CN106351794A - 高空风能综合利用工程构想 - Google Patents

Abstract

建造新型多功能高空风电场旨在以相对较低的投资，发展风能发电、净化空气环境。它主要由塔体1、进风层2、顶部多层平台3、风能发电机组4、水喷淋系统组成。风能发电机组4群吊挂在各层顶部多层平台3下。采用后置叶片轮加静压轴承相配合自动跟踪风向变化。以大大减轻多层平台3负重。进风层2依靠可转动的风板15将高空横向气流垂直引下，经水喷淋系统深度清洗后进入地面或借助地铁通道和隧道布向更广区域，净化人口密集区空气环境。对于经常发生沙发尘暴地区，本案可建成降低沙尘暴肆虐的屏障。为加快投入的产出，利用此宏伟工程可建设大型旅游设施。本案以风能发电+净化空气+旅游的开发模式，将有助于我国经济可持续快速发展。

Description

高空风能综合利用工程构想

技术领域

本发明涉及利用高空丰富的风能资源建造以超高风塔和高空平台为架构的大型风电场和空气净化为主的特大型工程，达到以相对较低投入建设大型风能电站和降低污浊气流对生态环境的危害；同时以综合利用的方法达到较短期回收投资的方案。它主要由塔体、风能发电机组、顶部多层平台、塔内喷水除尘系统、风管和控制系统等组成。众多中或小型风能发电机组分布在风塔顶部的多层平台上，由高空快速气流驱动；塔体上部是进风层，数百米高空横向风流经它时变为向下流动。风塔内设置的水喷淋系统再对引入气流降温使其密度增加而加快气流向下的流速。当引入塔内气流带有大量砂尘或雾霾时，经深度水喷淋后，气流成为净化气流。夏季净化气流的温度大大低于地面空气温，从而这部分气流将地面污浊空气吹散并置换，使这一区域空气得到净化。对于有地铁或隧道的城市，将净化气流借道地铁或隧道送至人口密集区将取得事半功倍的效果。当以此工程为主题开发新旅游中心，将大大增加此项目的经济效益。彻底改变风电经济效益低下甚至亏损的现象。

背景技术

1、煤电的应用对大气污染是众所周知的；核电的发展存在的隐患是令人担忧的；光伏发电和当前的风力发电虽是一种方向，但投入巨大，成本回收遥遥无期。发展一种较低投入高回报、真正无碳迹的供电系统是我国经济可持续高速发展的要求。

2、当前国内外对风电开发利用给予高度重视。它是一种取之不竭的绿色能源。但它仍存在初投资大，尤其必须安装在风能资源丰富的地区。这些地区往往远离主要用电区域，需要配置远程输配电设施。增加了系统运行和管理成本。因而经济效益常常成为风电技术的开发利用首要考虑的但较难实现的标的。这一技术的发展如走综合开发的道路就有可能大幅提高其经济效益。

本发明拟提出一个能在任何用电集中区建造的集中式大型多用途风电场，以提高其经济和社会效益。

3、大气污染严重危害了生态环境。如何降低雾霾和沙尘暴的肆虐，净化人们生存区的空气环境，是本案主旨之一。当前我国雾霾治理已引起普遍重视，采取许多有效措施并取得一定效果。但较好治理pm2.5对人体的危害是一个长期努力的目标。应采用更有效的技术措施，在大范围内主动降低雾霾带来的危害。

沙尘暴是我国北方地区常见的恶劣天气，治理沙尘暴天气除加强有关区域大力种植耐旱固沙的植被外，其他有效方法尚乏善可陈。

本发明拟提出一个除霾降尘的方案，为人们创造一个空气较洁净生存空间。

发明内容

本发明提出一个综合性项目，它具有风能发电、除雾霾、区域防尘等多项功能。主要由风塔、顶部多层平台、风能发电机组、位于塔体上部的水喷淋系统、送风系统以及配套的自动控制系统、给排水系统计组成。

风能发电是这样实现的：吊装在顶部多层平台上的风能发电机组在高空快速流动的气流驱动下实现发电。为尽量减少平台负重，所有发电机组是悬掛在每层平台的下方，并留有带叶片轮的发电机随风向而变的转动空间。为减少平台之间的间隔高度，不采用大功率机组。而采用大量中、小型机组均布在多层平台上，形成装机容量大的集中型风能发电场。整个电场的巨大负重由建在坚固基础上的塔体、支柱和架在它们上面的有拱型架的平台承载。

本方案的防雾霾和沙尘的功能是这样实现的的：在塔体顶部安装有进风层，多层的带自动进风板的园栅格进风口结构，能将任何方向的横向气流自动引入塔体并向下流动。炎热季节雾霾严重时，塔内上喷淋和下喷淋同时启用，对污染空气进行深度淋水清洗，温度较低的洁净空气从排风室排出后将形成贴地气流，有效吹散和置换人群密集区的污浊空气。为强化除雾霾效果，可利用夜间谷电，建造储冷系统，使从其中输出的喷淋水的温度更低，塔体内能处理更多气流。塔体排出温度更低、流量更大的气流，不仅其除雾霾的能力更大，而且也节省了能源。在寒冷季节，塔体内的上喷淋系统仃用，仅采用排风室内的下喷淋系统除雾霾和尘埃，这样，水温高于冷空气的喷淋过程也基本不会影响塔内气流向下的流动。

有些地区常年出现沙尘气候，严重損害人们正常的生态环境。对此，本案可设计为横挡在沙尘暴主气流方向上的屏风工程，当沙尘暴出现时，启动所有喷水系统，把沙尘暴灾害烈度大大降低。

巨大的工程设施，可建成多景观的旅游景区，从而大大增加本方案的经济效益。

可见本工程具有以下特点：

1、本发明使以较低投入的大风电场取代煤电和核电成为可能。发展一种较低投入高回报、真正无碳迹的供电系统是我国经济可持续高速发展的要求。

2、建造本系统的初投资相对较低：本风电场建造在人口和用电较集中区域，大量节省了输电系统的投入和运行费用；本方案采用悬挂式风力发电机组，使机组的架空重量大大降低，从而使高空安装集群风能发电机组成为可能，同时也较大降低了工程投入。

3、本系统的建造有望有效净化空气，为人们创造一个空气较洁净生存空间。特别是探索降低沙尘暴肆虐烈度的技术方案，可能产生较大的社会意义和经济效益。

4、综合利用的方案是摊薄成本的有效办法。本案采用发电+除尘+建立旅游区的构思无疑大大提高了项目的经济效益。本案的开发能形成新的产业链，可有效推动我国经济可持续发展

附图说明

图1是高空风能综合利用构想图。

图2风向控制系统示意图。

图3是高空风能综合利用塔体正视图。

图4是高空风能综合利用塔体侧视图。

具体实施方案

请参照图1，高空风能综合利用工程主要由塔体1、进风层2、顶部多层平台3、风能发电机组4、拱架5、大支柱7、地下风道13以及配套的给排水系统和自动控制系统等组成。承载大量风能发电机组4的顶部多层平台3靠塔体1、大支柱7、塔体1顶部的主支柱9支撑并依靠顶部多层平台3上部的拱架5和吊索6，形成整体承重巨大而又可靠的平台，建成集中式大型风能发电场。

根据地区电能需求，在顶部多层平台3上吊装相应数量风能发电机组4，为控制平台之间高差不会太大和出现大的集中负荷，不采用大型风能发电机组。这些风能发电机组集群在高空快速气流作用下投入发电运行。

请参照图2，本发明对风能发电机组4进行悬挂式安装，大大减轻了整套风能发电机组的总重。这对于架设在高空的构架和支撑来说至关重要。这将有效减少结构工程量和初投资。

机组通过液压系统形成的静压轴承和叶片轮后置法达到自动跟踪风向变化。所谓叶片轮后置法是指高空气流首先经过发电机再扫过叶片轮，气流对叶片推动所产生的巨大扭矩正好成为跟踪风向转动的动力，静压轴承的应用减少了大量总重很大的机械转动机构。从另一方面减轻了顶部多层平台3的负荷。

请参照图3和4，塔体1除了承载风能发电场巨大负荷外，另一重要功能是净化空气并向人口密集区输出。在塔体1上部建有进风层2，它由构架在园筒形塔体栅格形成的风口及和其相配的风板15组成。迎风面上的风板15在气流吹动下绕其上部铰接轴向内转动，打开了迎风面上的风板15，张开一定角度的风板15把气流引导向下。为加大引风量，在风板15外侧焊有翅板16，使不正对气流方向的风板15能有较大的开度。为防止在不稳定气流作用下风板15产生激烈振荡，每只风板15上装有限位阻尼器。在限位阻尼器作用下也使每一层风板15有一个最大开度，上层开度大，向下逐层减小，使气流引入顺畅。背风面的风板15在气流作用下紧贴风口，使气流不至漏失。当炎热季节出现雾霾天气时，塔体1内的上喷淋系统10和下喷淋系统14投用，温度较低的喷淋水不仅清洗了污浊空气，也使气流向下的流速大为加强，净化后的较冷气流从排风室18快速排出，这是一股贴地气流，吹散和置换了人口集中区的污浊空气。在寒冷季节，喷淋水温度大于气流温度，为不减少气流引下的流量停用上喷淋系统10，而仅对在排风室18横向流出的气流用下喷淋系统14进行净化。

本发明中提出一部分净化气流可通过地铁通道和隧道输送。可达到二大目的：一是把塔体出来的优质空气布送更广更远，二是把地铁通道内更为污浊气体排出。为保证输入地下通道内气流品质，地下风道13的进风口12应设置在气流携带水珠最少区域，甚至在其前方设置气水分离装置。

对于经常发生沙尘暴的地区。将此带状风能发电场横贯在沙尘暴主要流向上城市的上游，启动设置在顶部多层平台3下面的喷水冲沙系统，将大大降低沙尘暴的烈度。这一系统应配置大容量的雨水收储系统和多级大流量高扬程水泵的循环供水系统。

凭借如此宏伟工程，完全可建成大型旅游景区。形成发电+除霾降尘+旅游的开发模式，使巨大的初投资能在较短的时间内回收。形成我国经济可持续发展的新助力。

Claims (4)

1.高空风能综合利用工程构想其特征在于：它主要由塔体1、进风层2、顶部多层平台3、风能发电机组4、拱架5、大支柱7、地下风道14、水喷淋系统10和14以及配套的给排水系统和自动控制系统等组成。风能发电机组4群均匀吊挂在顶部多层平台3每层下方，配以后置式叶片轮和静压轴承等风向跟踪机构，以大大减轻顶部多层平台3的负重。长形顶部多层平台3靠塔体1、大支柱7、拱架5等构架。在塔体1上部为进风层2，其钢质园筒形栅格组成众多进风口，每只风口安装有可向内转动的风板15，它把横向气流垂直引下，经塔体1内水喷淋系统10和14深度清洗并经气水分离后，进入地面或借助地下通道，如地铁或隧道布送更远更广的人口密集区。对于经常发生沙尘暴地区，本案长形巨构可横架在沙尘暴主流方向上，其强大的高空水喷淋除尘功能形成处于下游的人口密集区保护屏障。为节约用水应设置大容量的雨水收储设施和多级大流量高扬程的循环供水系统。

由于本案建在用电集中地区域，大大减少了远程输配电设施投入。

本案巨大工程如配以精心打造的旅游配套设施，无疑会成为人们趋之若骛的游乐景区。这将大大缩短投资回收期。因而本案采用集中式高空风能发电+净化空气环境+旅游配套，不但产生巨大的社会效益，对我国经济可持续快速发展的作用也不容低估。

2.根据权利要求1，在进风层2上建有顶部多层平台3，风能发电机组吊装在每层平台下方。由于吊装杆将比支撑塔重量大为减少，这使在高平台上装置风能发电机组4集群成为可能。加之，本方案采用另一种不同于常规的叶轮后置法，使高空气流首先流经发电机再掠过风叶轮，这样气流对叶片的推力便会产生跟踪风向变化的扭矩来驱动吊装杆转动，使叶片始终正向面对气流。本案采用由液压系统构成的静压轴承方案代替常見的较笨重的机械调向装置。使整个系统不仅总重下降而且便于维修保养。

可在用电集中区域就地建造大型风电场，是本案突出优点，它不仅节省大量远程输配电设施的投资，而且便于维护管理，提高了安全系数。

3.根据权利要求1，塔体1内设置了上喷淋系统10、下喷淋系统14、塔内风能发电机11、地下风道13进风口和排风室18。上喷淋系统10设置在塔体1和进风层2之间，下喷淋系统14设置在排风室18内。在炎热季节，从进风层2引下的气流经上喷淋系统10和下喷淋系统14清洗后从排风室18和地下风道13排出。为保持空气净化效果，地下风道13的进风口12应设置在气流夾带水珠较少的区域，甚至进行气水分离后再进入进风口12。

为增加风能发电装机容量，在塔体1内可装置塔内风能发电机11。

4.根据权利要求1，在园筒形塔体1上部安装有进风层2。它依塔体1外壁构建了钢质栅格，形成多层进风栅格口，在栅格口内侧装有风板15，它铰接在栅格口上口沿的铰链轴上，可迎风向内转动并引导气流向下。而背风面的风板15紧贴栅格口，使进入塔体1内的气流不会大量漏出。为保证不正对风向的风板15有一定开度，在风板15外侧面焊有翅板16。在风板15上还装有阻尼器17，一是防止风板15在不稳定气流作用下产生剧烈的振荡；二是定位风板15的开度，在上层的开度应大，逐层减小，使各层流入的气流相互干扰减少，流动顺畅。