CN1257160A - 人造龙卷风发电系统 - Google Patents

Abstract

一种人造龙卷风发电系统,包括中空的柱形风塔、涡轮机、发电机,在风塔下部沿周向布置多个喷热孔和喷射机;在风塔下部设有与喷热孔隔开布置的斜向进气口,从每个斜向进气口向塔外斜向伸出一个进气管(用于使空气流高速进入风塔内部自然快速旋转形成龙卷风),所说涡轮机多个置于斜向进气管中,在每个斜向进气管外设有相连的多个预备进气管,所述喷热孔和喷射机可以由设置于风塔内底部的电阻丝替代,可高效利用各种热能,无污染、可再生、大大降低发电成本。

Description

人造龙卷风发电系统

本发明涉及一种人造龙卷风发电系统，更确切地说，涉及一种利用热力形成的冷热空气之间的温差和对流进行风力发电的人造龙卷风发电系统。

目前，进行大规模发电所用的方法主要有火力发电、水力发电和核电，其缺点是成本高，效率低，对环境污染严重。而进行小规模发电所用的方法主要有太阳能发电、风力发电、潮汐发电和地热发电，其所存在的问题是其发电量小且又不稳定，无法满足对发电量日益增长的需要。

中国天津市《科学与生活》编辑部编辑，天津科学技术出版社出版的《科学与生活》杂志1987年7月15日第4期第51页(作者：魏敏捷)报道了一种由严隽森博士设计制造的龙卷风机模型(利用自然风)。其原理是这种塔型建筑的四周全是由条板间隔成方格的小窗，朝风的小窗开着，背风的小窗关着。风吹进塔后开始旋转，形成小龙卷风。小龙卷下面即塔底部装有一个螺旋风动叶轮，龙卷将下方的空气吸入塔中时便转动风动叶轮，使发电机转动发电。这样的龙卷风机比装有同样大小风动叶轮的风车，功率要高10倍。而另一科学家则提出太阳能龙卷风发电站的设想。其原理相当简单：铺设一个大面积的，完全透明的圆形塑料薄膜顶棚，塑料棚由四周向中心逐渐升高，连接着中心的烟筒状高塔，被阳光晒热到20～50℃的塑料棚与地面间的空气流向筒状高塔，再沿高塔上升，带动塔中的风动叶轮。即使外界无风，高塔内的气流速度也能达到每秒60米，即龙卷风速。这种电站的功率可达到70万至100万千瓦。

这两种龙卷风发电塔的缺点在于其只能在风和阳光充足的地区兴建，而且受地形和气候的影响，时有时无，很不稳定，严重影响正常发电，且不易控制。

本发明的目的在于提供一种人造龙卷风发电系统，是一种高效地利用高低温热能，使静止的空气自然在风塔内旋转，产生强大稳定、可控制的人造龙卷风，使其发电成本大大降低，装机容量可根据需要进行选择。

根据本发明的第一方面，本发明的人造龙卷风发电系统包括：

风塔，其为中空的柱形，用于形成低压空间；

涡轮机；

位于所述风塔外部并与所述涡轮机同轴相连的发电机；

在所述风塔下部沿周向设有一个或多个喷热孔；在风塔外面设置一个或多个与所述喷热孔相对应的喷射机，用于通过所述喷热孔向所述风塔或进气管内部喷射火焰、热气或热水；在所述风塔下部设有一个或多个与所述喷热孔隔开布置的斜向进气口；从所述的每个斜向进气口向塔外斜向伸出一个进气管，用于使空气流高速通过斜向进气管从相连的斜向进气口处斜向进入所述的风塔内部自然快速旋转形成龙卷风，所述的每个斜向进气管包括一个或多个扩张式喷咀和一个或多个直管，所述涡轮机一个或多个置于所述的一个或多个直管内，在所述的每个斜向进气管外设有一个或多个相连的预备进气管。

根据本发明的第二方面，本发明的人造龙卷风发电系统包括：

风塔，其为中空的柱形，用于形成低压空间；

涡轮机；

位于所述风塔外部并与所述涡轮机同轴相连的发电机；

在所述风塔内部或内部空间的底部设置有电阻丝，所述电阻丝的两端与市电相连，以利用所述电阻丝放出的热量来加热风塔内部的空气，在所述风塔下部设有一个或多个斜向进气口；从每个所述斜向进气口向塔外斜向伸出一个进气管，用于使空气流高速通过斜向进气管从相连的斜向进气口处斜向进入所述的风塔内部自然快速旋转形成龙卷风，所述的每个斜向进气管包括一个或多个扩张式喷咀和一个或多个直管，所述涡轮机一个或多个置于所述的一个或多个直管内，在所述的每个斜向进气管外设有一个或多个相连的预备进气管。

下面参照附图详细介绍本发明的优选实施例。

附图概述

图1为本发明的人造龙卷风发电系统的第一优选实施例的纵向剖面图。

图2为本发明的人造龙卷风发电系统的第一优选实施例的俯视图。

图3为本发明的人造龙卷风发电系统的第二优选实施例的纵向剖面图。

图4为本发明的人造龙卷风发电系统的第二优选实施例的俯视图。

本发明的最佳实施方式

众所周知，气体总是从高压空间流向低压空间，从低压空间流向真空空间。而当气体从高压空间流向低压空间或从低压空间流向真空空间时，其气压差越大，气体流动的速度也越快，使得气体流动的动力也就越大。此外，在气体流量相同的情况下，其所穿过的管道的气流通道的截面积越小，气体的流速越快。在气体斜向流入圆筒状的风塔内旋转达到一定的速度时，必然会形成龙卷风，并产生极其强大的卷吸引力。在气体流量相同的情况下，风塔越高大，风塔内外的气压差越大，节能的效果就越佳，则是一个节能装置。风塔越矮小，风塔内外的气压差就越小，就越耗能，则是一个耗能装置。

目前的火力发电系统正是利用以上原理进行发电的。以12.5万千瓦的汽轮发电机组的工作为例：它是利用燃料将水在高压锅炉里变成高温高压的蒸汽，通过与高压锅炉连通的两根内径为0.5米粗的金属管道将蒸汽引出并利用扩张式喷咀加压增速将动能为600～700米/秒，蒸汽流量为400吨/时的蒸汽连续冲击汽轮机，使之快速转动并带动12.5万千瓦的发电机连续发电的。

本发明的人造龙卷风发电系统的原理与之相似。图1为本发明的人造龙卷风发电系统的一个优选实施例的纵向剖面图。图2为本发明的人造龙卷风发电系统的所述优选实施例的俯视图。从图中可以看出，本发明的人造龙卷风发电系统包括：风塔1，其为中空的圆柱形，用于形成低压空间，该风塔的底部直径可以大于或等于其顶部直径，在风塔1的下部设有10个贯穿风塔壁的喷热孔12，在风塔外面设置10个与每个喷热孔相对应的喷射机18，用于通过喷热孔12向风塔1内部喷射火焰、热气或热水，在风塔1下部还设有10个与喷热孔12隔开布置的进气口2，从每个进气口2向外部斜向伸出一个进气管5，在进气管5中设置一个或多个涡轮机4，每个涡轮机4与位于进气管外的发电机15同轴相连。每个斜向进气管5与位于每个斜向进气管5外的预备进气管13相连，每个预备进气管13内设有闸门16。

本发明的人造龙卷风发电系统的运行原理介绍如下：利用设置在风塔外的燃料库的气体或液体燃料，如氢气、天燃气、煤气、液化气、石油类以及其它燃料或因地制宜地利用地热气、地热水、水蒸气、工业排放的废热水、废热气(余热)，利用电能或太阳能获得的热空气、热水以及其它可利用的高低温热能注入设置在风塔外的热气灌、热水灌或热水池内，用泵将燃料、热气或热水通过管道输送至喷射机18，用喷射机18将火焰、热气或热水通过喷热孔12喷入风塔内，使其放出的热量将风塔1内部较下部的空气加热，使加热后的空气从风塔1下部向上部流动形成热风，并且使得风塔1内部的气压降低从而在风塔内部形成低压空间，同时使风塔1内部与外部的空气之间形成一定的温差和对流，从而使气压较高的风塔1外部的未加热的空气通过斜向进气管5流向风塔1内部，在进气管5内形成冷风。

风塔1内的热风通过风塔1顶部的热风口。被连续排入大气中，而风塔1外部的冷空气通过斜向进气管5被连续注入风塔1内旋转，当旋转达到一定速度时，形成龙卷风，从而使进气管5内形成具有龙卷风流速的气流，就能推动位于进气管5内的大型涡轮机4以一定的速度旋转，从而带动与之同轴相连的大功率发电机15发电。

只要根据需要适当设定风塔1的高度和直径以及斜向进气管5的直径，并适当控制喷射机18喷入的热量的多少，就能控制进气管5内气流的速度，从而控制涡轮发电机15的发电量。

在本发明的这一实施例的人造龙卷风发电系统还可以包括：设置于进气管5中并位于涡轮机4的靠近进气口2一测的活动闸门10。在本发明的第一实施例中，如图1和图2所示，活动闸门10设置于斜向进气管5中，并位于涡轮机4远离扩张式喷咀的一侧，当需要对涡轮机4或发电机15进行检修或维修时，可将该活动闸门10关上，同时开启预备进气管13两侧的闸门16以保证工作人员的安全并且不影响其它涡轮机和发电机的正常运行。

在本发明的这一实施例的人造龙卷风发电系统还可以包括：与各个进气管5对应连通的安全管3，其第一端与进气管5相连，第二端朝向正上方或斜上方，其长度和方向足以保证在第二端附近的人或动物的安全。在安全管3的第二端的端口处设置一个过滤器8，用于滤除空气中的异物，以保证通过涡轮机4的气流的洁净。在安全管3的第一端与进气管5相对的一侧，可以设有开孔9，用于排出因下雨而注入安全管3内的水。

如图2所示，本实施例的人造龙卷风发电系统斜向的进气管5，可分为扩张式喷咀6a和直管6b，扩张式喷咀6a从进气管5与安全管3相连的一端至进气管5中靠近涡轮机4处，为扩张喷咀式结构，即其气流通道的截面积随远离安全管3而逐渐缩小，直管6b从进气管5中涡轮机4处靠近安全管3一侧至闸门10，沿其整个长度均为直管式结构，并且其气流通道的截面积大于扩张式喷咀6a的与直管6b连接处的气流通道的截面积。涡轮机4置于直管6b中，并靠近与扩张式喷咀6a的连接处。本发明人造龙卷风发电系统的斜向进气管5可根据实际需要设置于地平面上，也可设置于地平面以下或部分设置于地平面以下。

按如此结构设置的本发明的人造龙卷风发电系统，可根据所需发电容量的大小和投入资金的多少按不同的规模建造。下面介绍的是实施本发明的一个具体例子。

风塔1为中空圆筒状体结构，高为600米，底部直径为60米，顶部直径为55～60米，风塔1的底部壁厚可为1至2米，最好为1.5米，其顶部壁厚可为0.4米～0.6米，最好为0.5米。在风塔底部地平面以下沿周向等距离设置10个斜向门状进气口2，其每个高为5米，宽为3米，斜向进气口2的顶部低于地平面3米。斜向进气口2设计为门状的目的在于保证风塔底部的坚固性。与每个斜向进气口2对应设置一个斜向进气管5，在斜向进气管5内设置一台或间隔一定距离设置多台涡轮机4，每个涡轮机4与位于进气管5外的发电机15同轴相连，安全管3的内径为26米，壁厚为0.5米，位于地平面之下的部分的深度为8米。

当喷入风塔内部空间下部的火焰，热气或热水放出的热量达到61，338千卡/秒时，可将风塔内的空气持续加热，使风塔内外的温差达到7℃，高出风塔外空气7℃的热空气在600米高的风塔内的上升速度可达10米/秒，时速36公里/时，相当于5级劲风，塔内热空气的上升流量为28260米³/秒(空气的热膨胀不计)。同时从风塔外流经斜向进气管5进入风塔内的冷空气流量也为28260米³/秒，其在进气管5第一端口处的气流速度为20.16公里/时，相当于4级风。当如此风速的空气流通过进气管5的扩张喷咀式结构时(每个扩张式喷咀6a入口处的气流通道的截面积为20平方米，共10个扩张式喷咀)，产生“狭管”效应，使流经扩张式喷咀6a入口处的流速是风塔内热空气上升速度的14倍，可达140米/秒。又由于扩张式喷咀6a的内径逐渐缩小。因此，空气流在越来越窄的通道内的流速越来越快，当流经扩张式喷咀6a与直管6b的连接处的小口径(每个小口径处的气流通道的截面积为4平方米，共10个)时，其流速是风塔内部热空气上升速度的70，65倍，为706,5米/秒，从而在1秒长的时间内使重量为3654公斤，流量为2826米³/秒的冷空气高速通过小口径端处并喷入直管6b，当高速空气流斜向进入圆筒状风塔内时自然快速旋转，形成龙卷风，产生极其强大的卷吸引力，可使每个斜向进气管5内快速流动的冷空气流更进一步的加速，使位于直管6b中的多个涡轮机4高速旋转，可驱动20台60万千瓦的涡轮发电机组运行发电。(根据空气动力学家严隽森博士设计制造的龙卷风机模型试验，龙卷风发电比传统同样大小风动叶轮的风车功率要高10倍)

本发明的人造龙卷风发电系统还可以包括设置在一个或多个进气管靠近风塔侧的喷水孔11以及位于风塔之外的高压喷水枪(未示出)，当利用喷射机18将大量火焰、热水或热气向风塔内的空间下部喷射，使风塔内的空气被加热而上升，引起风塔外的冷空气通过进气管5高速进入风塔内部时，利用高压喷水枪将水经过喷水孔11成集束状高速喷向进气管5内，喷入进气管5内的高压水柱与经进气管5高速通过的空气流发生极强烈的磨擦，从而释放出强大的能量，使水分子中的氢原子和氧原子分离而产生氢气和氧气，并产生大量的电荷，在电荷的作用下，氢气和氧气的混合气体迅速燃烧，燃烧产生的大量热量随同高速流动的空气流被送到风塔内部，从而增大了送入风塔内部的热量，当风塔内外的温差达到7℃并稳定运行一段时间后，可部分或全部停止向风塔内部喷射火焰、热气或热水。在高压喷水枪的喷水速度和喷水量适当的情况下，即使全部停止向风塔内部喷射火焰、热气或热水，也能维持加热风塔内部空气所需的热量，从而维持进气管内的气流速度在一定水平上。通过调节高压喷水枪的喷水量和喷水速度可以调节进气管内的气流速度进而达到调节发电量的目的。

下面对本发明的第二实施例进行介绍。为简单起见，仅对第二实施例中与第一实施例不同的部分进行介绍，与第一实施例相同的部分不再赘述。

图3示出了本发明的人造龙卷风发电系统的第二优选实施例的纵向剖面图。图4示出了本发明的人造龙卷风发电系统的第二优选实施例的俯视图。从图3和图4可以看出，本发明第二实施例的人造龙卷风发电系统与第一实施例的不同之处仅在于，在风塔内部或内部空间的底部设置有电阻丝7，电阻丝7的两端可以经过开关与市电相连，用来利用通电后的电阻丝放出的热量加热风塔内部的空气。因此，不再需要第一实施例中所采用的喷热孔、喷射机、喷水孔和高压喷水枪。

电阻丝7可以布置为螺旋盘簧状或网状，只要通电后其放出的热量足以将风塔内部的空气加热至所需温度即可。

以上以实施例的方式对本发明的人造龙卷风发电系统进行了介绍，但本发明并不限于实施例中所介绍的方式，例如本发明的人造龙卷风发电系统的风塔的高度和直径并不局限于上述数据，风塔的高度可根据实际需要设计为800米、1000米、1200米或其以上等，也可设计为500米、300米、100米或其以下等，只要对其直径和厚度以及进气管(或预备进气管)的设计进行相应的改变即可，不过风塔越高大，塔内外的气压差就越大，节能的效果就越佳。则是个节能装置。风塔如果越矮小，塔内外的气压差就越小，就越耗能，则是一个耗能装置。

风塔内外气流的温差也不局限于7℃，该值可根据所需发电量的大小及热源情况进行设定，不过温差值越大，进气管内气流的速度越快，则涡轮发电机发出的电量越多，反之，涡轮发电机发出的电量越少。

进气管内的气流通道也可以采用其它形状，只要其作用在于控制通过其中的气流速度的方案均落入本发明的保护范围之内。

根据本发明的人造龙卷风发电系统所采用的喷射机的数量也可以是少于喷热孔数量的一个或多个，在此种情况下，可将喷射机喷出的热量通过从喷射机通向各个喷热孔的喷热管喷入风塔内。

工业应用性

由于本发明的人造龙卷风发电系统充分利用了“杠杆”原理。风塔越高大(动力臂越长)塔内外的气压差越大，就越省燃料，风塔越矮小(动力臂越短)塔内外的气压差越小，就越耗燃料。以及在斜向进气管的设计上采用了扩张喷咀的加压增速。再加上吸尘器原理的龙卷风增速。高效地利用了高低温热能，其风力强大稳定并可控制，适宜于各种容量的发电系统。此外，本发明的人造龙卷风发电系统所用的热源基本不受限制，从而可充分利用工业废热以及其它高低温热能来发电。

本发明的人造龙卷风发电系统与现有发电技术相比：无污染、利用空气发电不会枯竭，任何时候都能正常发电，凡是有空气的地方都可选址建站发电，投资少、周期短、占地面积少、从而使发电成本大大降低，更为重要的是与现有技术相比在装机容量相同的情况下，可大大减小发电站的规模，使其适用的地域范围更为广泛。

Claims (8)

1、一种人造龙卷风发电系统，包括：

风塔(1)，其为中空的柱形，用于形成低压空间；

涡轮机(4)；

位于所述风塔(1)外部并与所述涡轮机(4)同轴相连的发电机(15)；

在所述风塔(1)下部沿周向设有一个或多个喷热孔(12)；在风塔(1)外面设置一个或多个与所述喷热孔(12)相对应的喷射机(18)，用于通过所述喷热孔(12)向所述风塔(1)内部或斜向进气管内部喷射火焰、热气或热水；

其特征在于，在所述风塔(1)下部设有一个或多个与所述喷热孔(12)隔开布置的斜向进气口(2)；从所述的每个斜向进气口(2)向塔外斜向伸出一个进气管(5)，用于使空气流高速通过斜向进气管(5)从相连的斜向进气口(2)处斜向进入所述的风塔(1)内部自然快速旋转形成龙卷风，所述的每个斜向进气管(5)包括一个或多个扩张式喷咀(6a)和一个或多个直管(6b)，所述涡轮机(4)一个或多个置于所述的一个或多个直管(6b)内，在所述的每个斜向进气管(5)外设有一个或多个相连的预备进气管(13)。

2、根据权利要求1的人造龙卷风发电系统，其特征在于，设置于所述斜向进气管(5)中并位于涡轮机(4)的靠近斜向进气口(2)一侧的活动闸门(10)。

3、根据权利要求1的人造龙卷风发电系统，其特征在于，在所述的每个预备进气管(13)内设置有活动闸门(16)。

4、根据权利要求1-3中任意一项所述的人造龙卷风发电系统，其特征在于，在所述斜向进气管(5)邻近风塔(1)之处设置喷水孔(11)，以及在所述斜向进气管(5)外部与所述喷水孔(11)相对应的高压喷水枪。

5、根据权利要求2的人造龙卷风发电系统，特征在于，在所述斜向进气管(5)邻近风塔之处设置喷水孔(11)，以及在所述斜向进气管(5)外部与所述喷水孔(11)相对应的高压喷水枪。

6、一种人造龙卷风发电系统，包括：

风塔(1)，其为中空的柱形，用于形成低压空间；

涡轮机(4)；

位于所述风塔(1)外部并与所述涡轮机(4)同轴相连的发电机(15)。

在所速风塔(1)内部或内部空间的底部设置有电阻丝(7)，所述电阻丝(7)的两端与市电相连，以利用所述电阻丝(7)放出的热量来加热风塔内部的空气；

其特征在于，在所述风塔(1)下部设有一个或多个斜向进气口(2)；从每个所述斜向进气口(2)向塔外斜向伸出一个进气管(5)，用于使空气流高速通过斜向进气管(5)从相连的斜向进气口(2)处斜向进入所述的风塔(1)内部自然快速旋转形成龙卷风，所述的每个斜向进气管(5)包括一个或多个扩张式喷咀(6a)和一个或多个直管(6b)，所述涡轮机(4)一个或多个置于所述的一个或多个直管(6b)内，在所述的每个斜向进气管(5)外设有一个或多个相连的预备进气管(13)。

7、根据权利要求6的人造龙卷风发电系统，其特征在于，在所述的每个斜向进气管(5)中并位于所述涡轮机(4)的靠近所述的斜向进气口(2)一侧的1个或多个活动闸门(10)。

8、根据权利要求6的人造龙卷风发电系统，其特征在于，在所述的每个预备进气管(13)内设有活动闸门(16)。

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