CN106698567A - 一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，海水蓄热层底槽吸收太阳辐射加热海水，海水蒸发为水蒸气被从集热棚进口流入的气流携带，湿热空气通过集热棚进入烟囱底部的冷凝器中，经过换热壁面的换热使湿热空气的温度下降，析出的液态水最后被淡水储存池收集，提高海水淡化效果；换热后的空气在烟囱效应的作用下带动涡轮机旋转做功，涡轮机消耗了气流大部分压力势能及部分动能，剩下的小部分压力势能和动能用以驱动气流向烟囱出口逸出，高空风吹动H型垂直轴风力机叶片旋转时，也会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，从而加速了烟囱内做完功的热气流的排出，强化了烟囱效应。
Description
技术领域
本发明涉及利用太阳能进行发电及海水淡化技术领域，具体涉及一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置。
背景技术
太阳能是新能源和可再生能源的一种，具有清洁、环保、持续、长久的优势，成为人们应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，越来越受到世人的强烈关注。
利用太阳能进行发电以及海水淡化，可以充分利用太阳能能量。现有的利用太阳能进行发电及海水淡化装置，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，使得海水淡化更具经济效益，但是由于依靠透明盖板来实现水汽冷凝为淡水，利用效率低下，造成热能的无端浪费。并且太阳能烟囱发电***在烟囱高度和集热棚半径一定的情况下，***内外的气流密度差是影响***内外压差大小的主要因素。由于空气密度小，尽管***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***发电量的提高，这是***本身的不足。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，通过海水蓄热层和冷凝器实现海水淡化，通过H型垂直轴风力机和通风机整体结构不仅利用高空风资源发电，而且加大了烟囱内部负压从而提高了太阳能烟囱发电***的发电量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，包括集热棚、冷凝器、涡轮机、烟囱和风力发电装置；
所述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；导流腔的外环为其进口，内环为其出口；集热棚底部设置淡水储存池和蓄热层，蓄热层位于淡水储存池的外周；
所述冷凝器设置于导流腔的中心处，冷凝器包括多层沿集热棚盖板内壁弧形设置的换热壁面，各层换热壁面间隔设置；各层换热壁面的顶端连通分流管，水泵将海水池中的海水引入分流管中；各层换热壁面的末端连通汇流管，汇流管的出口处连通位于底部的蓄热层；各层换热壁面的末端下方设置有淡水收集槽，各层淡水收集槽由导流内管连通，导流内管的出口处连通淡水存储池；
所述烟囱为竖直中空圆筒，导流腔的出口与烟囱的下端口连通，且在两者连通的中心处设置所述涡轮机；烟囱的上端口中心处设置风力发电装置；
所述风力发电装置包括通风机和风力机，通风机的上方安装所述风力机，涡轮机、通风机和风力机的旋转中心轴与烟囱中心轴重合，风力机的叶片与通风机的叶片刚性连接以带动通风机的叶片转动。
进一步的，每层换热壁面包括内外双层壁面形成的圆形腔体，腔体内由沿圆周均匀排列的挡板分隔呈多条冷凝液流道。
进一步的，各层换热壁面的顶端处于同一水平面，末端处于同一垂直面。
进一步的，汇流管包括对应各层换热壁面末端的圆形第二分支管，各层第二分支管通过竖直设置的第二主干管相连通，第二主干管的末端出口连通海水蓄热层。
进一步的，淡水收集槽的一端位于换热壁面末端下表面的下方，其表面呈流线形，另一端呈弯勾形与换热壁面的末端开口相对。
进一步的，淡水存储池的上方设有盖板。
进一步的，进一步的，所述通风机为轴流式通风机，所述风力机为H型垂直轴风力发电机。
进一步的，通风机叶片与风力机叶片一一对应垂直连接。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明将海水用作冷却液，不仅利用海水实现湿热空气的冷凝和淡水的析出，而且冷凝器反过来对海水起到预热作用，使能量得到充分的利用；通过H型垂直轴风力机和通风机整体结构不仅利用高空风资源发电，而且加大了烟囱内部负压从而提高了太阳能烟囱发电***的发电量。分流管和汇流管起到均匀分配流量的作用，加强了换热壁面的换热效果，提高了冷凝器的换热效率。本发明一方面实现太阳能和风能的综合利用，另一方面实现淡水产出，能解决缺水地区的供水问题。
附图说明
图1是本发明发电及海水淡化装置的结构示意图；
图2是本发明中冷凝器的结构示意图；
图3是冷凝器中换热壁面的截面图；
图4是冷凝器中分流管的俯视图；
图5是冷凝器中汇流管的主视图；
图6是冷凝器中淡水收集槽的结构示意图；
图7是风力发电装置的结构示意图；
图8是风力发电装置的俯视图。
附图标记：1、蓄热层；11、限流阀；12、隔板；2、集热棚；21、集热棚底板；22、集热棚盖板；3、冷凝器；31、换热壁面；311、挡板；312、冷凝液流道；32、分流管；321、第一主干管；322、第一分支管；33、水泵；34、汇流管；341、第二分支管；342、第二主干管；35、淡水收集槽；36、导流内管；37、淡水储存池；38、盖板；4、涡轮机；5、烟囱；6、风力发电装置；61、主轴；62、上连杆；63、风力机叶片；64、支座；65、发电机组；66、通风机叶片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。
本发明的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，如图1至图8所示，包括集热棚2、冷凝器3、涡轮机4、烟囱5和风力发电装置6；
所述集热棚2包括集热棚底板21、覆盖在集热棚底板21上方的集热棚盖板22，集热棚盖板22与集热棚底板21之间形成喇叭状的导流腔；导流腔的外环为其进口，内环为其出口；集热棚1底部设置淡水储存池37和蓄热层1，蓄热层1位于淡水储存池37的外周；
所述冷凝器3设置于导流腔的中心处，冷凝器3包括多层沿集热棚盖板22内壁弧形设置的换热壁面31，各层换热壁面31间隔设置；各层换热壁面31的顶端连通分流管32，水泵33将海水池中的海水引入分流管32中；各层换热壁面31的末端连通汇流管34，汇流管34的出口处连通位于底部的蓄热层1；各层换热壁面34的末端下方设置有淡水收集槽35，各层淡水收集槽35由导流内管36连通，导流内管36的出口处连通淡水存储池37；
所述烟囱5为竖直中空圆筒，导流腔的出口与烟囱5的下端口连通，且在两者连通的中心处设置所述涡轮机4；烟囱5的上端口中心处设置风力发电装置6；
所述风力发电装置6包括通风机和风力机，通风机的上方安装所述风力机，涡轮机、通风机和风力机的旋转中心轴与烟囱中心轴重合，风力机的叶片与通风机的叶片刚性连接以带动通风机叶片转动。
在本实施例中，冷凝器3位于集热棚2的底部，其结构图如图2所示，绕集热棚竖直中心圆形对称设置。集热棚2为集热棚盖板22与集热棚底板21之间形成喇叭状的导流腔；导流腔从下往上逐渐变窄，冷凝器即位于导流腔的竖直中心处。
换热壁面的截面图如图3所示，各层换热壁面31包括内外双层壁面形成的圆形腔体，腔体内由沿圆周均匀排列的挡板311分隔呈多条冷凝液流道312，每一条流道的进口与分流管相连。各层换热壁面的顶端处于同一水平面，末端处于同一垂直面。
分流管的结构图如图4所示，分流管水平设置，包括与各层换热壁面顶端对应的圆形第一分支管322，各层第一分支管通过半径上第一主干管连通，两个第一主干管321的进水口分别连通水泵。在水泵33作用下，海水池的海水从分流管32两侧汇入***第一主干管321中，海水沿着***第一主干管管道的入口进入内部第一分支管管道中，各层第一分支管相互连通，第一分支管管道下部有连接口，分流管下部连接口与换热壁面内部流道一一对应，连接管管径上小下大，下部正好嵌入一条流道入口处。每个连接口与换热壁面内冷凝液流道相连，保证海水均匀的流入换热壁面31中。分流管32能均匀分配流量，使海水以一定流速均匀流入换热壁面31中，加强了换热壁面的换热效果，提高了冷凝器的换热效率。
汇流管的结构如图5所示，汇流管34竖直设置，包括对应各层换热壁面末端的圆形第二分支管341，各层第二分支管341通过竖直设置的第二主干管342相连通，第二主干管342的末端出口连通海水蓄热层1。每层第二分支管呈圆环形且每一层半径相同，每一层第二分支管上有连接口，每个连接口与换热壁面31末端出口相连，海水在通过汇流管34后流入海水蓄热层中。汇流管起到均匀分配流量的作用，加强了换热壁面的换热效果，提高了冷凝器的换热效率。
为控制海水蓄热层内海水量，从海水蓄热层内向外部海水池延伸一根管道，在管道内安装限流阀11。限流阀11控制流入海水蓄热层的流量，保证海水蓄热层处于同一水平高度。
淡水收集槽35的结构如图6所示，淡水收集槽35的一端位于换热壁面31末端下表面的下方，其表面呈流线形，可以减少湿热空气气流阻碍，其另一端呈弯勾形与换热壁面的末端开口相对，减少淡水蒸发，且弯勾高度和换热壁面直径相当，避免阻碍气流。一层淡水收集槽就是由如图所示截面沿集热棚中心竖直轴旋转360度而成。淡水收集槽35整***于换热壁面31的右下方，顺着换热壁面的弧形坡度放置，形成包覆换热壁面31末端开口的形状，使沿换热壁面上表面及下表面留下的淡水落入淡水收集槽35中。每层淡水收集槽35在底部开口，使淡水可以下流，在各层淡水收集槽35开口处连接导流内管36，使淡水通过导流内管36下流。
淡水存储池37位于集热棚底部，淡水存储池37与海水蓄热层1之间竖直设置有隔板38。淡水存储池的上方设有盖板38，由于盖板38的存在能减少淡水的蒸发损失。
风力发电装置结构如图7和图8所示，风力机为H型垂直轴风力发电机，风力机包括中心主轴61、上连杆62、风力机叶片63、和风力机发电组645，中心主轴61的中心线与烟囱5中心线重合，中心主轴61向烟囱5内部延伸，通过支座64与烟囱壁固定，风力机包括5个竖直的风力机叶片63，沿中心主轴61圆周均匀分布，风力机叶片63的旋转半径与烟囱5半径相同，5个风力机叶片的上端通过水平的上连杆62刚性连接，风力机发电组64安装在中心主轴61的下端。
通风机为轴流式通风机，通风机包括5个通风机叶片66，通风机叶片66与风力机叶片63一一对应刚性连接，同时作为风力机叶片63下端的连杆，以使通风机叶片66与风力机叶片63一同旋转。
本发明冷凝器进行海水淡化的工作原理为：外界空气经集热棚进口流入集热棚2，在白天，海水蓄热层1底槽吸收太阳辐射，由于海水温度升高使海水蒸发加剧形成湿热空气，湿热空气沿集热棚2内导流腔进入冷凝器3中。同时，远处海水池中的海水在水泵33的作用下进入分流管32，海水经分流管32均匀流入各层换热壁面31中，湿热空气在经过换热壁面31时将一部分热量交换给海水，因此湿热空气温度下降并且析出液态水。液态水沿着换热壁面31外表面流下被淡水收集槽35收集，淡水收集槽35呈弯勾形且过渡平缓，对热气流流动干扰很小，收集到的淡水的蒸发损失小，最后淡水沿着导流内管36流入淡水储存池37中。
流经换热壁面31的海水吸收了湿热空气的热量而升温，沿着汇集管34流入海水蓄热层1中，因此海水蓄热层中的海水有一定的初始温度，冷凝器对于海水起到预热作用。在白天，海水蓄热层中的海水温度继续升高使蒸发加剧，因此有源源不断的湿热空气进入冷凝器中。汇集管34向外部延伸的水管起到控制流量的作用，当海水蓄热层超过额定高度时，限流阀11停止限流，将多余海水排到外部海水池中。
海水池中的海水经过换热壁面31预热后补充进入海水蓄热层，同时海水进口也以一定速度补充海水，使海水层保持在一定高度，上层海水由于蒸发盐浓度上升，因此在白天上层盐浓度大于下层盐浓度，热量的向上传递被抑制，海水蓄热层底槽吸收的热量被更多的保留下来。到晚上，上层海水蒸发减缓，随着盐分的不断沉降，下层盐浓度大于上层盐浓度，热量开始更快的向上传递，从而保证了夜晚海水层仍能维持较高温度，而海水蓄热层底槽的浓盐水通过浓盐水出口排出，形成了一个简易的太阳池***。
海水蒸发形成的水蒸气被流入集热棚2的气流携带，在气流不断向前流动过程中气流含湿量不断加大，在气流到达烟囱5底部之前相对湿度已经达到饱和。当饱和热气流流动到烟囱5底部时，气流的密度下降，***内外密度差加大，烟囱效应加剧，因此气流上升并流入冷凝器3中，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。在饱和热气流流过冷凝器3中的换热壁面31时，气流温度下降并且析出液态水，液态水最后被收集到淡水储存池37中。
在烟囱5底部***内外密度差和压差为最大，因此在此处设置轴流式涡轮机4，上升气流推动涡轮机4的叶片旋转，并带动相应的发电机进行发电。涡轮机4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5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，然后热气流流入H型垂直轴风力机和通风机整体结构6中。
由于高空中风速较大，高空自然风推动烟囱5上方的H型垂直轴风力机的叶片旋转，并带动相应风力发电组65进行发电。
由于H型垂直轴风力机的叶片63与通风机叶片66刚性连接，在风力机叶片63旋转时带动通风机叶片66一起旋转，使得通风机正常工作。旋转的通风机叶片65产生的负压加速了烟囱内做完功的热气流的排出，烟囱内外压差进一步加大，强化了烟囱效应，使得涡轮机4的输出功率得到提高。
下面采用西班牙太阳能电站的原型尺寸，在西班牙太阳能烟囱原型中，烟囱高度为200m，直径10m，集热棚直径为250m，进口高度2m，出口高度8m。来对比单一的太阳能烟囱电站、联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置和本发明联合冷凝器和风力机的太阳能热气流发电装置的总输出功率。
取西班牙原型电站的数据：烟囱高度Hch＝200m，烟囱半径Rch＝5m，集热棚半径Rcoll＝125m。
同时在对比中取相同的气象条件，平均太阳辐射强度I＝1000W/m2，外界空气温度Ta＝298.15K。公式中，ηc为集热棚效率,ηc＝0.32；Cp为空气比热容，Cp＝1000J/(kg·℃)；ρ为空气密度，假设为定值ρ＝1.225kg/m3；g为重力加速度，g＝9.81m/s2；η为气流转化效率，取η＝0.4。
单一的太阳能烟囱电站的相关数据如下：
从集热棚入口到出口温升其中m为质量流量，
质量流量m＝ρπRch 2v，其中v为空气流速，
空气流速
将上述数据代入以上3个方程，联立以上的方程可解得：
ΔT＝12.652K,m＝1241.51Kg/s,v＝12.904m/s
涡轮机处相对压差
气流功率P＝ΔP×m/ρ＝99.156kW，
输出功率N＝η×P＝39.66kW。
联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置的相关数据如下：
H型垂直轴风力机有如下设计参数：叶轮直径d＝10m，叶片长l＝15m，额定风速v＝15m/s，额定转速n＝200rpm，风能利用系数Cp＝0.15。
风功率
H型垂直轴风力机输出功率N′＝CpPw＝37.21kW，
轴流式通风机转速与H型垂直轴风机相同n′＝n＝200rpm，风轮直径d′＝d＝10m。在质量流量m＝1241.51kg/s为一定值的前提下，即风量V＝m×3600/ρa＝3.65×106m3/h、n′＝200rpm、d′＝10m的条件下，选取某一种型号的垂直轴轴流式通风机，所得到的负压在30Pa-40Pa之间，在这里，取负压ΔP′＝35Pa。
则输出功率N″＝ηm×(ΔP+ΔP′)/ρ＝53.851kW，相比较单一的太阳能烟囱电站输出功率，提升了14.191kW，提升幅度为35.8％。而发电装置总输出功率Nall＝N′+N″＝91.061kW。
本发明联合冷凝器和风力机的太阳能热气流发电装置的相关数据如下：
H型垂直轴风力机和轴流式通风机的设计参数同上。
在ANSIS FLUENT 15里面进行数值模拟，可得：热气流在到达烟囱底部前湿度已经达到饱和；在进入冷凝器前气流温度为T1＝310.802K，流出冷凝器的气流温度为T2＝308.556K，此时的热饱和湿空气密度ρ′＝1.195Kg/m3。
查询标准大气压下不同温度下饱和湿空气的含湿量表，可得：当T1＝310.802K时，含湿量Q1＝43.1g/Kg；当T2＝308.556K时，含湿量Q2＝37.5g/Kg。
此时：ΔT′＝10.406K
m′＝ρ′πRch 2v′＝1098.39Kg/s
P″＝(ΔP″+ΔP′)m/ρ′＝104.85KW
N″′＝ηP″＝41.940KW
Nall′＝N″′+N′＝79.15KW
产水量R＝m′×(43.1-37.5)＝6150.984g/s，而间壁式冷凝器效率一般为α＝20％，则实际的产水量R′＝α×R＝307.55g/s＝4428.71Kg/h＝4.43ton/h
相比较联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置，虽然本发明装置总输出功率下降了11.911KW，但是每小时会产出4.43吨的淡水，改善了缺水地区的供水问题。
通过理论计算可以看出，通过风力增压***驱动的联合海水淡化太阳能烟囱发电***中太阳能综合利用率有了大幅提升。为了进一步证明本发明的优越性，通过以西班牙原型尺寸建模，并在ANSYS FLUENT 15里面进行数值模拟，具体模拟过程参考《海水淡化太阳能烟囱联合发电***热力性能数值模拟》(《热力发电》，第45卷1期，2016年1月)。模拟结果显示：本发明联合冷凝器和风力机的太阳能热气流发电装置的发电量比单一的太阳能烟囱提高了2.28kW，相比于联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置发电量下降了11.911kW，但同时能够产出淡水4.43ton/h，太阳能综合利用率得到极大地提高，而且H型垂直轴风力机发电功率为37.21kW，充分的利用了环境资源。
本发明将海水用作冷却液，不仅利用海水实现湿热空气的冷凝和淡水的析出，而且冷凝器反过来对海水起到预热作用，使能量得到充分的利用；通过H型垂直轴风力机和通风机整体结构不仅利用高空风资源发电，而且加大了烟囱内部负压从而提高了太阳能烟囱发电***的发电量。分流管和汇流管起到均匀分配流量的作用，加强了换热壁面的换热效果，提高了冷凝器的换热效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，包括集热棚、冷凝器、涡轮机、烟囱和风力发电装置；
所述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；导流腔的外环为其进口，内环为其出口；集热棚底部设置淡水储存池和蓄热层，蓄热层位于淡水储存池的外周；
所述冷凝器设置于导流腔的中心处，冷凝器包括多层沿集热棚盖板内壁弧形设置的换热壁面，各层换热壁面间隔设置；各层换热壁面的顶端连通分流管，水泵将海水池中的海水引入分流管中；各层换热壁面的末端连通汇流管，汇流管的出口处连通位于底部的蓄热层；各层换热壁面的末端下方设置有淡水收集槽，各层淡水收集槽由导流内管连通，导流内管的出口处连通淡水存储池；
所述烟囱为竖直中空圆筒，导流腔的出口与烟囱的下端口连通，且在两者连通的中心处设置所述涡轮机；烟囱的上端口中心处设置风力发电装置；
所述风力发电装置包括通风机和风力机，通风机的上方安装所述风力机，涡轮机、通风机和风力机的旋转中心轴与烟囱中心轴重合，风力机的叶片与通风机的叶片刚性连接以带动通风机的叶片转动。
2.根据权利要求1所述的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，每层换热壁面包括内外双层壁面形成的圆形腔体，腔体内由沿圆周均匀排列的挡板分隔呈多条冷凝液流道。
3.根据权利要求1所述的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，各层换热壁面的顶端处于同一水平面，末端处于同一垂直面。
4.根据权利要求1所述的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，汇流管包括对应各层换热壁面末端的圆形第二分支管，各层第二分支管通过竖直设置的第二主干管相连通，第二主干管的末端出口连通海水蓄热层。
5.根据权利要求1所述的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，淡水收集槽的一端位于换热壁面末端下表面的下方，其表面呈流线形，另一端呈弯勾形与换热壁面的末端开口相对。
6.根据权利要求1所述的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，淡水存储池的上方设有盖板。
7.根据权利要求1所述的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，进一步的，所述通风机为轴流式通风机，所述风力机为H型垂直轴风力发电机。
8.根据权利要求1所述的一种联合冷凝器和风力机的太阳能发电及海水淡化装置，其特征是，通风机叶片与风力机叶片一一对应垂直连接。
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