CN206232423U - 一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种风压式通风装置以及联合此通风装置的太阳能发电及海水淡化装置。风压式通风装置包括筒状圆形钢管，在圆形钢管的外壁面上沿圆周安装有风力机叶片，风力机叶片从根部到尖端呈中空状，并在根部与圆形钢管的空腔相连通，在圆形钢管出口侧设有通风机叶片，各通风机叶片的末端固定连接圆形钢管的内壁。通过在烟囱出口安装此通风装置，让风力机叶片直接带动钢管旋转，进而带动通风机叶片旋转，使烟囱内外压差进一步加大；同时，尖端开口的风力机叶片旋转时也会加速烟囱内做完功的热气流的排出，强化了烟囱效应，从而显著地提高了太阳能烟囱发电系统的发电量，并增加了海水淡化装置的淡水产量，极大提高了太阳能综合利用率。

Description

一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置
技术领域
本实用新型涉及利用太阳能进行发电及海水淡化技术领域，具体涉及一种风压式通风装置，还涉及一种联合太阳能烟囱发电、风压式通风装置和海水淡化的综合装置。
背景技术
随着全球经济的迅速发展，化石燃料的消耗速度加大，能源供需矛盾以及环境问题非常突出，优化能源结构迫在眉睫。太阳能作为一种持久而环保的能源，能够有效应对能源短缺和气候变化等问题。
太阳能烟囱技术综合了蓄热技术、烟囱技术、风力涡轮机发电技术于一体，具有维修方便、运行可靠、使用周期长等优点，是实现大规模开发和利用太阳能的可行途径之一，拥有巨大的应用前景。
淡水是我们日常生活中不可分割的必需品，然而近几年来，由于经济的快速发展，人口的膨胀，淡水短缺问题对人类已经造成了严重的威胁，并引起了世界各地的重视。海水淡化是目前获得大量淡水从而解决淡水短缺问题的最普遍的方法之一。但是，海水淡化是一种高耗能的方式，以环境友好方式利用可再生能源驱动的海水淡化系统作为一种创新的方法，目前已经得到广泛关注。
然而，单一的太阳能烟囱发电系统由于太阳能的转换效率一般不到1％，而且受气候和天气影响很大，这种太阳能烟囱发电形式很难大规模商业化。太阳能烟囱发电系统在烟囱高度和集热棚半径一定的情况下，系统内外的气流密度差是影响系统内外压差大小的主要因素。由于空气密度小，尽管系统能取得可观的内外气流温差，但内外气流密度差并不大，导致内外气流压差也并不大，这制约了系统发电量的提高，这是系统本身的不足。
现有的联合海水淡化太阳能烟囱发电装置，如专利200810021605.3公开了一种利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，将太阳能发电和太阳能海水淡化装置组合在一起，虽然提高了太阳能的转换效率，同时能够附加淡水产出，但是这种系统并没有改善系统内外气流的压差，又由于综合系统中有一部分能量被凝结的淡水带走，导致了系统的集热棚内气流温度稍有下降，反而进一步减小了综合系统的内外压差，造成发电量的下降。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种风压式通风装置以及联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，通过在烟囱出口安装风压式通风装置，让风力机叶片直接带动钢管旋转，进而带动通风机叶片旋转，旋转的通风机叶片产生的负压使烟囱内外压差进一步加大。同时，尖端开口的风力机叶片旋转时也会加速烟囱内做完功的热气流的排出，强化了烟囱效应，从而显著地提高了太阳能烟囱发电系统的发电量，同时也增加了海水淡化装置的淡水产量。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种风压式通风装置，其特征是，包括筒状圆形钢管，在圆形钢管的外壁面上沿圆周安装有风力机叶片，风力机叶片从根部到尖端呈中空状，并在根部与圆形钢管的空腔相连通，在圆形钢管出口侧中心处设有轮毂，轮毂沿圆周设有通风机叶片，各通风机叶片的末端固定连接圆形钢管的内壁。
相应的，本实用新型还提供了一种联合风力增压型烟囱进行太阳能发电及海水淡化的装置，其特征是，包括海水淡化装置、集热棚、涡轮机、烟囱和风压式通风装置；
集热棚包括集热棚底板、覆盖在集热棚底板上方的集热棚盖板，集热棚盖板与集热棚底板之间形成喇叭状的导流腔；导流腔从下往上逐渐变窄；
海水淡化装置包括位于底部的蒸馏池底槽，蒸馏池底槽沿集热棚底板环形设置，蒸馏池底槽的外环侧设有位于底端的浓盐水出口、与海水层相连通的海水进口和位于上端的淡水出口；蒸馏池底槽内沿径向等间距布置多组支撑架，相邻两组支撑架的顶端设置有玻璃隔板，在支撑架两侧位于玻璃隔板的下方均设有向上方斜向延伸的淡水收集器，相邻淡水收集器之间沿底部设有连通两者的引流槽，最外层引流槽的出口处连通淡水出口；
烟囱为包括竖直段和水平段的弯折中空圆筒，导流腔的出口与烟囱的竖直段下端口连通，且在两者连通的中心处设置所述涡轮机；烟囱水平段的出口处水平设置风压式通风装置；
风压式通风装置，包括筒状圆形钢管，圆形钢管通过轴承套在烟囱水平段烟囱外壁上，在圆形钢管的外壁面上沿圆周安装有风力机叶片，风力机叶片从根部到尖端呈中空状，并在根部与圆形钢管的空腔相连通，在圆形钢管出口侧中心处设有轮毂，轮毂沿圆周设有通风机叶片，各通风机叶片的末端固定连接圆形钢管的内壁。
进一步的，玻璃隔板的截面呈开口向下的弧形。
进一步的，玻璃隔板的截面呈开口向下Λ型。
进一步的，玻璃隔板的Λ型截面的顶端夹角范围为90°～120°。
进一步的，位于同一个支撑架上的淡水收集器对称设置。
进一步的，对称设置的两个淡水收集器其截面可以为开口向上的弧形。
进一步的，对称设置的两个淡水收集器其截面可以为开口向上的V型。
进一步的，V型截面的底端夹角范围为60°～90°。
与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：本实用新型通过风压式通风装置加大了烟囱内部负压从而显著地提高了太阳能烟囱发电系统的发电量并增加了海水淡化装置的淡水产出，极大提高了太阳能综合利用率。
附图说明
图1是本实用新型装置的结构示意图；
图2是本实用新型装置中海水淡化装置的局部结构示意图；
图3是海水淡化装置中玻璃隔板支架的局部放大图；
图4是海水淡化装置的俯视图；
图5是风压式通风装置结构局部放大图；
图6是风压式通风系统结构右视图。
附图标记：1、海水淡化装置；11、玻璃隔板；12、支撑架；13、淡水收集器；14、海水层；15、蒸馏池底槽；16、引流槽；17、淡水出口；18、海水进口；19、浓盐水出口；2、集热棚；21、集热棚盖板；22、集热棚底板；3、风力涡轮机；4、烟囱；41、烟囱外壁；5、风压式通风装置；51、风力机叶片；52、通风机叶片；53、轮毂；54、圆形钢管；55、轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
本实用新型的一种风压式通风装置，如图5和图6所示，包括筒状圆形钢管54，在圆形钢管54的外壁面上沿圆周安装有风力机叶片51，风力机叶片51从根部到尖端呈中空状，在根部与圆形钢管54的空腔相连通，可以使气流从圆形钢管54空腔内部沿风力机叶片51的空腔直接流到外界环境中，在圆形钢管54出口侧中心处设有轮毂53，轮毂53沿圆周设有通风机叶片52，所有通风机叶片52的末端固定连接圆形钢管54的内壁，轮毂53起到稳定通风机叶片52的作用。由于风力机叶片51和通风机叶片52都固定在圆形钢管54上，当高空自然风吹动风力机叶片51旋转时，直接带动圆形钢管54旋转，进而带动通风机叶片52以相同角速度旋转，旋转的通风机叶片52使圆形钢管空腔内产生负压。
可以将此风压式通风装置安装在现有技术中太阳能烟囱发电装置中或专利200810021605.3公开的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，通过在烟囱出口将圆形钢管用轴承安装在烟囱外壁面，产生的负压可以使烟囱内外压差进一步加大，提升太阳能发电的效率。
相应的，本实用新型的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，如图1所示，包括海水淡化装置1、集热棚2、涡轮机3、烟囱4和风压式通风装置5。
如图2所示，集热棚2包括集热棚底板22、覆盖在集热棚底板22上方的集热棚盖板21，集热棚盖板21与集热棚底板22之间形成喇叭状的导流腔；导流腔从下往上逐渐变窄。
海水淡化装置1包括位于底部的蒸馏池底槽15，如图2所示(图2中仅显示了右侧海水淡化装置的局部放大结构)，蒸馏池底槽15沿集热棚底板22环形设置，蒸馏池底槽15的外环侧设有位于底端的浓盐水出口19、与海水层14相连通的海水进口18和位于上端的淡水出口17；蒸馏池底槽15内沿径向等间距布置多组支撑架12，相邻两组支撑架12的顶端设置有玻璃隔板11，支撑架12与玻璃隔板11之间的连接关系如图3所示，玻璃隔板11的截面呈开口向下的弧形或Λ型，其两侧底端固定在相邻支撑架12的顶端，在支撑架12两侧位于玻璃隔板11的下方均设有向上方斜向延伸的淡水收集器13，位于同一个支撑架上的淡水收集器13对称设置，其截面可以为开口向上的弧形或V型，相邻淡水收集器13之间沿底部设有连通两者的引流槽16，最外层引流槽16的出口处连通淡水出口17。
进一步的，玻璃隔板11优选截面为Λ型的环状结构，顶端夹角小于120°，优选夹角范围为90°～120°，以使淡化的水滴能够从顶端沿玻璃隔板11坡度流到位于下方的淡水收集器13中。防止夹角过大时，水滴从顶端直接回落到海水层14中。
各淡水收集器13与支撑架12的夹角范围优选为30°～45°，当支撑架12的两侧对称设有淡水收集器13时，两侧淡水收集器13构成一体，优选截面为V型的环状槽，底端夹角大于60°，优选夹角范围为60°～90°，V型槽可以有利于快速将水滴聚集到槽底。
淡水收集器13与引流槽16的连接关系如图4所示，支撑架12和淡水收集器13是绕着集热棚2中心一环一环分布的，从玻璃隔板11上冷凝获得的淡水沿着支撑架12落入淡水收集器13中，如果没有引流槽16，那么所产生的淡水只会在一环又一环的淡水收集器13中，无法排出到外面；而引流槽16的作用就是在相邻的淡水收集器13之间开一个连通的通道，让所有的淡水收集器13联通，进而从淡水出口17流出。
烟囱4为包括竖直段和水平段的弯折中空圆筒，导流腔的出口与烟囱4的竖直段下端口连通，且在两者连通的中心处设置所述涡轮机3。烟囱4水平段的出口处水平设置风压式通风装置5。
风压式通风装置5为上述的风压式通风装置，如图5和图6所示，圆形钢管54通过轴承55套在烟囱水平段烟囱外壁41上。
本实用新型装置的工作原理为，外界空气经集热棚进口流入集热棚2，透过集热棚盖板21的太阳辐射一部分从玻璃隔板11反射出去，其余透射过玻璃隔板11的太阳辐射被海水层14及蒸馏池底槽15吸收，海水温度升高并蒸发，同时海水进口18以一定速度补充海水，使海水层14保持在恒定高度。由于玻璃隔板11吸收的太阳能很少，且直接向集热棚2里面的气流散热，故玻璃隔板11的温度低于海水层14水温，因此在海水层14和玻璃隔板11之间将会通过辐射、对流和蒸发进行热交换，海水蒸发并形成水汽。水汽会在玻璃隔板11的下表面凝结成水珠。玻璃隔板11有一合适的倾角，水珠就会在重力的作用下顺着玻璃隔板11流下，落到淡水收集器13中，再通过引流槽16流到淡水出口17，而蒸馏池底槽15的浓盐水通过浓盐水出口19排出。
在产生淡水的同时，流入集热棚2的气流流动到烟囱4底部，气流的密度下降，系统内外密度差加大，烟囱效应加剧，抽力达到最大，气流得以上升并排出，同时外界空气经集热棚2进口源源不断地补充进来以达到动态平衡。在烟囱4底部内外密度差和压差为最大，因此在此处设置轴流式风力涡轮机3，上升气流推动涡轮机3的叶片旋转，并带动相应的发电机进行发电。涡轮机3消耗了热气流大部分压力势能以及部分动能，并剩下的小部分压力势能和动能用以驱动热气流继续沿着烟囱4上升，上升过程中气流的温度逐渐降低，焓降转化成为重力势能，气流的速度稍有下降，然后热气流沿水平段烟囱流入风压式通风装置5中。
由于风力机叶片51和通风机叶片52都固定在圆形钢管54上，当高空自然风吹动风力机叶片51旋转时也会带动通风机叶片52以相同角速度旋转，旋转的通风机叶片52产生的负压使烟囱内外压差进一步加大。同时，尖端开口的风力机叶片51旋转时产生的离心力会加速烟囱4内做完功的热气流的排出，强化了烟囱效应，从而提高了涡轮机3的轴功率。此外，由于烟囱4内外压差的提高导致气流质量流量增加，气流速度上升，引起了对流换热系数的增大，气流和玻璃隔板11之间对流换热加剧，热气流带走更多的热量用于升温，玻璃隔板11温度因此下降，海水层14和玻璃隔板11温差加大，海水蒸发量上升，更多的水汽在玻璃隔板11内侧冷凝成水滴，淡水产量得到了提高。
本实用新型通过风压式通风装置加大了烟囱内部负压从而显著地提高了太阳能烟囱发电系统的发电量并增加了海水淡化装置的淡水产出，极大提高了太阳能综合利用率。
在西班牙太阳能烟囱原型中，烟囱高度Hc＝200m，烟囱直径Dc＝10m；集热棚直径Dcoll＝244m，集热棚进口高度Hin＝2m，出口高度Hout＝8m。分析中取稳态气象条件，太阳辐射强度I＝800W/m2，环境温度Ta＝298.15K，外环境密度ρa＝1.225kg/m3。
在单一太阳能烟囱发电系统中，从集热棚进口到出口气流温升质量流量m＝ρπDc 2v，烟囱进口气流速度上式中ηc为蓄热层效率；Cp为空气定压比热容，单位J/(kg·K)；ρ为气流密度，单位kg/m3；将三个方程联立求解得到三个未知量的值，ΔT＝12.26K，m＝1220kg/s，v＝12.7m/s。系统抽力气流功率Pm＝Δp·m/ρ＝94.93kW。取涡轮机效率ηt＝0.4，输出功率P＝ηt·Pm＝38kW。太阳能综合利用率
在联合海水淡化太阳能烟囱发电系统中，蓄热层由玻璃隔板代替，由于一部分能量用于海水淡化，导致气流温升降低，气流速度下降。此时系统抽力气流功率Pm＝Δp·m/ρ＝76.1kW，输出功率P＝ηt·Pm＝30.4kW，同时产生淡水其中qe为海水蒸发传热速率，单位W/m2，hw为海水单位面积汽化潜热，单位J/(kg·m2)，太阳能综合利用率
在本实用新型风压式通风装置驱动的联合海水淡化太阳能烟囱发电系统中，增压系统提供的负压值为75Pa，此时气流功率Pm＝Δp·m/ρ＝130.6kW，输出功率P＝ηt·Pm＝52.2kW，同时淡水产出太阳能综合利用率
通过理论计算可以看出，本实用新型通过风压式通风装置加大了烟囱内部负压从而显著地提高了太阳能烟囱发电系统的发电量并增加了海水淡化装置的淡水产出，极大提高了太阳能综合利用率。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种风压式通风装置，其特征是，包括筒状圆形钢管(54)，在圆形钢管(54)的外壁面上沿圆周安装有风力机叶片(51)，风力机叶片(51)从根部到尖端呈中空状，并在根部与圆形钢管(54)的空腔相连通，在圆形钢管(54)出口侧中心处设有轮毂(53)，轮毂(53)沿圆周设有通风机叶片(52)，各通风机叶片(52)的末端固定连接圆形钢管(54)的内壁。
2.一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，包括海水淡化装置(1)、集热棚(2)、涡轮机(3)、烟囱(4)和风压式通风装置(5)；
集热棚(2)包括集热棚底板(22)、覆盖在集热棚底板(22)上方的集热棚盖板(21)，集热棚盖板(21)与集热棚底板(22)之间形成喇叭状的导流腔；导流腔从下往上逐渐变窄；
海水淡化装置(1)包括位于底部的蒸馏池底槽(15)，蒸馏池底槽(15)沿集热棚底板(22)环形设置，蒸馏池底槽(15)的外环侧设有位于底端的浓盐水出口(19)、与海水层(14)相连通的海水进口(18)和位于上端的淡水出口(17)；蒸馏池底槽(15)内沿径向等间距布置多组支撑架(12)，相邻两组支撑架(12)的顶端设置有玻璃隔板(11)，在支撑架(12)两侧位于玻璃隔板(11)的下方均设有向上方斜向延伸的淡水收集器(13)，相邻淡水收集器(13)之间沿底部设有连通两者的引流槽(16)，最外层引流槽(16)的出口处连通淡水出口(17)；
烟囱(4)为包括竖直段和水平段的弯折中空圆筒，导流腔的出口与烟囱(4)的竖直段下端口连通，且在两者连通的中心处设置所述涡轮机(3)；烟囱(4)水平段的出口处水平设置风压式通风装置(5)；
风压式通风装置(5)，包括筒状圆形钢管(54)，圆形钢管(54)通过轴承(55)套在烟囱水平段烟囱外壁(41)上，在圆形钢管(54)的外壁面上沿圆周安装有风力机叶片(51)，风力机叶片(51)从根部到尖端呈中空状，并在根部与圆形钢管(54)的空腔相连通，在圆形钢管(54)出口侧中心处设有轮毂(53)，轮毂(53)沿圆周设有通风机叶片(52)，各通风机叶片(52)的末端固定连接圆形钢管(54)的内壁。
3.根据权利要求2所述的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，玻璃隔板(11)的截面呈开口向下的弧形。
4.根据权利要求2所述的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，玻璃隔板(11)的截面呈开口向下Λ型。
5.根据权利要求4所述的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，玻璃隔板(11)的Λ型截面的顶端夹角范围为90°～120°。
6.根据权利要求2所述的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，位于同一个支撑架(12)上的淡水收集器(13)对称设置。
7.根据权利要求6所述的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，对称设置的两个淡水收集器(13)其截面可以为开口向上的弧形。
8.根据权利要求6所述的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，对称设置的两个淡水收集器(13)其截面可以为开口向上的V型。
9.根据权利要求8所述的一种联合风压式通风装置的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，V型截面的底端夹角范围为60°～90°。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023028203A1 (en) * 2021-08-26 2023-03-02 Aeromine Technologies, Inc. Systems and methods for fluid flow based renewable energy generation
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