CN1293301C - 太阳能风能发电装置 - Google Patents

Abstract

一种太阳能风能发电装置，属于太阳能开发利用及发电技术领域。它包括：烟囱状中空导风塔、太阳能温室、风洞、集风进风口、热泵和透平发电机组。其结构特点是：风洞设置在太阳能温室里，风洞进风口和集风进风口相连通，风洞出风口和烟囱状中空导风塔的进口相连通，在烟囱状中空导风塔出口段的不同位置设置多组热气流透平发电机组，在一条连通的盘绕风洞中的不同位置也设置有多组风力透平发电机组，集风进风口设置在太阳能温室四周多个不同方向。同现有技术相比，本发明可使太阳能发电装置建设成本大幅下降，发电效率大幅提高。本发明可应用在山区或丘陵地区或荒漠地区或平原地区，尤其是适用于沙漠地区，风力较大、太阳能光照充足地区。

Description

太阳能风能发电装置

                      技术领域

本发明属于利用太阳能发电技术领域，同时涉及风流、热气流发电技术，具体地讲是提供一种太阳能风能发电装置。

                     背景技术

世界性的能源日益短缺以及矿物燃料能源的大量利用而给人类生存环境造成的严重污染，已经迫使人类不得不探寻新的洁净能源，太阳能作为取之不尽用之不竭的环保洁净新能源越来越受到人们的重视和青睐。世界各国都在大力发展太阳能的研究开发和利用技术，太阳能热水器、太阳能光伏电池和太阳能电站等设施或设备的相继投入使用，已经为缓解日益严重的能源危机，减轻大气环境污染起到了一定的积极作用，但这还远远不能满足人们对新能源的需求。电能作为人类生活生产的主要动力能源，由太阳能替代矿物能源生产电能，是人们梦寐以求的渴望和追求。然而在国内外，目前的太阳能发电技术还存在着许多问题，归纳起来主要有以下几个方面：(1)太阳能光伏电池发电虽然从制造应用技术方面来看已趋于成熟，但是制造成本较高，为传统发电装置数倍以上，热电转换效率较低，仅为10％左右，这在很大程度上影响和制约了太阳能光伏电池发电的商业化运作和大规模的发展；(2)太阳能蒸汽发电虽然在理论上趋于完善，但在实际应用中依然存在着蒸汽温度和压力较低，热电转换效率较低的问题；(3)太阳能气流发电虽然在德国等国家有应用的实例，但同样存在着发电效率较低建设成本较高的问题。综上所述，要想使太阳能发电技术有一个长足的发展，降低建设生产成本，提高发电效率是该领域内专家教授所面临的首要任务。

                      发明内容

本发明的目的是针对现有太阳能风能发电装置建设成本较高，发电效率较低的问题，提出一种太阳能风能发电装置，该发电装置可以使太阳能风能发电装置建设成本大幅下降，发电效率大幅提高。

本发明的目的是这样实现的：在向阳的山坡或丘陵坡地或荒漠地区或平原地面上建造太阳能温室，温室被分隔后形成一条连通的盘绕风洞，在温室侧面建有不同方向的集风进风口，集风进风口处设置有自动卷帘闸门，多个不同方向的集风进风口均和温室内一条连通的盘绕的风洞相连通，这样，无论来自任何方向的风流均能进入温室内的盘绕的风洞内。在太阳能温室的某个位置(地形较高处或中心等)建造一直立的烟囱状中空导风塔，中空导风塔的进口和温室内盘绕的风洞出口相连通，中空导风塔的中上部至出风口段装有多组热气流透平发电机组，在温室内的一条连通盘绕风洞的不同位置也装有多组风力透平发电机组。为了使太阳光辐射能量被高效吸收，在太阳能温室外层设置真空层并镀有高温太阳能选择性吸收涂层。为了使进入温室里的多余热能储蓄待用，在盘绕风洞里的地面上铺设一层碎石子和一层石英砂，石英砂层在下，碎石子层在上，在碎石子层上浇注一层沥青。为了使进入温室里的热能重复高效利用，采用空气热泵，在烟囱状中空导风塔的出口处设置翼片型膨胀器，在烟囱状中空导风塔的进口处设置翼片型冷凝器。

该发明的工作原理是这样的：根据风向选择并打开有利进风的一集风进风口，关闭其它集风进风口，大量风流通过该集风进风口进入温室内的盘绕风洞，由于烟囱状中空导风塔的抽吸作用，风流进入风洞后即被迅速加速，随后，由于该风洞中太阳能不断进入或由于其内的碎石子层、石英砂层里的热能不断释放，风流被加热并膨胀，气压增加，风速进一步增大，随着风流在盘绕风洞中沿程向烟囱状中空导风塔进风口运动，风流在不断被加热，并不断膨胀，气压也在不断增加，风速也在不断增大，当这种不断增大的高速风流通过设置在盘绕风洞中不同位置的风力透平发电机组时，风力透平发电机组运行，从而将这种不断增大的高速气流的动能不断地转化成电能，当这种高速气流到达烟囱状中空导风塔进风口时，由于该处热泵的冷凝器不断将热能释放出来，从而进一步加热高速风流，高速风流在此进一步膨胀，气压也进一步升高，加上由于烟囱状中空导风塔抽吸作用，会使该风流的流速进一步大幅提高。当该超高速风流通过设置在烟囱状中空导风塔出口段多组热气流透平发电机组时，发电机组运行并发出电能。为了回收废弃风流中的热能，设置在烟囱状中空导风塔出口处的热泵翼片型膨胀器将废弃风流中热能吸收，吸收的该热能又通过热泵翼片型冷凝器在烟囱状中空导风塔进口处释放。这样循环往复，大量的自然风不断从集风进风口进入温室内一条连通盘绕的风洞，由于烟囱状中空导风塔的抽吸作用，风流进入风洞后即被不断迅速加速，太阳能温室不断获取太阳能，获取的太阳能不断随时加热风洞中的风流或储蓄在风洞中，被加热的风洞中的风流随着时空在不断膨胀，不断升压，不断加速，设置在不同位置的发电机组也在不断的发出电能。发过电的废弃风流不断从烟囱状中空导风塔的出风口流出，热泵也在不断地将烟囱状中空导风塔出口处废气风流中的热能回收并循环重复利用。

该发明具有一定的新颖性，具体体现在在申请日以前没有同样的发明或者实用新型，在国内外出版物上公开发表过，在国内外公开使用过或者以其它方式为公众所知，也没有同样的发明或实用新型由他人向专利局提出过申请并且记载在申请日以后公布的专利申请文件中。

该发明也具有一定的创造性，具体体现在在申请日以前，国内外太阳能发电技术的应用一般还是局限在太阳能光伏转换技术方面，该发电技术虽然从制造应用技术方面来看已趋于成熟，但投资建设成本较高。对于太阳能驱动气流发电技术以及太阳能产生蒸汽发电技术均由于发电效率太低或技术不够成熟、投资建设成本较高等原因而被冷落。该发明将太阳能和风能有机地结合在一起进行综合利用发电，将温室分隔并形成一条盘绕的连通的风洞，多处位置设置多组发电机组，并对发电后废弃风流进行热能回收并进行重复循环利用，该创新点对于大幅提高发电效率，降低建设投资成本具有显处的效果。和目前国内外同类技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

该发明也具有一定的实用性，具体体现在该发明能够制造或者使用，并且能够产生以下积极有益的效果：

(1)将太阳能和风能有机地结合在一起进行综合利用发电是本发明的创新点之一，也是降低建设生产成本的有效途径之一。

(2)对发电后废弃风流进行热能回收并重复循环利用是本发明又一创新点之一，这对于大幅提高太阳能的利用率具有显著的效果。

(3)将温室分隔并形成一条盘绕的连通的风洞，也是本发明的创新点之一，它可以大幅提高太阳能对风流的加热温度，大幅提高风压、大幅提高风流速度，进而大幅提高发电功率。

(4)本发明将太阳能温室外层设置为真空层并镀有太阳能高温选择性吸收涂层，在盘绕风洞里的地面上敷设一层石英砂、一层碎石子，在碎石子层上浇注一层沥青，该技术措施可以较大程度的提高捕获太阳能的能力，提高蓄能保温效果。

(5)本发明在风洞中的多处位置设置风力透平发电机组，在烟囱状中空导风塔出口段不同位置多处设置热气流透平发电机组，可以充分地利用风能太阳能，可以大幅度地提高发电功率，降低工程建设成本，提高太阳能的利用率。

(6)本发明可应用在山区或丘陵地区或荒漠地区或平原地区，尤其是适用于沙漠地区，风力较大、太阳能光照充足地区。

                   附图说明

图1是本发明一实施例立面剖视图。

图2是图1中的A-A剖面视图

图中，1.烟囱状中空导风塔2.导风塔帽3.温室透光玻璃外壳4.真空层5.吸热层6.风洞隔板7.风洞8.集凤进风口9.集凤导风墙10.石英砂层11.碎石子层12.风力透平机13.热气流透平机14.发电机15.导轴承16.推力轴承17.热泵翼片型冷凝器18.热泵翼片型膨胀器19.集风进风口卷帘闸门。

                    具体实施方式

在图1、图2中，烟囱状中空导风塔1是由预应力钢筋混凝土浇注而成，或由砖混凝土制作而成，横截面为圆形，下部截面直径较大，上部截面直径较小，为逐渐收缩形状，烟囱状中空导风塔1出口处设置有一导风塔帽2，进口和风洞7的出口相连通，烟囱状中空导风塔1的作用是对风洞7中的风流形成强大的抽吸作用，以大幅提高风洞中及烟囱状中空导风塔中的风速。导风塔帽2是由玻璃钢制作而成，通过支架和导风塔连接固定在一起，其作用是防止雨雪及漂浮物进入导风塔内。温室透光玻璃外壳3是由透光性较高的玻璃制作而成，它和吸热层5形成一个密封的真空层4，温室透光玻璃外壳3的作用是使太阳辐射光照热能进入真空层4，并和吸热层5一起构造真空层4。吸热层5是由铝板或由雪花薄钢板制作而成，其四周边和温室透光玻璃外壳3粘接在一起，以形成一密封隔层，即真空层4，在吸热层5的外表面镀有高温太阳能选择性吸收涂层，以便使太阳光辐射能量被高效吸收并传导辐射到风洞7，吸热层5的作用就是一方面和其它部件一起形成真空层4，另一方面高效吸收太阳光辐射能量，并将该能量传导和辐射到风洞7。真空层4的形成如上所述，真空层4内真空度的产生可由真空泵抽吸形成，真空层4作用就是对进入真空层4的热能进行隔热保温，以防止和外部环境进行热交换。风洞隔板6是由钢筋混凝土预制板制作而成，风洞隔板6将整个温室分割成一条连通的盘绕风洞7。风洞7的进口是和集风进风口8相连通，风洞7的出口是和烟囱状中空导风塔1的进口相连通，在该风洞地面上敷设有一层石英砂10和一层碎石子11，石英砂层在下，碎石子层在上，在碎石子层上浇注一层沥青，在风洞7的不同位置分别设置有风力透平机12和发电机14，风洞7的作用一方面获取太阳能，另一方面获取风能，形成一条连通的风道，加速风流，第三方面的作用是在风道上设置发电机组进行发电。集风进风口8可设置在温室四周的多个不同位置，视该地区的风向变化情况而定，本实施图例中分别设置在东西南北四个方向，集风进风口8和集风导风墙9相连接，可以通过集风导风墙9将不同方向的大面积的风流汇集到集风进风口8，这样，无论风向如何变化，只要有风能，总可以通过不同方向的集风进风口8将大量的风流引入风洞7中，进而获取大量的风能。其操作方法就是打开有利于进风的某个方向的集风进风口8，关闭其它方向上的集风进风口8，即可实现将具有大量风能的风流引入风洞7中的目的。集风导风墙9是由砖混凝土建材建设而成，在整个温室四周均建设有集风导风墙9，均为弧形渐变形状，在集风进风口8两侧的集风导风墙9形成弧形大喇叭口形状，这样有利于汇集大面积的风流进入集风进风口8。石英砂层10采用大小颗粒混合的石英砂敷设在风洞7的地面上，其上面再敷设一层碎石子11。碎石子层11采用直径较小的石子，在石子表面浇涂一层沥青，其作用就是一方面提高石子吸热储热能力，另一方面防止强大高速风流将碎石子吹起来。石英砂层10和碎石子层11的作用均是储蓄风洞中的多余热能，在晚上或阴天时或光照不足时释放储蓄热能，以保证该发电装置最大限度地持续平稳运行。风力透平机12是标准件，安装设置在风洞7的不同位置，目的是利用风洞中的强大风流进行发电。热气流透平机13是标准件，安装设置在烟囱状中空导风塔1的上部出口段的不同位置，目的是利用导风塔中的强大热风气流进行发电。发电机14是标准设备，它的轴通过连轴器和透平机主轴连接在一起，当透平机高速旋转时带动发电机14旋转发电。导轴承15是标准件，安装在透平机的主轴上，其作用是支撑主轴高速旋转并防止主轴径向移动。推力轴承16是标准件，安装在透平机的主轴上，其作用是支撑主轴高速旋转，并防止主轴轴向移动。热泵翼片型冷凝器17是由钢管和薄钢板焊接而成，安装在烟囱状导风塔1的下部进口段，其作用就是将从热泵翼片型膨胀器18中获取的热量在此处释放并进一步加热高速热风流。热泵翼片型膨胀器18是由钢管和薄钢板焊接而成，安装在烟囱状导风塔1的上部出口处，其作用就是将发电后废弃热风流中的热能吸收，并通过热泵将热能输送到热泵翼片型冷凝器17处释放，以达到对热能进行重复循环再利用的目的。热泵为标准设备，在附图实施例中未画出，其安装位置可据整体实际布置情况而定。集风进风口卷帘闸门19采用密封性能好强度高的卷帘闸门，安装在集风进风口8处，结合风向、风压监测及需要发电功率的调度情况，通过电脑自动控制启闭，结合风向风压测量数据，自动调整卷帘闸门的开度，以达到自动控制风流的进入以及进入量的目的，从而最终达到选择最佳方向的集风进风口8，并按照要求调节发电装置的发电功率的目的。

实施例：太阳能温室占地面积8.2平方公里，烟囱状中空导风塔直径28m，高420m，装机容量为1.56万KW，总投资为1.1～1.4亿元，年发电量0.72～.82亿KWh，年产值为2880万元～3280万元，年运行费用620万元左右，年净利润2260～2660万元。

在上述图示中，虽然列举了本发明较佳实施例进行了说明，但众所周知，不应由该实施例反而限制了本发明的权力保护范围，亦即，任何熟悉该发明创新点的工程技术科学研究人员，若应用本发明主要之特征，进行若干细节的变动，皆仍应属于本发明的专利保护范围。

Claims (7)

1、一种太阳能风能发电装置，其特征在于该装置由烟囱状中空导风塔、太阳能温室、风洞、集风进风口、热泵、热泵冷凝器、热泵膨胀器和透平发电机组所组成；上述所述风洞设置在太阳能温室里，风洞进风口和集风进风口相连通，风洞出风口和烟囱状中空导风塔的进口相连通，热泵冷凝器设置在烟囱状中空导风塔进口段，热泵膨胀器设置在烟囱状中空导风塔出口处，热泵膨胀器用于吸收烟囱状中空导风塔出口处的风流中的热能，在烟囱状中空导风塔出口段的不同位置设置多组热气流透平发电机组，在一条连通的盘绕风洞中的不同位置也设置有多组风力透平发电机组，集风进风口设置在太阳能温室四周多个不同方向。

2、根据权利要求1所述的一种太阳能风能发电装置，其特征在于太阳能温室顶盖最外层是由透光玻璃制作而成，而在透光玻璃层下方设置有吸热层，并且在透光玻璃层和吸热层之间设置有一层真空层。

3、根据权利要求1所述的一种太阳能风能发电装置，其特征在于风洞是由风洞隔板将整个太阳能温室分割而成，风洞隔板将整个太阳能温室分割后，在太阳能温室里形成一条连通的盘绕的风洞，风洞顶盖即是太阳能温室顶盖，风洞地面上敷设一层石英砂层，一层碎石子层，碎石子层在石英砂层上面，碎石子层表面浇涂有一层沥青。

4、根据权利要求1所述的一种太阳能风能发电装置，其特征在于集风进风口是和设置在太阳能温室四周的集风导风墙相连接，集风导风墙可以将大面积的各个方向的风流汇集到集风进风口；在集风进风口处装置集风进风口卷帘闸门。

5、根据权利要求1所述的一种太阳能风能发电装置，其特征在于热泵冷凝器和热泵膨胀器均采用翼片型结构。

6、根据权利要求1所述的一种太阳能风能发电装置，其特征在于在风洞中设置的发电机组采用风力透平发电机组，在烟囱状中空导风塔中设置的发电机组采用热气流透平发电机组。

7、根据权利要求4所述的一种太阳能风能发电装置，其特征在于集风进风口卷帘闸门是由微机自动控制，微机根据所测风向风压选择最有利于进风的一个集风进风口自动开启，其它集风进风口自动关闭，微机根据需要发电功率的调度情况自动关小或开大集风进风口卷帘闸门。

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