CN109611296A - 一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于，包括地热循环系统、太阳能烟囱发电系统和水力发电系统，所述地热循环系统包括地热井、由进水管、回水管和螺旋盘管组成的封闭管道结构；所述太阳能烟囱发电系统包括水池、位于水池正上方设置的集热棚、风力涡轮发电机组和烟囱；所述水力发电系统包括位于烟囱上部的冷凝器，与冷凝器出口连接的进水口、位于烟囱外部的水通道、水力涡轮发电机组和出水口。该系统不仅有效地解决了太阳能热气流电站运行的连续性和稳定性问题，而且在烟囱内部部分复制自然暖湿对流过程，利用烟囱对湿热空气进行冷凝产水并发电，使得该系统具有发电与产水的双重功能。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，具体涉及一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统。
背景技术
能源资源短缺是我国乃至全世界都面临的问题。常规化石能源的日益枯竭和环境问题的日益严重，使得人们将目光投向了无污染、可再生的能源。可再生能源中的太阳能、风能和地热能就在新能源领域扮演着重要的角色，发挥着积极、重要的作用。
太阳能烟囱发电技术在上个世纪70年代末由德国斯图加特大学的Schlaich提出，经过三十多年的发展，形成了一定的技术基础。太阳能烟囱发电系统也被称作太阳能上升气流塔，是一种通过太阳辐射能发电的可再生能源发电站。一般来说，系统主要由四部分组成：烟囱、太阳能集热棚、蓄热层和电能转换单元(透平发电机组)。集热棚的主要作用是收集太阳辐射以加热内部的空气，当系统内部的空气密度小于同一高度处的环境空气密度，系统中便会产生受浮力引发的自然对流作用。积累的浮力使得系统和环境之间存在较大的压差，而集热棚中间烟囱的存在，使得被加热的空气可以高速上升到烟囱中。透平机发电机组设置在烟囱的底部或者在集热棚的出口处(这里存在较大的压降)，空气的势能以及热能可以被转换成动能并最终转换成电能。我国的太阳能资源丰富，全国总面积2/3以上地区年平均日照时数都超过2000h，年辐射总量达1500-1800kWh/m2，为充分发展太阳能技术提供了有利条件。尽管太阳能烟囱发电技术具有设计简单、取材方便、发电成本较低以及无环境污染等优点，但是太阳能烟囱电站容易受到天气变化以及昼夜更替等情况的制约，运行不稳定，连续性差，难以实现并网发电。
我国地热资源丰富，对其合理开发利用是解决我国能源危机的一个有效途径。但适合用于发电的高温地热资源仅分布在四川西部、西藏南部、云南西部及台湾地区，中低温地热资源则在我国广泛分布，仅中东部沉积盆地中就探明地下热水资源491.7亿立方米，它们蕴含的能量相当于18.54亿吨标准煤。地热一般分为低温地热(60～100℃)、中温地热(100～150℃)和高温地热(150℃以上)。由于地热的温度通常都小于250℃，因此它属于低品位能源。但是如果直接利用地热资源发电，需要不断抽取和回灌地热资源，这会破坏所在区域的地热资源分布、地质结构以及生态环境。
另外，淡水是人类社会赖以生存的重要资源,然而,我国淡水资源存在总量多,人均量少、地区分布不均、淡水资源污染严重等问题。水资源短缺不仅制约着工农业生产的发展，而且严重地影响着人们生活水平和质量的提高。在我国发展海水淡化产业具有重要的战略意义和现实意义，既是缓解水资源短缺形势的重要措施之一，也是战略性新兴产业的重要内容，是发展海洋经济的重要组成部分。
发明内容
针对现有太阳能烟囱电站容易受到天气变化以及昼夜更替等情况的制约，运行不稳定，连续性差，难以实现并网发电的问题，本发明的目的在于提供一种利用太阳能和地热能互补的热气流发电系统，该系统充分利用太阳能资源和地热能资源互补发电，在长时间连续阴雨天气及夜晚都可以连续稳定运行。另外，对集热棚内的空气加热加湿，在烟囱内部部分复制自然暖湿对流过程，利用烟囱对湿热空气进行冷凝产水并发电，从而提高太阳能烟囱系统的整体性能。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：包括地热循环系统、太阳能烟囱发电系统和水力发电系统，所述地热循环系统包括由进水管、回水管和螺旋盘管组成的封闭管道结构，其中进水管和回水管设置在地热井内形成U型管结构，进水管和回水管分别与设置在地面水池内液态中的螺旋盘管进出口连接，管道回路上设有循环泵和调节阀，循环泵用于提高管内循环动力，调节阀控制管内水的流向和流量；基于热传导原理，利用地热能对进水管内导热介质(水)进行加热后，传输到螺旋盘管内对水池中液体进行加热；
所述太阳能烟囱发电系统包括水池、位于水池正上方设置的集热棚、风力涡轮发电机组和烟囱，集热棚中部开口与烟囱底部连接，连接处光滑过渡，以减小热气流的流动阻力；风力涡轮发电机组位于烟囱底部；
所述水力发电系统包括位于烟囱上部的冷凝器，与冷凝器出口连接的进水口、位于烟囱外部的水通道、水力涡轮发电机组和出水口。
所述集热棚的棚顶从边缘到中心向上倾斜，其材料采用透光材料，用于采集太阳能。
所述水池内液体为海水或所含污染物为非挥发性物质的工业废水，水池底部涂为黑色，以保证最大化的吸收太阳辐射。
所述烟囱的外壁面为绝热烟囱壁，内表面为光滑内壁，以使太阳能烟囱内壁的摩擦阻力最小。
所述冷凝器为具有固体多孔表面的冷凝器，安装在烟囱内部水汽凝结高度以上位置，用于冷凝湿热空气。
所述水通道为承压水管且内表面为光滑内壁，以保证水通道稳定工作，并最大化减小淡水下流过程中的能量损失。
所述出水口进一步与外接水处理结构连接，方便对收集的水进行进一步处理，得到能被人类直接利用的水资源。
太阳能与地热能的互补充分体现在：当太阳辐射大，依靠单一的太阳能，风力涡轮发电机组的输出功率可以满足用电需求时，则仅依靠太阳能发电；当天气不好，辐射不够大或单一太阳能加热不能满足用电需求或遭遇长时间连续阴雨天气或夜晚时，地热能先加热集热棚内的螺旋盘管内的水，之后螺旋盘与水池中的海水进行换热，加热棚内空气，保证电站正常运行。此外，水池的存在，进一步提高了电站的运行能力，为电站并网运行提供了保障。
本发明系统的工作原理为：利用太阳能和地热能加热水池中的海水，同时，集热棚与水池液体之间的空气也被加热，此时集热棚内空气温度升高，密度小于同一高度处的环境空气密度，系统中便会产生受浮力引发的自然对流作用。此时，空气流穿过温暖的水池表面，达到增湿增热的效果。而集热棚中间烟囱的存在，使得被加热的湿空气可以沿着烟囱高速上升，又促进集热棚周围的冷空气进入集热棚内，从而形成空气连续流动，在这股强大的气流推动下，安装在烟囱底部的风力涡轮发电机组就会工作，湿热空气的势能以及热能可以被转换成动能并最终转换成电能。之后，湿热空气在烟囱内部绝热上升时，会因气压的减少而体积膨胀，用内能反抗外力，即在上升的过程中温度会不断下降，表现为环境递减率，而湿热空气的相对湿度不断增加。由于湿热空气中的含水量保持恒定，因此饱和蒸气压随着温度降低而下降。当湿热空气上升超过抬升凝结高度，那么湿热空气中的水蒸气将开始冷凝，形成水滴。在冷凝过程中，释放的水蒸气潜热将加热向上流动的湿热空气并导致密度降低，这又增加系统的浮力并最终加速空气流动。使得烟囱底部的风力涡轮发电机组效率大大提高，烟囱内湿热空气的冷凝以及潜热的释放也将变得更有效。在烟囱内部，具有固体多孔表面的冷凝器安装在凝结高度以上的位置。因此，湿热空气冷凝的液态水滴可以粘附在这些固体表面上，这些聚集的液态水滴形成水流，从进水口进入水通道。在重力的作用下，推动设置在底部的水力涡轮发电机组将能量转换成电能，从而有助于提高系统的太阳能总利用效率。
本发明具有如下优点：
(1)克服了太阳能烟囱发电站电力输出不稳定现象，提高了电站的运行能力。该系统在连续阴雨天气时，单独依靠地热加热系统亦可发电，不会出现因为无太阳辐射而出现停机现象，为电站并网发电提供保障；
(2)地热水与地层无直接接触，因此，不存在地热水损失，不污染地层；
(3)该系统可用于海水淡化或所含污染物为非挥发性物质的工业废水的处理，具有产水和发电的双重功能。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明系统原理图；
其中：1-地热井，2-进水管，3-回水管，4-循环泵，5-调节阀，6-螺旋盘管，7-水池，8-集热棚，9-风力涡轮发电机组，10-烟囱，11-冷凝高度，12-冷凝器，13-进水口，14-水通道，15-水力涡轮发电机组，16-出水口。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，如图1-2所示，一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，包括地热循环系统、太阳能烟囱发电系统和水力发电系统，其中：
地热循环系统包括由进水管2、回水管3和螺旋盘管6组成的封闭管道结构，其中进水管2和回水管3设置在地热井1内形成U型管结构，进水管和回水管分别与设置在地面水池7内液态中的螺旋盘管6进出口连接，管道回路上设有循环泵4和调节阀5，循环泵4和调节阀5分别通过电路或信号无线传播系统与位于水池外部的控制系统连接，循环泵4用于提高管内循环动力，调节阀5控制管内水的流向和流量；基于热传导原理，利用地热能对进水管内导热介质(水)进行加热后，传输到螺旋盘管6内对水池中液体进行加热，。
太阳能烟囱发电系统包括水池7、位于水池正上方设置的集热棚8、风力涡轮发电机组9和烟囱10，集热棚8中部开口与烟囱10底部连接，连接处光滑过渡，以减小热气流的流动阻力；水池内液体为海水或所含污染物为非挥发性物质的工业废水，水池底部涂为黑色，以保证最大化的吸收太阳辐射；集热棚8的棚顶从边缘到中心向上倾斜，其材料采用透光材料，用于采集太阳能；风力涡轮发电机组9位于烟囱10底部；烟囱10的外壁面为绝热烟囱壁，内表面为光滑内壁，以使太阳能烟囱内壁的摩擦阻力最小。
水力发电系统包括位于烟囱上部的冷凝器12，与冷凝器出口连接的进水口13、位于烟囱外部的水通道14、水力涡轮发电机组15和出水口16，冷凝器12为具有固体多孔表面的冷凝器，安装在烟囱内部水汽凝结高度11以上位置，用于冷凝湿热空气；水通道14为承压水管且内表面为光滑内壁，以保证水通道稳定工作，并最大化减小淡水下流过程中的能量损失。出水口16进一步与外接水处理结构连接，方便对收集的水进行进一步处理，得到能被人类直接利用的水资源。
风力涡轮发电机组9和水力涡轮发电机组15分别通过电路与外接电源传输设备连接，将系统所发电能投入应用。
太阳能与地热能的互补充分体现在：当太阳辐射大，依靠单一的太阳能，风力涡轮发电机组9的输出功率可以满足用电需求时，则仅依靠太阳能发电；当天气不好，辐射不够大或单一太阳能加热不能满足用电需求或遭遇长时间连续阴雨天气或夜晚时，地热能先加热集热棚8内的螺旋盘管散热器6内的水，之后螺旋盘管散热器6与水池中的海水进行换热，加热棚内空气，保证电站正常运行。此外，水池7的存在，进一步提高了电站的运行能力，为电站并网运行提供了保障。
工作原理：利用太阳能和地热能加热水池中的海水，同时，集热棚8与水池7液体之间的空气也被加热，此时集热棚8内空气温度升高，密度小于同一高度处的环境空气密度，系统中便会产生受浮力引发的自然对流作用。此时，空气流穿过温暖的水池表面，达到增湿增热的效果。而集热棚8中间烟囱10的存在，使得被加热的湿空气可以沿着烟囱高速上升，又促进集热棚8周围的冷空气进入集热棚内，从而形成空气连续流动，在这股强大的气流推动下，安装在烟囱底部的风力涡轮发电机组9就会工作，湿热空气的势能以及热能可以被转换成动能并最终转换成电能。之后，湿热空气在烟囱10内部绝热上升时，会因气压的减少而体积膨胀，用内能反抗外力，即在上升的过程中温度会不断下降，表现为环境递减率，而湿热空气的相对湿度不断增加。由于湿热空气中的含水量保持恒定，因此饱和蒸气压随着温度降低而下降。当湿热空气上升超过抬升凝结高度11，那么湿热空气中的水蒸气将开始冷凝，形成水滴。在冷凝过程中，释放的水蒸气潜热将加热向上流动的湿热空气并导致密度降低，这又增加系统的浮力并最终加速空气流动。使得烟囱底部的风力涡轮发电机组9效率大大提高，烟囱内湿热空气的冷凝以及潜热的释放也将变得更有效。在烟囱10内部，具有固体多孔表面的冷凝器12安装在凝结高度11以上的位置。因此，湿热空气冷凝的液态水滴可以粘附在这些固体表面上，这些聚集的液态水滴形成水流，从进水口13进入水通道14。在重力的作用下，推动设置在底部的水力涡轮发电机组15将能量转换成电能，从而有助于提高系统的太阳能总利用效率。
实施例1：在白天天气条件好，太阳辐射大，单一的太阳能加热模式能满足用户对电力的需求时，仅依靠太阳能发电。阳光透过集热棚8加热水池中的海水，同时集热棚8内的空气也被加热，空气流温度升高；在烟囱10的抽吸作用下，空气流穿过温暖的水池表面，达到增湿增热的效果；进入烟囱10，带动位于烟囱底部的风力涡轮发电机组发电9；之后，湿热空气在烟囱10内绝热上升，在达到凝结高度11后，饱和的湿热空气冷凝，产生大量淡水；最后，在重力势能的作用下，沿着水通道14流下，推动水力涡轮发电机组15工作发电。
实施例2：在天气条件不好，太阳辐射不够大，或者单一太阳能加热发电无法满足用电需求或者夜晚时，开启循环泵4和调节阀5，利用地热能加热螺旋盘管散热器6内的水，集热棚8内的空气在太阳和螺旋盘管散热器6的共同作用下，温度升高；在烟囱10的抽吸作用下，空气流穿过温暖的水池表面，达到增湿增热的效果；进入烟囱10，带动位于烟囱10底部的风力涡轮发电机组9发电；之后，湿热空气在烟囱10内绝热上升，在达到凝结高度11后，饱和的湿热空气冷凝，产生大量淡水；最后，在重力势能的作用下，沿着水通道14流下，推动水力涡轮发电机组15工作发电。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (7)
1.一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：包括地热循环系统、太阳能烟囱发电系统和水力发电系统，所述地热循环系统包括由进水管、回水管和螺旋盘管组成的封闭管道结构，其中进水管和回水管设置在地热井内形成U型管结构，进水管和回水管分别与设置在地面水池内液态中的螺旋盘管进出口连接，管道回路上设有循环泵和调节阀，循环泵用于提高管内循环动力，调节阀控制管内水的流向和流量；
所述太阳能烟囱发电系统包括水池、位于水池正上方设置的集热棚、风力涡轮发电机组和烟囱，集热棚中部开口与烟囱底部连接，连接处光滑过渡，以减小热气流的流动阻力；风力涡轮发电机组位于烟囱底部；
所述水力发电系统包括位于烟囱上部的冷凝器，与冷凝器出口连接的进水口、位于烟囱外部的水通道、水力涡轮发电机组和出水口。
2.如权利要求1所述的一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：所述集热棚的棚顶从边缘到中心向上倾斜，其材料采用透光材料，用于采集太阳能。
3.如权利要求1所述的一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：所述水池内液体为海水或所含污染物为非挥发性物质的工业废水，水池底部涂为黑色。
4.如权利要求1所述的一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：所述烟囱的外壁面为绝热烟囱壁，内表面为光滑内壁。
5.如权利要求1所述的一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：所述冷凝器为具有固体多孔表面的冷凝器，安装在烟囱内部水汽凝结高度以上位置，用于冷凝湿热空气。
6.如权利要求1所述的一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：所述水通道为承压水管且内表面为光滑内壁，以保证水通道稳定工作，并最大化减小淡水下流过程中的能量损失。
7.如权利要求1所述的一种利用太阳能和地热能进行发电和产水的系统，其特征在于：所述出水口进一步与外接水处理结构连接，方便对收集的水进行进一步处理。
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