CN101358578A - 一种利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置 - Google Patents

Abstract

一种利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，涉及利用太阳能进行发电和进行海水淡化的技术领域。本发明包括太阳能烟囱、透明集热棚、太阳能蒸馏池、涡轮发电机组，透明集热棚覆盖在支撑组上，位于太阳能烟囱与透明集热棚连接处的太阳能烟囱内设置涡轮发电机组；位于透明集热棚的下方设置太阳能蒸馏池和岩石蓄热层，太阳能蒸馏池的上端斜向设置透明盖板，太阳能蒸馏池的下端分别连接海水输入管、盐水输出管、淡水输出管。本发明提高太阳能综合利用效率，提高土地资源的综合利用效率，同时变向降低了每个产品的成本，比如电力、蓄热量、淡水等。

Description

一种利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置

技术领域

本发明涉及利用太阳能进行发电和进行海水淡化的技术领域。

背景技术

太阳能烟囱发电***主要有太阳能烟囱、集热棚、蓄热层和涡轮发电机组等四部分构成。由透明面盖和支架组成的集热棚以太阳能烟囱为中心，呈圆周状分布，并与地表蓄热层有一定距离。透光隔热集热棚相当于一个巨大的玻璃温室，其内的地表蓄热层吸收太阳短波辐射后温度升高，并加热棚内的空气，空气吸收热量，温度升高，密度降低，与外部组境形成密度差，从而形成了压力差。起负压管作用的烟囱加大了***内外的压力差，形成强大的上升气流驱动置于烟囱底部中央的单台空气涡轮发电机或呈组形排列的多台小型空气涡轮发电机组发电。由于蓄热层白天吸收了大量的太阳辐射能，夜间仍会不断释放热量，可实现连续发电。

由于太阳能烟囱发电***固有的发电特性，即昼夜波动，使它缺少火电和水电所特有的适应负荷变化和稳定***的品质。从热力学角度而言，太阳能烟囱发电技术实际上仍是太阳能热动力发电，太阳能集热棚只是温度很低的热源，这就决定了太阳能烟囱发电***单纯用于电力生产的效率很难提高，即使在很理想的情况下也较难取得大于1％的转换效率。同时，太阳能烟囱发电***占地较大，土地利用率较低。

利用太阳能进行海水的淡化，其能量利用方式有两种。一是利用太阳能产生的热能来驱动的海水相变过程，即为蒸馏过程；二是利用太阳能发电来驱动的电渗析过程。太阳能蒸馏技术是指利用从太阳能采集的热量，加热海水，使海水蒸发产生相变过程形成水蒸汽，再使水蒸汽冷凝收集淡水。

传统太阳能蒸馏装置产水量都比较低，有三点原因：一是蒸汽的凝结潜热未被重新利用，而是通过盖板散失到大气中去了。二是传统太阳能蒸馏装置中自然对流的换热模式，大大限制了蒸馏装置热性能的提高。三是传统太阳能蒸馏装置中待蒸发的海水热容量太大，限制了运行温度的提高，从而减弱了蒸发的驱动力。因此，要提高太阳能蒸馏***的产水量，必须克服上述三个缺陷。同时，太阳能蒸馏装置占地较大，土地利用率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对单纯用于电力生产的太阳能烟囱发电***及单纯淡水生产的太阳能蒸馏装置的缺点与不足，提高太阳能综合利用效率，提高土地资源的综合利用效率，同时变向降低了每个产品的成本，比如电力、蓄热量、淡水等。

本发明为实现上述目的，采用如下的技术方案：

本发明包括太阳能烟囱、透明集热棚、太阳能蒸馏池、涡轮发电机组，透明集热棚覆盖在支撑组上，位于太阳能烟囱与透明集热棚连接处的太阳能烟囱内设置涡轮发电机组；位于透明集热棚的下方设置太阳能蒸馏池和岩石蓄热层，太阳能蒸馏池的上端斜向设置透明盖板，太阳能蒸馏池的下端分别连接海水输入管、盐水输出管、淡水输出管。

比较好的是，本发明的太阳能蒸馏池为环形设置，太阳能蒸馏池的径向等间距布置多组支撑组，相邻两组支撑组的上端斜向设置透明盖板，靠近岩石蓄热层的支撑组与岩石蓄热层的上端斜向设置透明盖板。

比较好的是，本发明的每组支撑组包括支墩、支架，支架设置在支墩上端的一侧，支架上固定设置斜向透明集热棚，支墩上固定设置斜向透明盖板。

比较好的是，本发明的各支墩的上端设置水平环形淡水收集槽，各支墩内分别设置垂直淡水引流管，垂直淡水引流管的两端分别水平环形淡水收集槽、淡水输出管连通。

比较好的是，本发明的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述涡轮发电机组的下方与集热棚近中心处下方设置岩石蓄热层，岩石蓄热层的***设置太阳能蒸馏池。

比较好的是，本发明的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述岩石蓄热层的下端设置保温层。

比较好的是，本发明的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述太阳能蒸馏池与海水输入管、盐水输出管、淡水输出管之间设置保温层。

本发明在工作时：由透明面盖和支架组成的透明集热棚以太阳能烟囱为中心，呈圆周状分布，并与太阳能蒸馏池的透明盖板间有一定距离，烟囱底部装有涡轮发电机组。透过透明集热棚和蒸馏池透明盖板的太阳辐射，一部分从水面反射，其余的通过盛水槽中黑色衬里被水体吸收，使海水温度升高，并使部分水蒸发。由于盖板吸收的太阳能很少，且直接向集热棚与透明盖板间的气流散热，故透明盖板的温度低于盘中的水温，因此在蒸馏池内部空间中产生对流，在水面和透明盖板之间将会通过辐射、对流和蒸发进行热交换，使湿空气与透明盖板冷凝面接触。于是，由槽中水蒸发的水蒸气会在透明盖板的下表面凝结而放出汽化潜热。只要透明盖板有一合适的倾角，凝结水就会在重力的作用下顺透明盖板流下，汇集在集水槽中，再通过装置的泄水孔流出蒸馏器外成为成品淡水。受热的海水蓄热层以及水蒸气凝结放出的汽化潜热加热集热棚与太阳能蒸馏池透明盖板间的空气。透过透明集热棚的太阳辐射同时被岩石蓄热层吸收，来进一步加热棚内的空气，空气吸收热量，温度升高，密度降低，与外部环境形成密度差，从而形成了压力差。起负压管作用的烟囱加大了***内外的压力差，形成强大的上升气流驱动置于烟囱底部中央的单台空气涡轮发电机或呈环形排列的多台小型空气涡轮发电机组发电，同时，透明集热棚周围的冷空气进入棚内，形成持续不断的空气循环流动。另一方面，棚内气流速度的增加反过来有利于透明盖板的散热，从而相对地提高了盖板与海水蒸发面的温差，提高淡水产量。研究指出，当风速从0增加到2.15m/s时，装置产水量约有11.5％的增加。从2.15m/s增加到8.81m/s时，装置产水量增加仅为1.5％。这说明，微风有利于产水量的增加，而强风则使产水量增加不明显。这正是将海水蓄热层布置在外侧、岩石蓄热层布置在内侧的原因。外侧海水蓄热层与内侧岩石蓄热层设置比例需根据最佳收益来确定。由于海水与岩石蓄热层白天吸收了大量的太阳辐射能，在夜间仍会不断释放热量，可实现连续发电，生产淡水。

本发明的技术方案与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1、利用本发明的结构，海水在蒸发凝结过程中释放的凝结潜热被用于加热综合***中的气流，气流的流动又会促进海水的蒸发，增大淡水的产量。显著提高了太阳能利用效率。

2、本发明将太阳能发电和太阳能海水淡化装置组合在一起，其建造成本低于同容量单目标太阳能烟囱发电与太阳能海水淡化蒸馏装置的建造成本之和，所占用的土地资源也大大低于同容量单目标太阳能烟囱发电与太阳能海水淡化蒸馏装置的土地资源之和。由此可知，此综合***在改善太阳能的综合转化效率的同时，提高土地资源的综合利用效率，另外还可以从另一个角度变向降低了每个产品(电力、蓄热量、淡水)的成本。

3、本发明在兼顾起蓄热作用的太阳能海水淡化装置的中心设置岩石蓄热层，从而使得在夜晚没有太阳的情况下，也能够完成连续发电和海水的淡化，增强了本发明的使用范围。

4、我国西部太阳能资源十分丰富，平均年日照时间高达2800～3300小时，又有大量可供选址使用的荒地、戈壁滩和沙漠，因而特别适合于建造大型太阳能烟囱电站。再者，基于西部许多地区同时拥有丰富的苦咸水资源，若能实施太阳能烟囱发电与海水淡化的联合开发，势必产生更加巨大的资源利用效益，并提高供电供水质量、供电供水能力，前景十分广阔。

5、本发明的太阳能烟囱电站的建设成本不高，制造技术相对成熟，电站建成后的运行成本和维护费用低；不侵占耕地，不破坏资源，只是利用荒漠的土地；大面积的集热温室进行太阳能海水淡化、原盐生产等综合利用，不仅没有污染，而且可望改善缺水缺电、生态脆弱的西部环境。这些都十分适合我国的国情以及西部的地域和经济条件，同时，也是可能部分替代化石能源的极好途径，若能获得应用，将具有十分巨大的经济、社会和生态效益，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明支撑组的一种结构示意图。

图中：1、太阳能烟囱；2、涡轮发电机组；3、透明集热棚；4、支架；5、透明盖板；6、支撑组；61、支墩；7、冷空气；8、淡水收集槽；9、淡水引流管；10、太阳能蒸馏池；11、岩石蓄热层；12、绝热保温层；13、海水输入管；14、盐水输出管；15、淡水输出管；16、海水(或苦咸水)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明包括太阳能烟囱1、透明集热棚3、太阳能蒸馏池10、涡轮发电机组2，透明集热棚3覆盖在支撑组6上，位于太阳能烟囱1与透明集热棚3连接处的太阳能烟囱1内设置涡轮发电机组2；位于透明集热棚3的下方设置太阳能蒸馏池10和岩石蓄热层11，太阳能蒸馏池10设置在岩石蓄热层11的外周；太阳能蒸馏池10的上端斜向设置透明盖板5，太阳能蒸馏池10的下端分别连接海水输入管13、盐水输出管14、淡水输出管15。太阳能蒸馏池中是海水16或苦咸水。

比较好的是，本发明的太阳能蒸馏池10为环形设置，太阳能蒸馏池10的径向等间距布置多组支撑组6，相邻两组支撑组6的上端斜向设置透明盖板5，靠近岩石蓄热层11的支撑组6与岩石蓄热层11的上端斜向设置透明盖板5。

比较好的是，本发明的每组支撑组6包括支墩61、支架4，支架4设置在支墩61上端的一侧，支架4上固定设置斜向透明集热棚3，支墩61上固定设置斜向透明盖板5。

比较好的是，本发明的各支墩61的上端设置水平环形淡水收集槽8，各支墩61内分别设置垂直淡水引流管9，垂直淡水引流管9的两端分别与水平环形淡水收集槽8、淡水输出管15连通。

比较好的是，本发明的岩石蓄热层11的下端设置保温层12。

比较好的是，本发明的太阳能蒸馏池10与海水输入管13、盐水输出管14、淡水输出管15之间设置保温层12。

下面通过一组数据来对比独立的太阳能烟囱发电***与太阳能烟囱发电海水淡化综合***对太阳能的利用率：

为了计算上的统一，假设集热棚直径为D_coll＝250m，岩石蓄热层直径为D_xu＝40m，烟囱直径为D_ch＝10.3m，高度为H_ch＝200m，集热棚入口处高度为H_coll，in＝2m，海水层厚度为H_w＝0.05m。

同时在分析中取稳定气象条件：平均太阳辐射强度为H＝800W/m²，平均环境温度为t_a＝27.2℃。下面公式中η_w为涡轮机和发电机组的功率，单位是W；T_ch，in为烟囱入口处空气温度，单位是K；ρ_ch，in为烟囱入口处空气密度，单位是K；q_ew为从水面到凝结面的热量传输速率，单位是W/m²；h_fg为水的气化潜热，单位是J/kg。

1.独立太阳能烟囱发电***

太阳能烟囱发电***的发电功率为：

$P_e=\frac{1}{3}{\mathrm{\η}}_w{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ch},\mathrm{in}}\left(\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{ch}}^2\right){\left(2g{H}_{\mathrm{ch}}\frac{T_{\mathrm{ch},\mathrm{in}}-T_a}{T_a}\right)}^{3/2}=2.8955\×{10}^{5}W$

太阳能利用效率为：

${\mathrm{\η}}_{\mathrm{sc}}=\frac{P_e}{H\·\frac{1}{4}\mathrm{\π}(D_{\mathrm{coll}}^2-D_{\mathrm{ch}}^2)}=0.74\%$

2.太阳能烟囱发电-蓄热层-海水淡化综合***

太阳能烟囱发电***的发电功率为：

$P_e=\frac{1}{3}{\mathrm{\η}}_w{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ch},\mathrm{in}}\left(\frac{1}{4}\mathrm{\π}{D}_{\mathrm{ch}}^2\right){\left(2g{H}_{\mathrm{ch}}\frac{T_{\mathrm{ch},\mathrm{in}}-T_a}{T_a}\right)}^{3/2}=1.2912\×{10}^{5}W$

产水量：

${\stackrel{\·}{m}}_e=\frac{q_e}{h_{\mathrm{fg}}}=1.842\×{10}^{-4}\mathrm{kg}/(m^2\·s)$

综合***太阳能利用效率为： ${\mathrm{\η}}_{\mathrm{system}}=\frac{\frac{1}{4}\mathrm{\π}(D_{\mathrm{coll}}^2-D_{\mathrm{xu}}^2)q_{\mathrm{ew}}+P_e}{\frac{1}{4}\mathrm{\π}(D_{\mathrm{coll}}^2-D_{\mathrm{ch}}^2)\·H}=55.35\%.$

从上面的数据可以看出，同时具有太阳能烟囱发电和海水淡化功能的太阳能利用率更高。

Claims (6)

1、一种利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：包括太阳能烟囱(1)、透明集热棚(3)、太阳能蒸馏池(10)、涡轮发电机组(2)，透明集热棚(3)覆盖在支撑组(6)上，位于太阳能烟囱(1)与透明集热棚(3)连接处的太阳能烟囱(1)内设置涡轮发电机组(2)；位于透明集热棚(3)的下方设置太阳能蒸馏池(10)和岩石蓄热层(11)，太阳能蒸馏池(10)设置在岩石蓄热层(11)的外周；太阳能蒸馏池(10)的上端斜向设置透明盖板(5)，太阳能蒸馏池(10)的下端分别连接海水输入管(13)、盐水输出管(14)、淡水输出管(15)。

2、根据权利要求1所述的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述太阳能蒸馏池(10)为环形设置，太阳能蒸馏池(10)的径向等间距布置多组支撑组(6)，相邻两组支撑组(6)的上端斜向设置透明盖板(5)，靠近岩石蓄热层(11)的支撑组(6)与岩石蓄热层(11)的上端斜向设置透明盖板(5)。

3、根据权利要求2所述的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述每个支撑组(6)包括支墩(61)、支架(4)，支架(4)设置在支墩(61)上端的一侧，支架(4)上固定设置斜向透明集热棚(3)，支墩(61)上固定设置斜向透明盖板(5)。

4、根据权利要求2所述的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述各支墩(61)的上端设置水平环形淡水收集槽(8)，各支墩(61)内分别设置垂直淡水引流管(9)，垂直淡水引流管(9)的两端分别水平环形淡水收集槽(8)、淡水输出管(15)连通。

5、根据权利要求3所述的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述岩石蓄热层(11)的下端设置保温层(12)。

6、根据权利要求1所述的利用太阳能进行烟囱发电及海水淡化的装置，其特征在于：上述太阳能蒸馏池(10)与海水输入管(13)、盐水输出管(14)、淡水输出管(15)之间设置保温层(12)。

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