CN1436282A - 烟囱形太阳能风轮机 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能发电装置，包括至少一个直立塔，直立塔具有安装在基座结构上的开放顶端。每个所述的直立塔(10)的高度至少为100米，多个向外突出的加热室(12)围绕所述直立塔的下端安装在直立塔的外部。每个所述的加热室总体上为空心室，加热室壁由金属薄片形成以吸收太阳能，在每个所述加热室的下部设有可关闭开口以将环境空气吸入到加热室中，在每个所述加热室的上部设有可关闭开口以将加热室内积聚的受热空气排放到直立塔中。在直立塔内设在受热空气入口上方的收缩区，如文式管室，用于提高受热空气沿塔上行的速度，并且风力涡轮机(14)安装在所述收缩区内并用来驱动发电单元。每个直立塔的高度及与直立塔连接的加热室的数量及尺寸足以在直立塔内提供用于驱动涡轮机的基本连续的上升气流。

Description

烟囱形太阳能风轮机
技术领域
本发明涉及一种产生电能的系统，特别涉及将太阳热量用于基本能源的用途。
背景技术
有许多专利文献说明利用风力、波浪和太阳热作为能源以产生电能的系统。在当今世界上，电能的主要来源为水电系统和用矿物燃料来生产能源的系统。下一最重要的电能来源为核能发电机。
就水力发电而言，发电机应当适当地接近其终端市场，而全球的稠密人口和工业化地区正在迅速消耗掉所有可得到的新的水力资源。由矿物燃料，例如煤炭、燃气和石油，提供能量的系统具有的问题是，现在这些燃料正在供不应求并且价格变得非常昂贵。并且，由于矿物燃料令地球变暖，其燃烧留下的有毒残留物不止残留在空气中还造成废水，因而污染环境，因此矿物燃料对环境有害。核能不仅建筑成本非常高，而且还需要高价的安全系统以防止工厂自身的辐射问题。而且，还存在高度危险的废物如何安全处理的主要问题。
由于现有系统中存在这些问题，人们对把太阳能作为主要能源越来越有兴趣。人们提出各种使用太阳能发电的系统，最近其中一些系统已用在太空飞行器中，例如参见1965年9月21日授权的加拿大专利718，175。这种系统使用太阳能吸收器以加热液体，液体蒸发来驱动涡轮机，从而驱动发电机。这种带有蒸发冷凝系统的系统明显只适用于譬如在宇宙飞船中使用的非常小的系统中。
现在有许多专利描述利用风力驱动发电机的应用，1973年3月14日授权的美国专利3,720,840说明了一种风力涡轮发电机。在Goodman的美国专利3,048,066中描述了一种直立式柱状装置，具有一组由太阳产生的热流驱动的风扇，该风扇能驱动发电机。
过去的地面高度太阳能收集器的失败与集热面积不足有关。因此，现在已知对于阳光充足地区如得克萨斯而言，理想地倾斜的集热器的平均热吸收率为年平均昼日照小时0.45kw/m2。据此估算，将1000mw的发电装置就需要37平方英里集热面积。
当然，非常希望这些发电装置靠近主要生活区，在这些生活区土地非常昂贵。在1976年9月7日授权予Drucker的美国专利3,979,597中描述了一种太阳能发电装置，其设计能大大降低产生额定电力所需的土地面积。在Drucker的美国专利5,694,774和WO 99/47809中描述了对这种发电装置的进一步改进。
近年来，人们对太阳能烟囱式管道的兴趣不断增长。它由很高的烟囱式管道组成，例如底部带有热气收集器的高达1000米的烟囱式管道。涡轮机安装在烟囱式管道内的较低部位。这种类型的烟囱式管道相对于其直径而言非常高，产生最大的上升速度，使烟囱式管道内的上升热气流能达到110kph或更大的速度。已经开始建造这种类型的系统，但是遇到了效率与寿命上的困难。
在Cohen的美国专利4,079,264中描述了利用风力或水力工作的发电机，包括文式管(Venturi)通道。旋转的动力装置，如涡轮，安装在文式管的管口。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种改进形式的太阳能发电装置，具有一个或多个作为主要组成的高大的直立塔。
本发明的另一个目的是与文式管通道结合，更有利地使用直立的高塔发电装置。
根据本发明，提供了一种产生电能的太阳能发电装置，所述太阳能发电装置包括一个或多个作为主要组成的直立塔。每个塔安装在基座结构上，其顶端打开以产生上升气流。风力涡轮机安装在塔内，从而塔内的烟囱形上升气流驱动涡轮机，涡轮机然后驱动发电机。
为产生用以驱动涡轮机的上升气流，需要大量的热输入以产生必要的热量。根据本发明，围绕每个塔基座外部安装多个径向地间隔开的外凸加热室。每个加热室为总体上中空的空间，室壁由薄金属片形成，以吸收太阳能。并设有使环境空气进入加热室内的可关闭入口和使加热室内蓄积的受热空气释放到塔内的可关闭出口。
通常，围绕一个塔至少有20个加热室，每个加热室内的入口和出口的关闭是可调节的，因而当收集在加热室内的环境空气被加热至预定温度时，保持入口和出口的关闭状态，这时关闭的入口和出口打开以使受热空气进入塔内并用环境空气取代受热空气。在这种方式中，加热室能连续地被逐一或成组地打开和关闭，从而保持连续的强上升气流。
在塔内受热空气入口的正上方设有收缩区，包括一个适于提高受热空气沿塔上升速度的文式管室。涡轮机安装在文式管室内空气速度最大处的开口处。文式管室用于使驱动涡轮机的上升气流的速度至少提高到三倍。每个塔的高度和与之连接的加热室的数量与尺寸足以提供塔内的用于驱动涡轮机的大致连续的上升气流。
已发现，为达到最高的效率，在上升气流内保持低湿度是很重要。不然，会在塔内发生冷凝，这不仅妨碍上升气流还引起腐蚀。因此，在需要时，在入口空气进入塔内之前先经过干燥器。空气应以小于10％左右的湿度进入塔内，优选小于5％左右。干燥器可方便地安装在加热室的上部和/或涡轮机下的文式管室内。
优选每个塔的横截面为圆形，每个文式管室的形式优选为向内渐缩的截头圆锥形的入口部分、四方形或矩形横截面的中心开口部以及向外渐缩的截头圆锥形的出口部分的形式。风力涡轮机安装在中心开口部的水平轴线或垂直轴线上。涡轮机驱动发电机以产生电能。
尽管本发明的发电装置主要由太阳能提供能量，加热室内需要的热量也可以由其它加热器提供。例如，在根据本发明的发电装置将每天24小时供电的情况下，白天阳光为能源，没有阳光时可以在加热室内设置燃气燃烧器进行加热。因为只需要环境空气温度提高少许就可以以产生高塔内需要的上升气流，故维持了系统的效率。一般，7-8℃的温差即可提供必要的上升气流。
在沙漠地区，另一种夜晚热源是在每个加热室底部提供一层沥青。沥青在沙漠很热的白天吸收大量的热，在夜晚将热量缓慢地释放到通过加热室的空气中。
根据本发明，将塔设置在具有很强的盛行风的地区也是有利的。因此，风吹过塔顶的速度越大，塔内上升气流的速度越大。
根据本发明的另一方面，暴露在阳光之下的塔的表面为光电池提供了极好的位置。光电池用于在光照时直接产生另外的电力。
本发明的最佳实施方式
相对于其直径塔很高，例如，高度∶直径的比例至少为10∶1，因为这会产生最大的上行空气速度。商用塔的高度可以是400米或更高而直径最大为30米。在这种塔内的上升暖空气得到高达100kph的速度。在一个优选实施例中，直径为30米的塔带有开口面积约为144m2的文式管室。典型地，塔包括较低的混凝土基座部分，这部分向上延伸不到塔总高度的25％。对于上述商用塔，混凝土基座部分的高度为30米左右，在混凝土基座部分上安装有被隔离的钢塔。
加热室也较大，一个加热室可有高达4000m3的容积。这意味着，带有20个这种加热室的塔具有80000m3的总容积。
优选成对地运行这种加热室。按照这种方法，采用上述布置，每2分钟就有2×4000m3＝8000m3的受热空气连续排放到文式管室中。温差典型地为约7℃。也可以把额外的外部空气直接送到文式管室中，从而将空气流速提高40％。当这一切完成后，通过文式管室的空气温差约为5℃。
在夜晚运行时，如果没有把另外的空气直接馈入塔内则温差为18℃左右，而如果引入40％的另外空气，则温差为12℃左右。
在发电装置中提供有自动控制装置，调节沿塔上行的气流。通过测量塔内涡轮机的速度，并借此控制空气入口到太阳加热室和从加热室到塔的入口的阻尼器，可以方便地做到这一点。例如，在太阳辐射高峰期间，足够的太阳能提供了塔内最大的上升气流。另一方面，在太阳辐射最小期间，使用加热室内的辅助加热器。这样，保持了通过塔的相对恒定的向上空气流。
还需要控制塔内空气的湿度，并进行必要的调节以维持湿度在小于10％的最大许可程度之下。
附图简要说明
通过附图进一步说明本发明，其中：
图1为根据本发明的塔的示意性前视图；
图2为构造区域的主视图；
图3为示出加热室布置的局部俯视图；
图4为加热室基座的立体图；
图5为加热室的立体图；和
图6为图4所示加热室和塔的剖面图。
从图1中可看到本发明发电装置的总体外观。就是说，该发电装置包括带有开放顶部11的细高形塔10，在塔底部围绕有一组径向地突出的加热室12。在加热室12的正上方的塔10之中是具有涡轮机14的文式管室13。可移动的反射器15可以用来将太阳光线聚集到加热室12。
从图3到6中可看出加热室优选形式的设计。
图3为示出加热室12相对于塔10布置的局部俯视图。如图5所示，每个加热室12优选由薄的、涂黑的金属板材和玻璃板形成。因此，每个加热室包括金属薄板侧壁24、内端壁25、外端壁27和中间面板29、30及混凝土基座26。外端壁27包括用于辅助辐射输入的玻璃板32，还包括可关闭的环境空气入口33。在外端壁27和中间面板29之间设有斜壁。该斜壁包括玻璃板28用于再次透过太阳光线。中间面板29、30被涂黑以吸收热量，另一个斜板设在面板30的顶部和内端壁25的顶部之间，该斜板还包括另一块玻璃板31，以透入光线。出口34位于内端壁25的顶部，它包括可关闭开口以将受热空气从加热室12馈送到塔10中。还可设有辅助加热器35，用于当阳光不充足时对加热室进行加热。优选辅助加热器35为燃气加热器。
从图5中可进一步看出，每个加热器12的壁上都设有位于加热器之间的楔形间隙36，以提供更多的壁板表面积来用太阳光进行加热。
每个加热室12的空气入口33和空气出口34由可调节的封闭件(未示出)控制，优选用电机操纵。这些可调节的封闭件是公知类型的，可以响应计算机的信号有选择地调节到全开和全闭之间的任一点。
其它的空气入口22位于文式管室13的底座上并且这些空气入口与外部直接相通。流经这些入口的气流由可调节的封闭件(未示出)控制，优选由电机操纵。取决于气压状况，这些入口22可打开以排出高达40％的多余空气到加热室内的加热气流中。
加热室的基座26的优选形式如图4所示。它包括基座26上的下侧壁42，侧壁42内充填有沥青43。在环境温度可从白天的高达45℃变化到夜晚低至8-12℃的沙漠地区，这是非常有用的。在白天，沥青吸收热量至液化点的温度，在夜晚，很热的沥青逐渐冷却，将其热量释放给通过加热室的空气。
图6还示出加热室12相对于塔10基座的排列。塔10的底部优选支持在很重的混凝土地基37上，达到文式管室20的塔10的壁优选由钢筋混凝土形成。塔10的其它部分由例如为波形镀锌钢的金属形成。图6较清楚地示出从加热室12进入塔10并位于文式管室20下方的受热空气出口34。
图2中可看出文式管室的更多细节。如此，它包括与四方形开口21接合的渐细截头圆锥形部分20，在开口21内的水平轴16上安装有涡轮机14。涡轮机为发电机(未示出)提供动力。附加空气可通过辅助空气入口22被馈送到塔内。设有升降梯23以维护涡轮机14。
如图5所示，每个加热室12内的上方都安装有干燥器40。也可把其它的干燥器设在文式管室13的入口一侧内部，如图2所示。
为获得最佳运行效率，利用计算机控制每个发电装置塔。监测下列信息并将其反馈给计算机：
i.   进入每个加热室的空气温度及湿度；
ii.  离开每个加热室并进入塔内的空气温度和湿度；
iii. 流经每个加热室的气流；
iv.  沿塔高度每隔约8米处的塔内、外空气的温度；
v.   每隔约8米处的塔内空气的速度；
vi.  涡轮机转速(rpm)-约每2分钟测量；
vii. 离开塔顶的空气速度(约每2分钟测量)；
viii.塔顶的四周大气风速；和
ix.  产生的电量。
根据这些信息，计算机发出指令以打开和关闭每个加热室的入口和出口，控制上行经过塔的空气湿度，等。

Claims (12)

1.一种太阳能发电装置，包括至少一个直立塔，直立塔具有安装在基座结构上的开放顶端，
每个所述的直立塔的高度至少为100米，多个向外突出的加热室围绕所述直立塔的下端安装在直立塔的外部，每个所述的加热室总体上为空心室，加热室壁由金属薄片形成以吸收太阳能，在每个所述加热室的下部设有可关闭开口以将环境空气引入到加热室中，在每个所述加热室的上部设有可关闭开口以将加热室内积聚的受热空气排放到所述直立塔中，设在直立塔内受热空气入口上方的收缩区用于提高受热空气沿塔上行的速度，并且风力涡轮机安装在所述收缩区内并用来驱动发电单元；和
每个直立塔的高度及与直立塔连接的加热室的数量及尺寸足以在直立塔内提供用于驱动涡轮机的基本连续的上升气流。
2.如权利要求1所述太阳能发电装置，其特征在于，所述直立塔的横截面为圆形。
3.如权利要求2所述的太阳能发电装置，其特征在于，所述塔包括靠近所述加热室的底部混凝土部分和上部隔离的金属片部分。
4.如权利要求1、2或3所述的太阳能发电装置，其特征在于，还包括可移动反射器，用于将太阳光反射到加热室。
5.如权利要求1-4中任一项所述的太阳能发电装置，其特征在于，在加热室内还包括辅助的燃气加热器。
6.如权利要求2所述的太阳能发电装置，其特征在于，所述收缩区包括文式管室，所述文式管室具有有向内渐缩的截头圆锥形的入口部分、四方形或矩形横截面的中心部分及向外渐缩的截头圆锥形的出口部分。
7.如权利要求6所述的太阳能发电装置，其特征在于，所述风力涡轮机安装在所述文式管室中心部分内的水平轴上。
8.如权利要求1-7中任一项所述的太阳能发电装置，其特征在于，还包括干燥器，用于除去进入文式管室的环境空气的湿气。
9.如权利要求8所述的太阳能发电装置，其特征在于，所述干燥器适用于将空气内的湿度减小到10％以下。
10.如权利要求9所述的太阳能发电装置，其特征在于，所述干燥器位于每个加热室的上部区域内加热的空气出口的下方。
11.如权利要求9或10所述的太阳能发电装置，其特征在于，还包括设在文式管室的入口部分内的干燥器。
12.如前述权利要求1-11中任一项所述的太阳能发电装置，其特征在于，包括设在文式管室下方的其它可关闭空气入口，用于将外部空气直接送到所述直立塔内。
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