CN1108450C - 风力发电*** - Google Patents

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Abstract

一种风力发电***，包括中空的柱形风塔；涡轮机；发电机；在所述风塔下部沿周向布置一个或多个喷热孔；一个或多个与所述喷热孔相对应的喷射机；在所述风塔下部还设有一个或多个与所述喷热孔隔开布置的进气口；从每个所述进气口向塔外伸出一个进气管，所述涡轮机置于所述进气管中。所述喷热孔和喷射机还可以由设置于风塔内部空间底部的电阻丝来替代。其可高效地利用高低温热能，大大降低发电成本。

Description

风力发电***
技术领域
本发明涉及一种风力发电***，更确切地说，涉及一种利用热力形成的冷热空气之间的温差和对流进行风力发电的风力发电***。
背景技术
目前，进行大规模发电所用的方法主要有火力发电、水力发电和核电，其缺点是成本高、效率低、对环境污染严重。而进行小规模发电所用的方法主要有太阳能发电、风力发电、潮汐发电和地热发电，其所存在的问题是其发电量小且又不稳定，无法满足对发电量日益增长的需要。
北京市《太阳能》编辑部出版的《太阳能》杂志1983年第2期第12页(作者：温俊洲)报道了一种由菲利浦·卡尔逊博士设计的太阳能气流发电塔。其原理是用泵将海水沿管路抽上塔顶，通过喷雾装置使水呈雾状喷出，水雾在干燥的热空气中迅速蒸发，使周围的空气冷却湿润，从而其密度增加。冷却后的塔顶空气沿着圆筒形塔腔下沉，形成持续向下的气流。由于塔身很高，圆筒形塔腔对气流有导流作用，加快了气流的速度。在塔的下部，塔腔被一个巨大的气流罩隔成环形通道，其截面迅速变小，流经此处的气流的速度进一步增大，从而产生强风。在环形通道中，沿周围方向均匀地布置有10台涡轮发电机组，其在高气流的推动下旋转发电。该气流发电塔的高度为2400米，顶部直径为274米，最大输出功率为250万千瓦。运行时所需空气流量多达3,964,321立方米/秒，所需喷雾水量为28.3立方米/秒。
这种气流发电塔的缺点在于其只能在水和阳光充足的地区兴建，而且抽取大量的水需消耗大量的电力，使发电成本增高，并且使用海水时，其所含盐分的处理也是一大难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种风力发电***，其无需大量的水并可高效地利用高低温热能使其发电成本大大降低、其风力强大稳定、装机容量可根据需要进行选择。
作为本发明的第一方面，本发明的风力发电***包括：
风塔，其为中空的柱形，用于形成低压空间；
涡轮机；
位于所述风塔外部并与所述涡轮机同轴相连的发电机；
在所述风塔下部沿周向设有一个或多个喷热孔；在风塔外面设置一个或多个与所述喷热孔相对应的喷射机，用于通过所述喷热孔向所述风塔内部喷射火焰、热气或热水；在所述风塔下部还设有一个或多个与所述喷热孔隔开布置的进气口；从每个所述进气口向塔外伸出一个进气管，所述涡轮机置于所述进气管中。
作为本发明的第二方面，本发明的风力发电***包括：
风塔，其为中空的柱形，用于形成低压空间；
涡轮机；
位于所述风塔外部并与所述涡轮机同轴相连的发电机；
在所述风塔内部空间的底部设置有电阻丝，所述电阻丝的两端与市电相连，以利用电阻丝放出的热量来加热风塔内部的空气，在所述风塔下部还设有一个或多个进气口；从每个所述进气口向塔外伸出一个进气管，所述涡轮机置于所述进气管中。
下面参照附图详细介绍本发明的优选实施例。
附图说明
图1为本发明的风力发电***的第一优选实施例的纵向剖面图。
图2为本发明的风力发电***的第一优选实施例的俯视图。
图3为本发明的风力发电***的第二优选实施例的纵向剖面图。
图4为本发明的风力发电***的第二优选实施例的俯视图。
具体实施方式
众所周知，气体总是从高压空间流向低压空间，从低压空间流向真空空间。而当气体从高压空间流向低压空间或从低压空间流向真空空间时，其气压差越大，气体流动的速度也越快，使得气体流动的动力也就越大。此外，在气体流量相同的情况下，其所穿过的管道的气流通道的截面积越小，气体的流速越快。
目前的火力发电***正是利用以上原理进行发电的。以12.5万千瓦的汽轮发电机组的工作为例：它是利用燃料将水在高压锅炉里变成高温高压的蒸汽，通过与高压锅炉连通的两根内径为0.5米粗的金属管道将蒸汽引出并利用扩张式喷嘴将动能为600-700米/秒、蒸汽流量为400吨/时的蒸汽连续冲击汽轮机，使之快速转动并带动12.5万千瓦的发电机连续发电的。
本发明的风力发电***的原理与之相似。图1为本发明的风力发电***的一个优选实施例的纵向剖面图。图2为本发明的风力发电***的所述优选实施例的俯视图。从图中可以看出，本发明的风力发电***包括：风塔1，其为中空的圆柱形，用于形成低压空间，该风塔的底部直径可以大于或等于其顶部直径，在风塔1的下部设有10个贯穿风塔壁的喷热孔12，在风塔外面设置10个与每个喷热孔相对应的喷射机18，用于通过喷热孔12向风塔1内部喷射火焰、热气或热水；在风塔1下部还设有10个与喷热孔12隔开布置的进气口2，从每个进气口2向外部伸出一个进气管5，涡轮机4置于该进气管5中，每个涡轮机与位于进气管外的发电机15同轴相连。
本发明的风力发电***的运行原理介绍如下：利用设置在风塔外的燃料库的气体或液体燃料，如氢气、天然气、煤气、液化气、石油类以及其它燃料或因地制宜地利用地热气、地热水、水蒸气、工业排放的废热水、废热气(余热)、利用电能或太阳能获得的热空气、热水以及其它可利用的高低温热能注入设置在风塔外的热气罐、热水罐或热水池内，用泵将燃料、热气或热水通过管道输送至喷射机18，用喷射机18将火焰、热气或热水通过喷热孔12喷入风塔内，使其放出的热量将风塔1内部较下部的空气加热，使加热后的空气从风塔1下部向上部流动形成热风，并且使得风塔1内部的气压降低从而在风塔内部形成低压空间，同时使风塔1内部与外部的空气之间形成一定的温差和对流，从而使气压较高的风塔1外部的未加热的空气通过进气管5流向风塔内部，在进气管5内形成冷风。
风塔1内的热风通过风塔1顶部的热风口被连续排入大气中，而风塔1外部的空气通过进气管5被连续注入风塔1内，从而在进气管5内形成具有一定流速的气流。当该气流的速度达到一预定值时，就能推动位于进气管5内的涡轮机4以一定的速度旋转，从而带动与之同轴相连的发电机15发电。
只要根据需要适当设定风塔1的高度和直径以及进气管5的直径，并适当控制喷射机18喷入的热量的多少，就能控制进气管5内气流的速度，从而控制涡轮发电机15的发电量。
在本发明的这一实施例的风力发电***还可以包括：与各个进气管5对应连通的安全管3，其第一端与进气管5相连，第二端朝向正上方或斜上方，其长度和方向足以保证在第二端附近的人或动物的安全。在安全管3的第二端的端口处设置一个过滤器8，用于滤除空气中的异物，以保证通过涡轮机4的气流的洁净。在安全管3的第一端与进气管5相对的一侧，可以设有开孔9，用于排出因下雨而注入安全管3内的水。
如图2所示，本实施例的风力发电***的各个进气管5在风塔1外部一定距离处被分为第一支管51和第二支管52，在第一支管51和第二支管52中分别放置一台涡轮机4，第一支管51与一侧的相邻进气管5’的第二支管52’再汇合在一起，与安全管3相连。第二支管52与另一侧的进气管5”的第一支管51”汇合在一起，与安全管3’相连，各个安全管3，3’远离进气管5，5’，5”的第二端的端口处分别设置过滤器8。其余进气管也按这种方式进行布置。按这种方式布置的优点在于，在发电机台数一定的情况下，可以减少进气管的数量，同时，在其中某一台或几台涡轮机或发电机需要维修或检修的情况下，不影响其余机组的运行。
如图2所示，本实施例的风力发电***的进气管5，5’，5”，......可分为扩张式喷嘴6a和直管6b，扩张式喷嘴6a从进气管5与安全管3相连的一端至进气管5中靠近涡轮机4处，为扩张喷嘴式结构，即其气流通道的截面积随远离安全管3而逐渐减小，直管6b从进气管5中涡轮机4处靠近安全管3一侧至风塔进气口2，沿其整个长度均为直管式结构，并且其气流通道的截面积大于扩张式喷嘴6a的与直管6b连接处的气流通道的截面积。涡轮机4置于直管6b中，并靠近与扩张式喷嘴6a的连接处。本发明风力发电***的进气管5可根据实际需要设置于地平面上，也可以设置于地平面以下或部分设置于地平面以下。
本发明的风力发电***还包括设置于进气管5中并位于涡轮机4的靠近进气口2一侧的活动闸门10。在本发明的第一实施例中，如图1和2所示，活动闸门10设置于直管6b中，并位于涡轮机4的远离扩张式喷嘴6a的一侧，当需要对涡轮机4或发电机15进行检修或维修时，可将该活动闸门10关上，以保证工作人员的安全并且不影响其它涡轮机和发电机的正常运行
按如此结构设置的本发明的风力发电***，可根据所需发电容量的大小和投入资金的多少按不同的规模建造。下面介绍的是实施本发明的一个具体例子。
风塔1为中空圆锥筒状体结构，高为600米，底部直径为60米，顶部直径为40米，风塔1的底部壁厚可为1至2米，最好为1.5米，其顶部壁厚可为0.3-0.4米，最好为0.35米。在风塔底部地平面以下沿周向等距离设置10个门状进气口2，其每个高为8米，宽为5米，进气口2的顶部低于地平面2米。进气口2设计为门状的目的在于保证风塔底部的坚固性。与每个进气口2对应设置一个进气管5，在进气管5的第一支管51和第二支管52中各设置一台涡轮机4。安全管3的外径为26米，位于地平面之下的部分的深度为10米。
当喷入风塔内部空间下部的火焰、热气或热水放出的热量达到61.388千卡/秒时，可将风塔内的空气持续加热，使风塔内外的温差达到7℃，高出风塔外空气7℃的热空气在600米高的风塔内的上升速度可达10米/秒，时速为36公里/时，相当于5级劲风，塔内热空气的上升流量为28260米3/秒(空气的热膨胀不计)。同时从风塔外流经进气管5进入风塔内的空气流量也为28260米3/秒，其在进气管第一端口处的气流速度为20.16公里/时，相当于4级风。当如此风速的空气流通过进气管5的扩张喷嘴式结构时(每个扩张式喷嘴6a入口处的气流通道的截面积为20平方米，共20个扩张式喷嘴)，产生“狭管”效应，使流经扩张式喷嘴6a入口处的流速是风塔内热空气上升速度的7倍，可达70米/秒。又由于扩张式喷嘴6a的内径逐渐缩小，因此空气流在越来越窄的通道内的流速越来越快，当流经扩张式喷嘴6a与直管6b的连接处的小口径(每个小口径处的气流通道的截面积为2平方米，共20个)时，其流速是风塔内部热空气流上升速度的70.65倍，为706.5米/秒，从而在1秒长的时间内使重量为1827公斤、流量为1413米3/秒的冷空气流高速通过小口径端处并喷入直管6b，使位于直管6b中的涡轮机4高速旋转，可驱动20台60万千瓦的涡轮发电机组。
本发明的风力发电***还可以包括，设置在一个或多个进气管靠近风塔侧的喷水孔11以及位于风塔之外的高压喷水枪(未示出)。当利用喷射机18将大量火焰、热水或热气向风塔内的空间下部喷射，使风塔内的空气被加热而上升，引起风塔外的冷空气通过进气管5高速进入风塔内部时，利用高压喷水枪将水经过喷水孔11成集束状高速喷向进气管5内，喷入进气管5内的高压水柱与经进气管5高速通过的空气流发生极强烈的摩擦，从而释放出强大的能量，使水分子中的氢原子和氧原子分离而产生氧气和氢气，并产生大量的电荷。在电荷的作用下，氢气和氧气的混合气体迅速燃烧，燃烧产生的大量热量随同高速流动的空气流被送到风塔内部，从而增大了送入风塔内部的热量。当风塔内外的温差达到7℃并稳定运行一段时间后，可部分或全部停止向风塔内部喷射火焰、热气或热水。在高压喷水枪的喷水速度和喷水量适当的情况下，即使全部停止向风塔内部喷射火焰、热气或热水，也能维持加热风塔内部空气所需的热量，从而维持进气管内的气流速度在一定水平上。通过调节高压喷水枪的喷水量和喷水速度可以调节进气管内的气流速度进而达到调节发电量的目的。
下面对本发明的第二实施例进行介绍。为简单起见，仅对第二实施例中与第一实施例不同的部分进行介绍，与第一实施例相同的部分不再赘述。
图3示出了本发明的风力发电***的第二优选实施例的纵向剖面图。图4示出了本发明的风力发电***的第二优选实施例的俯视图。从图3和图4可以看出，本发明第二实施例的风力发电***与第一实施例的不同之处仅在于，在风塔内部空间的底部设置有电阻丝7，电阻丝7的两端可以经过开关与市电相连，用来利用通电后的电阻丝放出的热量加热风塔内部的空气。因此，不再需要第一实施例中所采用的喷热孔、喷射机、喷水孔和高压喷水枪。
电阻丝7可以布置为螺旋盘簧状或网状，只要通电后其放出的热量足以将风塔内部的空气加热至所需温度即可。
以上以实施例的方式对本发明的风力发电***进行了介绍。但本发明并不限于实施例中所介绍的方式，例如本发明的风力发电***的风塔的高度和直径并不局限于上述数据，风塔的高度可根据实际需要设计为800米、1000米、1200米或其以上等，也可设计为500米、300米、100米或其以下等，只要其直径和厚度以及进气管的设计进行相应的改变即可。
风塔内外气流的温差也不局限于7℃，该值可根据所需发电量的大小及热源的情况进行设定。不过温差值越大，进气管内气流的速度越快，则涡轮发电机发出的电量越多，反之，涡轮发电机发出的电量越少。
进气管内的气流通道也可以采用其它形状，只要其作用在于控制通过其中的气流速度的方案均落入本发明的保护范围之内。
根据本发明的热力发电***所采用的喷射机的数量也可以是少于喷热孔数量的一个或多个，在此种情况下，可将喷射机喷出的热量通过从喷射机通向各个喷热孔的喷热管喷入风塔内。
进气管也可以不分为第一支管和第二支管而直接在其入口处安装过滤器，或者在进气管分为两个或多个支管的情况下，在各支管的入口处直接安装安全管或过滤器。
工业应用性
由于本发明的风力发电***充分利用了风塔内外气流之间的气压差以及在进气管的设计上采用了扩张喷嘴式和直管两部分，可高效地利用高低温热能，从而使发电成本大大降低，并且其风力强大稳定，适宜于各种容量的发电***。此外，本发明的风力发电***所用的热源基本不受限制，从而可充分利用工业废热以及其它高低温热能来发电。
本发明的风力发电***与所述现有技术相比可节省大量的水和抽取水所用的电力，且省去了处理海盐的麻烦，更为重要的是在装机容量相同的情况下可大大减小风塔的规模，并且其适用的地域范围更为广泛。

Claims (34)

1.一种风力发电***，包括：
风塔，其为中空的柱形，用于形成低压空间；
涡轮机；
位于所述风塔外部并与所述涡轮机同轴相连的发电机；
其特征在于，所述风塔下部沿周向设有一个或多个喷热孔；在风塔外面设置一个或多个与所述喷热孔相对应的喷射机，用于通过所述喷热孔向所述风塔内部喷射火焰、热气或热水；在所述风塔下部还设有一个或多个与所述喷热孔隔开布置的进气口；从每个所述进气口向塔外伸出一个进气管，所述涡轮机置于所述进气管中。
2.根据权利要求1的风力发电***，其特征在于，所述进气管在离开所述进气口一定距离处被分为第一支管和第二支管，所述涡轮机分别置于第一支管和第二支管中。
3.根据权利要求2的风力发电***，其特征在于，每一所述进气管的所述第一支管和第二支管分别与相邻的两个所述进气管的所述第二支管和第一支管汇合。
4.根据权利要求1所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管远离所述进气口的一端连接有安全管，其远离进气管的一端朝向正上方或斜上方。
5.根据权利要求2所述的风力发电***，其特征在于，在所述第一支管和所述第二支管远离所述进气口的一端连接有安全管，其远离所述第一支管或第二支管的一端朝向正上方或斜上方。
6.根据权利要求3所述的风力发电***，其特征在于，在所述第一支管和所述第二支管的汇合端口处连接有安全管，其远离汇合端口的一端朝向正上方或斜上方。
7.根据权利要求1所述的风力发电***，其特征在于，所述进气管包括扩张式喷嘴和直管，所述扩张式喷嘴从进气管的入口至邻近所述涡轮机处，其气流通道的截面积随邻近所述涡轮机而逐渐减小，所述直管从涡轮机处靠近所述安全管一侧延伸至所述进气口，沿其整个长度为直管式结构，其气流通道的截面积大于所述扩张式喷嘴的与直管连接处的气流通道的截面积，所述涡轮机置于所述直管中，并靠近与扩张式喷嘴的连接处。
8.根据权利要求2或3所述的风力发电***，其特征在于，所述第一支管和所述第二支管分别包括扩张式喷嘴和直管，所述扩张式喷嘴分别从所述第一支管和第二支管的入口至邻近所述涡轮机处，其气流通道的截面积随邻近所述涡轮机而逐渐减小，所述直管从涡轮机处靠近所述安全管一侧延伸至所述第一支管和所述第二支管的结合部，沿其整个长度为直管式结构，其气流通道的截面积大于所述扩张式喷嘴的与直管连接处的气流通道的截面积，所述涡轮机置于所述直管中，并靠近与扩张式喷嘴的连接处。
9.根据权利要求1所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管的入口处安装过滤器。
10.根据权利要求2所述的风力发电***，其特征在于，分别在所述第一支管和所述第二支管的入口处安装过滤器。
11.根据权利要求3所述的风力发电***，其特征在于，在所述第一支管和所述第二支管的汇合处安装过滤器。
12.根据权利要求4、5和6所述的风力发电***，其特征在于，在所述安全管的入口处安装过滤器。
13.根据权利要求1-7中任意一项所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管邻近风塔之处设置喷水孔，以及在所述进气管外部与所述喷水孔相对应的高压喷水枪。
14.根据权利要求1-7中任意一项所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管中设置活动闸门，其位于所述涡轮机的靠近所述进气口一侧。
15.根据权利要求12所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管邻近风塔之处设置喷水孔，以及在所述进气管外部与所述喷水孔相对应的高压喷水枪。
16.根据权利要求12所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管中设置活动闸门，其位于所述涡轮机的靠近所述进气口一侧。
17.根据权利要求13所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管中设置活动闸门，其位于所述涡轮机的靠近所述进气口一侧。
18.一种风力发电***，包括：
风塔，其为中空的柱形，用于形成低压空间，
涡轮机；
位于所述风塔外部并与所述涡轮机同轴相连的发电机；
其特征在于，在所述风塔内部空间的底部设置有电阻丝，所述电阻丝的两端与市电相连，以利用所述电阻丝放出的热量来加热风塔内部的空气；在所述风塔下部还设有一个或多个进气口；从每个所述进气口向塔外伸出一个进气管，所述涡轮机置于所述进气管中。
19.根据权利要求18的风力发电***，其特征在于，所述进气管在离开所述进气口一定距离处被分为第一支管和第二支管，所述涡轮机分别置于第一支管和第二支管中。
20.根据权利要求19的风力发电***，其特征在于，每一所述进气管的所述第一支管和第二支管分别与相邻的两个所述进气管和第二支管分别与相邻的两个所述进气管的所述第二支管和第一支管汇合。
21.根据权利要求18所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管远离所述进气口的一端连接有安全管，其远离进气管的一端朝向正上方或斜上方。
22.根据权利要求19所述的风力发电***，其特征在于，在所述第一支管和所述第二支管远离所述进气口的一端连接有安全管，其远离所述第一支管或第二支管的一端朝向正上方或斜上方。
23.根据权利要求20所述的风力发电***，其特征在于，在所述第一支管和所述第二支管的汇合端口处连接有安全管，其远离汇合端口的一端朝向正上方或斜上方。
24.根据权利要求18所述的风力发电***，其特征在于，所述进气管包括扩张或喷嘴和直管，所述扩张式喷嘴从进气管的入口至邻近所述涡轮机处，其气流通道的截面积随邻近所述涡轮机而逐渐减小，所述直管从涡轮机处靠近所述安全管一侧延伸至所述进气口，沿其整个长度为直管式结构，其气流通道的截面积大于所述扩张式喷嘴的与直管连接处的气流通道的截面积，所述涡轮机置于所述直管中，并靠近与扩张式喷嘴的连接处。
25.根据权利要求19或20所述的风力发电***，其特征在于，所述第一支管和所述第二支管分别包括扩张式喷嘴和直管，所述扩张式喷嘴分别从所述第一支管和第二支管的入口至邻近所述涡轮机处，其气流通道的截面积随邻近所述涡轮机而逐渐减小，所述直管从涡轮机处靠近所述安全管一侧延伸至所述第一支管和所述第二支管的结合部，沿其整个长度为直管式结构，其气流通道的截面积大于所述扩张式喷嘴的与直管连接处的气流通道的截面积，所述涡轮机置于所述直管中，并靠近与扩张式喷嘴的连接处。
26.根据权利要求18所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管的入口处安装过滤器。
27.根据权利要求19所述的风力发电***，其特征在于，分别在所述第一支管和所述第二支管的入口处安装过滤器。
28.根据权利要求20所述的风力发电***，其特征在于，在所述第一支管和所述第二支管的汇合处安装过滤器。
29.根据权利要求21、22或23所述的风力发电***，其特征在于，在所述安全管的入口处安装过滤器。
30.根据权利要求18-24中任意一项所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管邻近风塔之处设置喷水孔，以及在所述进气管外部与所述喷水孔相对应的高压喷水枪。
31.根据权利要求18-24中任意一项所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管中设置活动闸门，其位于所述涡轮机的靠近所述进气口一侧。
32.根据权利要求29所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管邻近风塔之处设置喷水孔，以及在所述进气管外部与所述喷水孔相对应的高压喷水枪。
33.根据权利要求29所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管中设置活动闸门，其位于所述涡轮机的靠近所述进气口一侧。
34.根据权利要求30所述的风力发电***，其特征在于，在所述进气管中设置活动闸门，其位于所述涡轮机的靠近所述进气口一侧。
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