CN102322410B - 利用太阳能形成热气流发电的方法 - Google Patents

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一种利用太阳能形成热气流发电的方法，涉及太阳能集热棚(6)、热风塔(1)和发电机组(4)，其特征在于：选择山脊(5)最高处垂直向上建造一个风筒，沿风筒垂直向下建造一个竖井，风筒和竖井构成热风塔(1)；竖井周边建造多个构成进风通道(3)的平巷，平巷与竖井周边切向连通；沿山脊的斜坡建设有太阳能集热棚(6)，太阳能集热棚(6)和地面之间有一定间隙，太阳能集热棚(6)的最高处和侧边与大气隔断，最低处与大气连通，太阳能集热棚(6)与地面之间围成的空间构成温室；每个进风通道(3)的进风口位于温室内；在每个进风通道(3)中装有发电机组(4)。本发明可利用山脊荒地，实现太阳能和辅助能源并机发电。

Description

利用太阳能形成热气流发电的方法
一、技术领域
本发明涉及太阳能发电站技术，具体为利用太阳能形成热气流发电的方法。 
二、背景技术
太阳能发电塔技术源于德国斯图加特大学Schlaich教授于1978年提出的大胆构想。该发电***主要由太阳能集热棚、热风塔和涡轮发电机组三个基本部分构成。太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的地面上，集热棚和地面之间有一定间隙，可以让周围空气进入***；集热棚中间离地面一定距离处装着烟囱(热风塔)，在烟囱底部装有一台涡轮机。集热棚是采用透光的材料制成，太阳能辐射透过集热后：大部分太阳能在集热棚内形成“温室效应”，使集热棚内的空气温度升高，密度降低；位于集热棚中央的烟囱，高耸达数百米乃至上千米，集热棚内的热气流在烟囱的抽吸下不断向集热棚中心汇集，进气道产生强大的热气流沿烟囱上升，从而推动涡轮风力机组旋转，带动发电机组发电；同时集热棚周围的冷空气不断地吸入集热棚，形成热力循环。在空气流动过程中，伴随着三个能量转换的过程，首先空气被加热，太阳能转化为空气内能；由于空气在烟囱内的上升流动，内能转变为动能；当空气流到涡轮机时，气流推动涡轮机转子转动，动能又转化成我们所需的电能。因此太阳能热气流发电的热力循环过程本质上是一个热机循环过程。其余部分太阳能被集热棚下面的地面吸收。 
中国专利申请201010296818公开了一种热能风力发电机，包括热能、风囱、涡轮、电机四个部件，其特征是：在综合目前公知的各种风力发 电机优势基础上，克服现有风力发电机无风不起动的缺陷，运用阳光热幅射、空气热膨胀等原理，设计出一种利用阳光热能激发空气流动、利用高空气流增强气流能量的装置，使装置即使在天然风速等于零的情况下，也能单纯依靠阳光热能和高低空气流温差正常运转发电。 
中国专利申请200810062186公开了一种新型太阳能热气流风力发电方法。其技术方案是：风力发电机在自然风能发电的基础上叠加热气流的风能发电，该热气流是利用太阳能产生的热量对风力发电***塔架导风筒底部的空气加热，由于筒状塔架导风筒的拔风效应，塔架导风筒底部的热空气将以热气流的形式沿塔架内腔高速上升，该热气流产生的风力去驱动位于塔架内部的涡轮旋转，该涡轮通过传动轴与风力发电机机舱的齿轮箱内部的齿轮连接，驱动风力发电机。热气流通过集热装置收集太阳能，该集热装置为一上下开口呈锥面塔形结构；其顶部开口与塔架的导风筒部分下端开口匹配相连，底部固定于底座或支架。集热装置将太阳能转化为热能，加热塔架导风筒底部锥形塔内部的空气，内部空气越热，塔架导风筒内部的热气流风速越大，塔架内部的涡轮转速也就越大。旋转的涡轮通过传动轴和风力发电机内部的齿轮箱驱动风力发电机发电。 
但是上述技术存在很多明显的不足，如：1、太阳能发电需要吸收大量的热，那么收集装置就会很大，引起占地面积很大；2、由于晚上没有太阳能，夜间发出的电能很小，甚至可能不发电；3、目前已公布的热能风力发电机解决不了无风不启动的问题，也没有解决大规模发电的技术瓶颈；4、现有太阳能热气流风力发电方法中太阳能产生电能的效率太低，很难大规模发电。 
三、发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计一种能尽量利用山脊荒地，通过合理设计，能实现大规模发电的利用太阳能形成热气流发电的方法；同时，光照不足时，还可通过其它辅助能源(如焚烧垃圾等)给塔内的空气加热，以保证连续不断发电。从而可利用山脊荒地，实现太阳能和辅助能源并机发电。
本发明的具体技术方案是： 
一种利用太阳能形成热气流发电的方法，涉及太阳能集热棚、热风塔和发电机组，其特征在于： 
A、选择山脊最高处垂直向上建造一个截面为圆形的风筒，同时沿风筒的中心线垂直向下建造一个截面为圆形的竖井，风筒和竖井无缝连接构成热风塔； 
B、沿竖井周边建造多个圆形平巷，圆形平巷与竖井周边切向连通，圆形平巷构成进风通道； 
C、沿山脊周边的斜坡建设有一个或多个太阳能集热棚，太阳能集热棚和地面之间有一定间隙，每个太阳能集热棚的最高处和侧边与大气隔断，最低处与大气连通，每个太阳能集热棚与地面之间围成的空间构成一个温室； 
D、每个进风通道的进风口位于相应的温室内； 
E、在每个进风通道中装有发电机组。 
在本发明中，山脊应该尽量是日照强的荒坡地；风筒可以是圆筒形或锥形，竖井也可以是圆筒形或锥形；各圆形平巷可以掘在相同等高线上也可以掘在不同等高线上；圆形平巷一般要有适当坡度，以利于圆形平巷内积水能自然流出等；每个太阳能集热棚之间可以有一定间隔(间隔空间可以作为检修通道、建设相应辅助设施等)；进风通道的进风口应该位于温室的较高处；发电机组可以是涡轮风力发电机组。 
进一步方案是，在每个温室中的地面上装有集热盘管，在热风塔底部装有热辐射散热盘管，热辐射散热盘管两端通过管路与集热盘管连通构成循环管路，管路中装有传热介质，管路上还装有泵。传热介质一般为水或空气，从而可进一步利用太阳能。 
进一步方案是，在集热盘管与地面之间铺有隔热层。以便提高太阳能的热效率。 
进一步方案是，热辐射散热盘管两端还配备有(并联有)辅助加热装置。以便光照不足时，还可通过其它辅助能源(如焚烧垃圾等)给塔内的空气加热，保证连续不断发电。辅助加热装置可以建在山脊较平坦处。 
在具体设计时，还应该充分考虑：随着塔高及塔的直径增加，热风塔塔内产生的浮力就越大；进风通道的风速与热风塔的塔高和直径，进风通道长度、直径，加热方式等因素有关。 
进风通道与热风塔切向连接，可提高热风塔内的抽吸效果，增大进风通道的空气流速，使发电机组产生更大的输出功率。 
本发明的发电机组是安装在进风通道中，而不是像其它太阳能烟囱电站安装在热风塔底部中央。这种方式避免了热风塔内空气流动对涡轮风力发电机的影响，从而提高了风电机组的工作效率。 
本发明的外加热源是多元化的，白天可以利用太阳能；在夜晚或日照不强的情况下，可以利用白天存储的多余太阳能，或者利用当地垃圾等可利用的再生能源，从而使发电站能够持续发电。 
所述热风塔底部可以是上小下大的锥形，以便在热风塔底部安装发电站辅助设备，热风塔大部分最好位于山体的内部。 
热辐射散热盘管最好安装在热风塔的底部中央，以便均匀加热热风 塔内的空气。 
发电机组最好安装于进风通道靠近热风塔的一端。 
其中： 
1、热风塔：热风塔的底部直径，塔体直径及热风塔的高度都必须严格按照理论计算结果进行设计。 
2、进风通道：进风通道与热风塔切向连接，可提高热风塔内的抽吸效果，增大进风通道的空气流速，使发电机组产生更大的输出功率。经过前期试验，这种切向进风的方法与其它进风方式相比较，可以更好的引导热风塔内的空气流动。 
3、发电机组采用最新的无芯稀土永磁发电机时，可以使发电效率得到很大提升。 
当然，在实践中还需要至少考虑下列因素： 
1、进风通道内空气流速是与热风塔的塔高和直径、进风通道长度、直径、加热方式等因素有关。热风塔越高，其建造难度越大，建造成本也相应越高。所以，不能仅因为追求单个热风塔的输出功率而一味追求大尺寸的热风塔，而应根据各方面的因数综合考虑。 
2、电站应选在太阳能比较丰富的地方，热风塔的选址一般尽量选择在孤立的山峰上建造，热风塔的大部分建在山体内部，以减少外部突出高度，以降低其建造的难度。 
本发明还具有以下优点： 
1、本发明充分利用了太阳能集热棚的“温室效应”和热风塔的抽吸作用。比传统太阳能发电站，占用更少的有效土地。 
2、其外加热能采用太阳能和辅助热能，使其外加热源供给方式多样化，从而保证其白天和夜晚都能稳定发电。 
四、附图说明
图1是采用本发明方法设计的一种太阳能电站的构造剖面示意图。 
图2是进风通道与热风塔连接大样图。 
图3是加热***图。 
图4是白天太阳能加热空气和水管示意图(图1的A-A剖面示意图)。 
图5是夜晚水管散热加热空气示意图(图1的A-A剖面示意图)。 
附图中：1、热风塔；2、热辐射散热盘管；3、进风通道；4、发电机组；5、山体；6、太阳能集热棚；7、隔热层；8、集热盘管；9、泵；10、辅助能源加热装置；11、填充层。 
五、具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。本发明的应用范围不限于该实例。 
参照图1、图2、图3、图4、图5，一种利用太阳能形成热气流发电的方法，涉及太阳能集热棚6、热风塔1和涡轮风力发电机组4，其特征在于： 
A、选择山脊5最高处垂直向上建造一个截面为圆形的风筒，同时沿风筒的中心线垂直向下建造一个截面为圆形的竖井，风筒和竖井无缝连接构成热风塔1； 
B、沿竖井底部周边建造多个圆形平巷，圆形平巷与竖井底部周边切向连通，圆形平巷构成进风通道3； 
C、沿山脊周边的斜坡建设有一个巨大的太阳能集热棚6，太阳能集热棚6和地面之间有一定间隙，太阳能集热棚6的最高处和侧边与大气隔断，最低处与大气连通，太阳能集热棚6与地面之间围成的空间构成温室； 
D、每个进风通道3的进风口位于温室内； 
E、在每个进风通道3中装有涡轮风力发电机组4，其中发电机为无芯稀土永磁发电机； 
在温室中的地面上装有集热盘管8，在热风塔1底部装有热辐射散热盘管2，热辐射散热盘管2两端通过管路与集热盘管8连通构成循环管路，管路中装有传热介质—水，管路上还装有促使传热介质循环的水泵9。在集热盘管8与地面之间铺有隔热层7。热辐射散热盘管(2)两端还并联有辅助加热装置10。集热盘管8与隔热层7之间充填有保温填充层11。 
在夜间可以把白天收集的太阳能释放出来用以加热空气，或者用辅助能源来加热空气，使电站在夜间也能持续稳定的发电。 

Claims (3)

1.一种利用太阳能形成热气流发电的方法，涉及太阳能集热棚(6)、热风塔(1)和发电机组(4)，其特征在于：
A、选择山脊(5)最高处垂直向上建造一个截面为圆形的风筒，同时沿风筒的中心线垂直向下建造一个截面为圆形的竖井，风筒和竖井无缝连接构成热风塔(1)；
B、沿竖井周边建造多个圆形平巷，圆形平巷与竖井周边切向连通，圆形平巷构成进风通道(3)；
C、沿山脊周边的斜坡建设有一个或多个太阳能集热棚(6)，太阳能集热棚(6)和地面之间有一定间隙，每个太阳能集热棚(6)的最高处和侧边与大气隔断，最低处与大气连通，每个太阳能集热棚(6)与地面之间围成的空间构成一个温室；
D、每个进风通道(3)的进风口位于相应的温室内；
E、在每个进风通道(3)中装有发电机组(4)。
在每个温室中的地面上装有集热盘管(8)，在热风塔(1)底部装有热辐射散热盘管(2)，热辐射散热盘管(2)两端通过管路与集热盘管(8)连通构成循环管路，管路中装有传热介质，管路上还装有泵(9)。
2.根据权利要求1所述的利用太阳能形成热气流发电的方法，其特征在于：在集热盘管(8)与地面之间铺有隔热层(7)。
3.根据权利要求1所述的利用太阳能形成热气流发电的方法，其特征在于：热辐射散热盘管(2)两端还配备有辅助能源加热装置(10)。
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