热气流冷风复合发电系统中的关键组件如太阳能热气流发电装置、冷风发电装置以及涡轮发电机组的具体结构与布置方式进行研究和设计，使得该发电系统可适用于单侧、双侧、三侧、四面环山以及不规则山体等各种不同山体结构，本发明还对集热风棚和集风棚的形状进行了设计研究，设计了多种适用于各种山体结构的不同形状的棚子，具有适用范围广的优点，相比传统的太阳能热气流发电系统，可显著提高昼夜发电效率，降低发电成本。

附图说明

图1是本发明太阳能热气流冷风复合发电系统的整体结构示意图；

图2(a)和(b)分别是本发明太阳能热气流冷风复合发电系统在白天与夜晚的工作原理图；

图3(a)和(b)分别是本发明太阳能热气流冷风复合发电系统的不同形状的集热风棚结构示意图；

图4是用于四面环山的太阳能热气流冷风复合发电系统的结构示意图；

图5(a)-(f)分别是本发明太阳能热气流冷风复合发电系统中涡轮发电机组的不同布置方式示意图；

图6(a)-(f)分别是本发明集热风棚与集风棚棚面的不同形状示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其充分利用因山体地形所形成的自然山谷风以及太阳能辐射，以有效解决现有太阳能烟囱发电系统效率低的问题，同时降低成本，提高经济效益，该太阳能热气流冷风复合发电系统包括太阳能热气流发电装置和冷风发电装置。

下面将对本发明的太阳能热气流冷风复合发电系统中的关键组件逐一进行更为具体的说明。

如图1所示，作为本发明的关键组件之一，太阳能热气流发电装置包括太阳能烟囱1、集热风棚3和涡轮发电机组Ⅰ2，太阳能烟囱1设置在山体的顶部，集热风棚3沿着山体的斜坡4设置在该斜坡4的上部，即倾斜的贴覆于山坡的上部，并与太阳能烟囱1的底部相连，涡轮发电机组Ⅰ2安装在太阳能烟囱1与集热风棚3的交界处。

作为本发明的另一关键组件，冷风发电装置包括排风短烟囱9、集风棚8和涡轮发电机组Ⅱ6，排风短烟囱9设置在山体的底部，其与集风棚8相连；集风棚8安装在斜坡4的下部，并与集热风棚3相对，集热风棚3与集风棚8之间有较长的裸露山体，即斜坡4位于集热风棚3与集风棚8之间的部分裸露在外，不设置任何棚子；涡轮发电机组Ⅱ6安装在排风短烟囱9与集风棚8的交界处；通过太阳能热气流发电装置和冷风发电装置的结合，利用太阳辐射以及山体中的自然山谷风实现高效率持续发电。

上述关键组件的集热风棚3和集风棚8均贴覆山体的斜坡4而建，沿着山体的斜坡延伸，两棚之间有较长的山体斜坡没有建造任何棚子，以便于更好地利用自然的山谷风来进行发电。由于集热风棚3与水平地面存在一定倾斜角度，在中高纬度地区可增大集热风棚对太阳能辐射的有效面积；同时由于集热风棚的倾斜角度，集热风棚能起到集热棚与烟囱的双重效应，在集热风棚中也可以产生浮升力，进而提高太阳能烟囱的有效高度，降低经济成本同时提高发电效率。

更具体而言，集热风棚3修建在我国中高纬度地区山体5的倾斜区域，集热风棚3形状可为矩形，梯形或者局部圆锥状，即可根据具体地形条件加以选择，在保证最合理化利用山体地形达到最优的集热风棚面积以便于白天能更多的吸收太阳能辐射提高发电效率，降低发电成本。如图6(a)-(c)所示，集热风棚3的棚面即覆盖层可为各种形状，如沿山体的斜坡表面向上收缩的曲面，或沿山体斜坡表面向上收缩的斜面，或与山体斜坡表面平行的平面，如图6(d)-(f)所示，集风棚8的棚面也可为各种形状，如沿山体的斜坡表面向下收缩的曲面，或沿山体斜坡表面向下收缩的斜面，或与山体斜坡表面平行的平面，集风棚8与集热风棚3的棚各种形状会影响棚子里面的气流流动，具体的实施方式可根据具体地形等实际条件加以选择。

进一步的，集热风棚3用透光性良好的玻璃、玻璃纤维材质或者塑料材质等透明材料，并用支架支撑，以便太阳辐射能够透过；蓄热层7采用传统的自然土地蓄热系统，也可铺设具有良好吸热性能的材料，或者封闭水蓄热系统；中间的空气层从蓄热层7的表面获得热量形成热空气，由于太阳辐射对集热风棚3的加热作用，空气层热气流上升进入烟囱，同时，热的谷风通过入口进入集热风棚3，带入热量也增加流量，且形成集热风棚内空气的连续流动，热空气在太阳能烟囱1内上升，装置内气流推动涡轮叶片转动，带动涡轮发电机组发电。

更进一步的，图5为本发明的太阳能热气流冷风复合发电系统中的涡轮发电机组的分布格局示意图。该图仅以单边入风的烟囱(可以是太阳能烟囱1或排风短烟囱9)为例，实际情况可以根据不同方向或者全周向入风烟囱情况进行不同的布局，如图5所示，涡轮发电机组有水平轴式涡轮与垂直轴式涡轮两种放置方式，其中图5(a)-(c)中，涡轮在棚子(集热风棚3或集风棚8)里接近烟囱时竖向放置，属于水平轴式涡轮，放置数目可根据棚子形状等因素决定，可为零个、一个或者多个；其中图5(d)-(f)中，涡轮在烟囱里靠近棚子时横向放置，属于垂直轴式涡轮，涡轮数目可根据实际条件加以调整，可为零个、一个或者多个。垂直轴式涡轮可以根据需要安装在烟囱内的任何位置，包括烟囱内部的入口，出口和其它位置，水平轴涡轮与垂直轴涡轮也可组合放置，以便达到最好的发电效果。总之，涡轮放置位置与数目可根据实际条件加以调整以达到最优效果。

更具体地，按照本发明的一个优选实施方式，如图4中所示，本发明的太阳能热气流冷风复合发电系统设置于四面环山的山谷环境中，其由四个位于山顶的太阳能热气流发电装置与一个位于山谷的冷风发电装置组成，其原理与图1原理一致。该系统可根据具体地形条件加以修正，在保证山谷冷风发电装置不变的情况下，有单侧山体，双侧山体，三侧山体，四面环山以及不规则山体等各种情况，此外，山谷的冷风发电装置也可针对具体地形条件加以修改，可有单侧集风棚，双侧集风棚，三侧集风棚，四侧集风棚以及不规则棚子等各种情况，其目的在于充分利用地形条件，在太阳能热气流发电的基础上，利用自然山谷风提高发电效率，减低单位发电成本。

下面将具体解释本发明的太阳能热气流冷风复合发电系统的操作过程及其优点。

如图2(a)所示，白天出现谷风(风由山谷吹向山顶)，由于斜坡4接受太阳辐射多，空气增温多，与斜坡相同高度的山谷上空，由于离地面距离远，空气增温少，斜坡上的暖空气膨胀上升，在斜坡近地面形成低压，暖空气从斜坡流向山谷上空，山谷上空空气收缩下沉，在谷底近地面形成高压，谷底空气则沿斜坡向山顶补充，由此在斜坡与山谷之间形成谷风热气流，谷风热气流由山谷吹向山顶，沿集热风棚3进入太阳能烟囱1，提高入风温度，增大浮升力，从而提高了发电效率，同时由于太阳能热辐射作用，集热风棚3内热气流上升，太阳能烟囱1因为浮升力对气体产生抽吸作用，形成从棚入口至太阳能烟囱出口的气流定向运动，增加了发电潜力，热气流通过涡轮发电机组Ⅰ2产生电力，谷风的平均速度约为2～4m/s，有时甚至可达到7～10m/s，谷风提升了发电效率。同时由于蓄热层的存在，该装置在晚上仍可持续发电。

如图2(b)所示，晚上出现山风(风由山顶吹向山谷)，由于斜坡4降温快，与斜坡相同高度的山谷上方的空气降温慢，山顶的空气收缩下沉，在近地面形成高压，顺着斜坡流向山谷，山谷的空气被迫上升，并从上面向山顶上空流动，由于冷热分布不均产生冷的山风，风由山顶吹向山谷，形成与白天相反的热力环流，山风经集风棚8进入，进而进入排风短烟囱9，通过排风短烟囱9排出，带动山谷的涡轮发电机组Ⅱ6发电，从而使该装置在晚上也能保持较好的发电效率。排风短烟囱9仅用以排出集风棚8收集的山风，其功能不同于太阳能烟囱1的抽吸热气流和排风的双重功能。

综上，本发明与现有太阳能烟囱发电系统相比，增加了山底的风力发电装置，集热风棚只修建在山坡上部，集风棚修建在山坡下部，集热风棚与集风棚之间的山体不设置任何棚子，在山顶的太阳能烟囱热气流发电装置可在白天在利用太阳能辐射发电的基础上利用山体产生的谷风作用增加热量与流量，提高发电效率，同时晚上可利用山风进入集风棚，带动山底的风力涡轮发电机组发电，晚上也能保持较好的发电效率，具有发电效率高，适用性广等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，该发电系统包括太阳能热气流发电装置和冷风发电装置，其中：

所述太阳能热气流发电装置包括太阳能烟囱(1)、集热风棚(3)和涡轮发电机组Ⅰ(2)，所述太阳能烟囱(1)设置在山体的顶部；所述集热风棚(3)沿着所述山体的斜坡(4)设置在该斜坡(4)的上部，并与所述太阳能烟囱(1)相连；所述涡轮发电机组Ⅰ(2)设置在所述太阳能烟囱(1)与所述集热风棚(3)的交界处；

所述冷风发电装置包括排风短烟囱(9)、集风棚(8)和涡轮发电机组Ⅱ(6)，其中，所述排风短烟囱(9)设置在所述山体的底部，其与所述集风棚(8)相连；所述集风棚(8)沿着所述斜坡(4)的下部向上延伸，而所述斜坡(4)位于所述集风棚(8)与所述集热风棚(3)之间的部分则裸露在外，以此使得所述山体中的自然山谷风作为所述集风棚(8)与所述集热风棚(3)的入口风；所述涡轮发电机组Ⅱ(6)设置在所述排风短烟囱(9)与所述集风棚(8)的交界处；以此方式，利用太阳能辐射以及山体中的自然山谷风实现高效率持续发电。

2.如权利要求1所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，白天，所述斜坡(4)位于所述集热风棚(3)和集风棚(8)之间的部分吸收太阳辐射以形成谷风热气流，该谷风热气流沿着所述斜坡(4)进入集热风棚(3)中，以增加所述集热风棚(3)进风的热量和风量，进而实现太阳能热气流增效发电；晚上，所述斜坡(4)位于所述集热风棚(3)和集风棚(8)之间的部分快速冷却以形成山风，该山风沿着所述斜坡(4)进入所述集风棚(8)中，进而实现冷风发电。

3.如权利要求1或2所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述涡轮发电机组Ⅰ(2)设置在所述集热风棚(3)靠近所述太阳能烟囱(1)位置处，所述涡轮发电机组Ⅰ(2)中的涡轮为水平轴式。

4.如权利要求1或2所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述涡轮发电机组Ⅰ(2)设置在所述太阳能烟囱(1)靠近所述集热风棚(3)位置处，所述涡轮发电机组Ⅰ(2)中的涡轮为垂直轴式。

5.如权利要求1或2所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述涡轮发电机组Ⅱ(6)设置在所述集风棚(8)靠近所述排风短烟囱(9)位置处，所述涡轮发电机组Ⅱ(6)中的涡轮为水平轴式。

6.如权利要求1或2所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述涡轮发电机组Ⅱ(6)设置在所述排风短烟囱(9)靠近所述集风棚(8)位置处，所述涡轮发电机组Ⅱ(6)中的涡轮为垂直轴式。

7.如权利要求1或2所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述集热风棚(3)贴覆所述斜坡(4)的上部而建，所述集风棚(8)贴覆所述斜坡(4)的下部而建，所述集热风棚(3)与集风棚(8)之间有较长的裸露山体。

8.如权利要求7所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述集热风棚(3)的形状为矩形、梯形或局部圆锥形。

9.如权利要求8所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述太阳能热气流发电装置为多组，所述冷风发电装置为一组，其中，上述多组太阳能热气流发电装置分设在所述冷风发电装置的多个方向上，并且所述冷风发电装置上设置有多个与所述太阳能热气流发电装置中的集热风棚相对的集风棚。

10.如权利要求9所述的适用于山体的太阳能热气流冷风复合发电系统，其特征在于，所述集热风棚(3)内设有蓄热层(7)；所述集热风棚(3)的棚面形状为沿着所述斜坡(4)表面向上收缩的曲面或向上收缩的斜面或与所述斜坡(4)表面平行的平面；所述集风棚(8)的棚面形状为沿着所述斜坡(4)表面向下收缩的曲面或向下收缩的斜面或与所述斜坡(4)表面平行的平面。