CN1168447A - 全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调解气候技术 - Google Patents

Abstract

一种全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调解气候技术。本发明运用“光—热—风—电”的太阳能集能和能量转换原理，以自然山体的向阳坡面支撑扇形透明集能栅在阳光照射下产生热风推动山顶的风动叶轮发电机发电，并通过放风***人工调解气候。在环绕赤道二侧的低中纬度地区实施山体热风电站的群体布局和全球联网，彻底解决由于时差日夜季节气候等因素造成的太阳能集能困难，实现全球集能输能互补，形成工业化大规模的太阳能开发利用。

Description

全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调解气候技术

本发明涉及一种利用太阳能大功率发电并实现全球集能输能互补和人工调解气候技术。

太阳能是科学界公认的最清洁、最廉价的能源。目前世界各国利用太阳能的技术和产品虽然多种多样，但是就其集能和能量转换方式而言，可分为五类：

第一类：“光-热”转换，例如太阳灶，太阳能热水器等。

第二类：“光-电”转换，例如半导体太阳能电池。

第三类：“光-热-电”转换，例如，美国、日本分别建造的反射聚焦加热锅炉蒸气，再用蒸气推动气轮机发电的太阳能电站。

第四类：“光-化学”转换，例如以太阳能为能源制取氢气的技术。

第五类：“光-热-风-电”型转换，例如西班牙马德里建造的“太阳能风力发电站”。

前四类太阳能利用方式的共同缺点是功率较小难以形成工业规模的太阳能开发。

关于第五类利用方式，这里有三条报道，分别摘抄如下：

中国出版的《知识就是力量》杂志1980年第8期报道了当时西德(斯卡拉〉杂志1980年第4期的一个新的设计，报道如下：

斯图加特的一位工程师尤尔格·施莱希教授提出了一个全新的设想。这是一个综合的“太阳能-风力发电站”，其功率将达70万至100万千瓦，将来足以同功率强大的核电站抗衡。施莱希教授的设计也是利用风力推动叶轮，但这不是自然的风，而是利用太阳能产生的气流。其原理相当简单：铺设一个大面积的、完全透明的圆形塑料薄膜顶棚，其结构与慕尼黑***运动场的玻璃顶棚相仿，阳光透过塑料膜照射到覆盖着的地面上为了更好地积蓄热量，地面以深色为宜。阳光充足的时侯，塑料棚和地面之间的空气将加热到20-50℃。塑料棚由四周向中心逐渐升高，连接着中心的烟筒状高塔，被晒热的空气流向简状高塔，再沿着圆筒上升，带动圆筒中的风动叶轮。既使外界风力为零级，筒状高塔内的气流速度也能达到60米/秒，相当于飓风的速度。获得能量的大小取决于太阳的热力和设计的规模。一个功率为1000千瓦的发电站需要建造一个直径10米高30米的筒状塔，覆盖地面的塑料棚的直径为400米。

这里展示的是一个巨型发电站的示意图，它的塑料棚直径为9.6公里，中心筒状塔高度为900米，直径400米，它有七个100米直径的风动叶轮，带动七台发电机，总发电容量为100万千瓦。

太阳能-风力发电站的理想地点为意大利南部、西西里岛、西班牙南部、北非沙漠地区，尤为理想的是有着深色火山岩的加那利群岛。人们可以将那里生产的电能用于提取水中的氢并使之液化、然后用专用轮船，将液态氢运往阳光少和资源贫乏的地区。未来的火力发电厂可以用液态氢取代石油发电。这样，既能满足巨大的能量需求，也能解决环境污染问题。

(江南据西德《斯卡拉(杂志1980年4月号译写焕燃绘图)

原文有一附图、并有如下说明：

一个100万千瓦发电站示意图

1、第一气温地段，空气温度5-50℃之间(因发电站地点及季节而异，下同)；2、第二气温地段：空气温度25-60℃；3、第三气温地段，空气温度35-70℃；4气流推动叶轮，风速为20-60米/秒；A、筒状圆塔结构，B、透明塑料薄膜棚，即太阳能蓄热器，C、风动叶轮，纵向旋转轴；D、推动叶轮的上升气流、E排出的气流，F、筒状塔外部的大气流(图略)

中国出版的《知识就是力量》杂志1984年第9斯刊登胡丕承编译的(风力发动机〉一文其中一段是：

有一个设计是利用太阳能人造风力，在一块大面积的土地上建造大型玻璃暖房。在暖房中间坚起方的风道，阳光加热了暖房，在风道中就产生了恒定的抽提力，风力发动机就安装在这个风道里面。事实上，这样的暖房也解决不了问题，风力发动机也不一定恒定地工作。因为抽提力是靠阳光加热暖房而产生，那么夜晚和阴雨天该怎么办呢？

1929年，法国曾有人申请过这种专利。现在，在马德里近郊建起了第一个风力太阳能发电站，如从申请专利时算起已过去了半个多世纪了。这对于风动力学来说，可以说是进展缓慢的典型。

中国出版的《知识就是力量》杂志1988年第10期刊载冯君泽编译的“前景诱人的新能源发电”一文其中一节是：

太阳能气流发电

数年前，太阳能发电站已经在日本和其他国家建成并开始发电。利用太阳能气流发电的装置最近刚刚投入运行，它就是建在西班牙马德里门泽乃利斯的气流发电厂。

一座用透明塑料板盖成的巨大的温室的顶棚中心竖立着198米高的风筒。太阳能通过透明的塑料板将巨大的温室里的空气加热，比外面温度高18-20华氏度，外面的冷空气推压着温室内的热空气使它沿着长长的筒管上升，形成一股强大的气流，推动安装在风筒上的叶轮带动发电机发电。

这座太阳能温室的直径244米，能够发电50-70千瓦

意大利的一座太阳能气流发电站的大风筒高215米，筒内的气流速度达13米/秒、使叶轮以每分钟150转的高速旋转发电量为50-100千瓦，可供一座农村小镇用电。

……。

西班牙打算建造一座风管高达762米、温度直径1000米发电量可达40万千瓦的气流发电厂。

对上述三条报道，可作出下述分析：

1、早在1929年，法国就有人提出了“风力太阳能发电站”的专利申请，但并未实施。

2、1980年，德国的尤尔格·施来希设计了100万千瓦的“太阳能-风力发电站”目标是与核电站相抗衡，但这项设计并末实施。

3、1988年，西班牙马德里已建成了一个50-70千瓦的“太阳能气流发电厂”。意大利建造了一座50-100千瓦的“太阳能气流发电站”。西班牙计划建造40万千瓦的气流发电厂。

本申请人认为，利用太阳能产生人造风力，再用风力推动风力发动机发电这种太阳能集能和能量转换方式表述为“光-热-风-电”型转换更为准确简练。这种转换可称为太阳能利用的第五种集能和能量转换方式，利用这种转换原理建造的太阳能发电站称为“太阳能热风发电站”更为准确，并可以简称“热风电站”。

但是：上述报道的技术方案却存在下列缺点：

1、占地面积大、而集能效率低

2、接***面的伞形透明棚使太阳光的入射角很大，反射率高，集能效率低，而背着太阳的半面效率更低单位集能面积的功率较小，有效集能面积小于实际建造面积。

3、伞形大棚中部的筒状塔必须有数百米的高度才能形成较大的高度差，压力差和温度差，才能获得较高的风速，但高达数百米的筒状塔投资巨大，建造困难，同时沉重的叶轮和发电设备都要架设在空中，而且都在高温下运行，致使安装、调试，运行、维修都十分困难

4、当电站功率很大时，高达数百米的排风塔排出的强大热气流将驱散降水云系，阻碍电站周围地区的降水，形成局部干旱，影响电站周围植被生长，不利于农业生产，不利于生态环境保护。

5、上述设计没有储能***和功率调解***，不能解决时差、日夜、季节、气侯因素引起的太阳能辐射变化问题。

本发明“全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调节气侯技术”的目的在于运用“光-热-风-电”的太阳能集能和能量转换原理，依托自然山体支撑集能棚及相关设备，设施，并利用山体自身的高度产生热风流动所需要的高度差，压力差和温度差，实现利用太阳能大功率发电并人工调解气侯。同时按赤道及赤道二侧低纬度，中纬度地区布局建造多个山体热风电站群体、并实施山体热风电站群体的全球联网，彻底解决因时差、日夜、季节、气侯因素引起的太阳能辐射变化问题，实现全球太阳能集能、输能互补，最终形成大功率，大规模的太阳能利用。逐步取代火电和核电同时利用热风电站产生的强大上升气流人工调解气侯。

本发明“全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调解气侯技术”的目的是按下述方式实现的：

首先，在赤道及南北二侧的低纬度，中纬度地区选择若干个地形较为规则有较平展的接近扇形坡面的自然山体。在山体的向阳坡面(北半球为南坡，南半球为北坡，赤道附近可二坡并用)及山脚下的缓坡和平地，修建适当高度的支撑架，在支撑架上安装固定塑料膜和玻璃，形成用太阳光加热空气的封闭的扇形集能棚。扇形集能棚的下端为进气口，向上则二侧封闭。在太阳光照射下，扇形集能棚内的空气被加热，受热的空气体积膨胀密度变小而形成在棚下沿山坡向上流动的“热风”。随着高度增加和山坡上部面积及相应的扇形集能棚面积逐步减小，热风逐步收拢汇集，温度升高，流速增大，进入上端的若干个非透明的坚固密闭的热风管道。高速热风经过热风管道汇入山顶的导流室，经过导流室调制的热风以最佳气动方向推动叶轮，叶轮在高速热风的推动下带动发电机发电。最后：作功后的热风从建造在山顶的排风塔排人大气。这就是“山体热风电站太阳能发电技术”。运用这项技术建造的太阳能发电站可以叫做“太阳能山体热风电站”简称：山体热风电站。山体热风电站的功率由集能棚的.面积决定。

下面，对本发明作进一步说明：

1、山体的地点和坡度选择。因为山体热风电站的集能棚内不能保留植被，所以要尽量选择沙漠高地和石质荒山。山体坡度的选择应考虑热风电站所处纬度的太阳光入射角度，选择冬季入射角最小的山坡，降低反射率提高集能效率；山体的形状选择应尽量接近圆锥体，有近扇形坡面，施工时进行必要的削坡填沟。实际勘测时可以有几个坡面：各个坡面的集能棚通过若干热风管道汇入顶峰。

2、扇形集能棚的材料选择：在山脚下的平地和缓坡面积较大、温度较低、风速也较低，使用普通塑料膜即可。随着山势向上逐步变小，气流汇拢温度升高，风速加大，透明膜应逐步加厚，到中上部则应使用坚固的钢化玻璃。到山顶，热风则汇入若干个非透明的坚固密闭的热风管道。

3、集能棚的地面处理：由于扇形集能棚的下端的风速较低可保留其自然地面。但随高度增加，风速增加，为了避免“飞沙走石”的现象发生，扇形棚的中上部应选用比热大的固体材料人工铺设坚硬的地面。即人工加固地面。地面应涂以黑色涂料以减少反射实现吸热升温储能。

4、导流室的作用是使热风按最佳空气动力学方向进入动力室推动叶轮，使叶轮获得最高的能量转换效率。导流室的另一作用是：根据电站功率大小，叶轮可以水平或垂直设计、导流室可以相应地水平或重直设计，改变气流方向。

5、叶轮的轴功率输出方式，传动方式可根据功率大小确定。

6、发电机安装在发电室，发电室与动力室隔开，可以避免发电机在热风的高温下运转。叶轮和发电机组可以根据山体热风电站的地形和功率设计一组或多组，例如：集能棚分别建造在几个山坡上，可以有几组电机，同时也可以通过热风管道汇集到主峰的大机组发电，以兼顾发电和调解气侯的需要

7、排风塔建造在山顶，由于山体的自然高度产生的高度差压力差，温度差已能基本保证热风的流速、所以排风塔自身的高度不必太高，这样建造排风塔的技术难度和投资都大为降低

8、山体热风电站还有一些辅助设备设施：山顶的避雷针；与发电机配套的输电变电线路及相关设备；电站的测试***和调控***；集能棚的进风口外应有阻拦网防止人畜动物进入集能棚；山的阴坡面应修筑公路及建筑物、以运送安装设备及人员居住等。

9、山体热风电站的储能***及群体布局和全球联网：由于时差，日夜和季节变化以及气象因素的影响引起的光照变化，山体热风电站的集能棚内的气流温度和流速及发电输出功率会发生相应的变化，为了尽量减少波动，特别是晚上太阳光照消失后，仍能运行发电，集能棚内应采取下述储能措施。

首先应尽量扩大人工加固地面，并涂以黑色涂层使地面吸热升温储能；其次，在集能棚的下端，特别是平坦的山脚平地建造若干个密闭的水池，水管、水中要加入黑色溶剂以减少反射多吸热，因为水的比热较大，光照强烈时，黑色水可以吸热使棚内温度不致于过快升高，晚上光照消失后，温度较高的水和地面在降温放热过程中仍能维持一定的热风流速，使发电机保持一定的输出功率供应晚上用电，当后半夜温度下降流速减低，发电量减少时，用电量也已进入低谷。

就一座热风电站来说尽管采取上述措施，时差、日夜和季节变化仍然不可避免地引起一定的功率波动，仍需采取其他方式解决功率波动问题，例如：抽水蓄能，山体热风电站与水力、火力电站联网等。

根据地球东西方向的时差和日夜交替的规律，可以按东西方向布局建造一条环绕赤道及南北二侧低纬度中纬度地区的山体热风电站群体，首先分别实现亚非欧三大陆联网以及南美北美二大陆联网最终实现全球太阳能电站联网，这个全球太阳能大电网东西相联，南北辐射。那么：西方不亮东方亮，冷了南边有北边。也就是说：东方的太阳能电站从早晨太阳升起开始向还在夜间的西方供电，西方天亮后再向夜晚的东方供电；每天前十多小时的东半球向夜晚的西半球供电，后十多个小时西半球向东半球供电；天天如此循环；每年上半年春夏季的北半球多向处于秋冬季的南半球供电，下半年春夏季的南半球多向秋冬季的北半球供电。这样就从根本上彻底解决了由于时差，日夜、季节变化及气象纬度，海拨因素引起的太阳能辐射变化问题以及由于时差和日夜引起的需电量变化问题实现了太阳能利用的全球集能输能互补，使全球任何时侯都有稳定的太阳能电力供应。既使是仅仅实现亚非欧三大陆联网、那么三大陆的中低纬度地区的时差高过8小时赤道二侧可利用的中纬度地区可在90度以上。基本可以解决三大陆的太阳能集能的输能互补问题。

全球联网的线路可有二个方案：第一是海底输电线路主要是联接各岛屿及大洋洲；第二是陆上线路一条，是从东北亚过白令海连接北美、巴拿马、南美；另一条是从西北欧连接格陵兰进入北美、巴拿马、南美，这二条线路都是通过北极圈使东西二半球联网。当然利用太阳能山体热风电站的强大电力生产液氢也是储能和输能的好方式。

10、在山体热风电站的集能棚和热风管道的进口处，在不同高度设有若干个可调解大小和可开闭的放风口组成热风电站的放风***，放风***的作用是：

(1)在山体热风电站的施工，设备安装调试及维护修理过程中，可以打开放风口放掉热风，便于人员实施各种工程作业。

(2)山体热风电站的启动运行是以关闭放风口而开始的

(3)通过调整放风口的大小和开闭，可调解风速、流量，从而调控热风电站的输出功率。

(4)放风口可实现对气侯的人工调解，如前所述，热风电站排出的强大上升热气流会驱散空中的雨云。这种情况的有利方面是可以使电站上空保持晴朗而取得充足光照，不利方面是影响电站周围降水形成局部干旱。而在热风电站设置了放风口以后，就可以在需要降水并有降水云系的情况下，打开放风口，把热风分散地放掉一部或全部，使集中上升的强大气流分散、减弱，直至消失，使自然降水照常进行；也可以在放风口处安装小型发电机组分散发电再联网；当然，热风电站也要建造相应的排水***，这样，就避免了热风电站对环境的不利影响，相反，在雨量过分集中甚至造成洪涝灾害的情况下或在收获季节，则可关闭放风口，利用热风电站排出的强大的热风驱散雨云。

根据经度、纬度、海拨、地形、流域、气象规律等因素布局建造的多个山体热风电站群体的协调运作则可以把雨去赶到需要降水的地方去，这样就实现了利用山体热风电站对气侯的人工调解。

关于利用山体热风电站群体人工调解气候，试举数例：

例一：中国南方多雨、洪涝灾害频繁，南方处于低纬度地区，季节变化不明显，太阳光照充足，而油、煤资源缺乏，特别适宜大规模建造山体热风电站，并且利用南方丰富的水资源，建造抽水蓄能电站，形成能量互补，这样就可以供应充足，廉价电力，减少石油煤炭的消耗，而且可利用山体热风电站驱赶雨云、阻遏台风，取得能源，环境，资源，经济的多方面效益。

例二：中国四川盆地多雾，酸雨严重，可以通过建造山体热风电站解决能源供应，减少煤炭消耗，同时可以驱雾，增加太阳光照，消除酸雨。

例三：华北平原和中原地区干旱少雨，如能依托燕山，太行山，卧牛山大批兴建山体热风电站，则可形成一个大范围的大气环流，地面的低压区可能把沿海潮湿空气引向平原形成降雨，同时北方与南方的山体热风电站协调运作，有可能实现雨云北上，把南方暴雨变成北方甘露。

例四：在撒哈拉沙漠地区可以利用山体热风电站的充足廉价的电力抽取深层地下水用于恢复地表植被。

例五：一些城市空气污染严重而又缺少自然风，可以利用山体热风电站产生的大气环流改善城市空气质量。

本发明全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调节气侯技术的积极效果有以下十个方面：

1、利用自然山体建造热风电站可节约大量平坦土地特别是耕地。

2、利用自然山体的高度修建热风电站既可以保证热风高速流动所需要的高度差，压力差和温度差，又节省了工程建设的投资，特别是安装叶轮，发电机、排风塔的高空支撑构架的巨额投资，降低了技术难度。

3、利用自然山体的坡度建造的集能棚，减小了阳光的入射角使阳光接近垂直地射入集能棚，减少了反射，提高了集能效率，提高了单位面积的集能功率。

4、热风电站的作功工质是空气。需水量很少，运行成本很低，

5、山体热风电站的地面集能***可以有力地调解日夜光照变化所引起的功率波动，特别是独立运行的小型电站建造储能***更有利。

6、山体热风电站的规模设计既可以是与大电网联网运行的大功率电站，也可以是建造在山区、偏僻地区、工矿区的独立运行的中小型电站。

7、山体热风电站既可以在低纬度地区建造，也可以在中纬度地区建造(西班牙马德里的太阳能风力发电站的纬度在北纬40度线以北)既可以在低海拨地区造，也可在中海拨地区建造；既可以在阳光充足的干旱地区建造，也可以在多雨多云雾的地区建造。

8、山体热风电站设置的可调解大小和开闭的放风***便于施工、运行、维修的操作调控；既避免了热风电站对环境的不利影响，又实现了对气侯的人工调解。

9、环绕赤道及二侧低纬度、中纬度地区布局的多个山体热风电站群体及其全球联网的输电线路可以彻度解决由于时差、日夜、季节及气侯变化而引起的太阳能辐射变化及用电量变化问题。实现了太阳能集能、输能的全球互补。

10、因为山体热风电站太阳能发电技术与其他太阳能利用形式相比可以实现大功率的工业规模的太阳能利用，所以可以逐步淘汰火力发电，同时廉价的电力用于生活可减少传统民用燃料消耗。所以可以大辐度减少石油、天然气及煤炭的资源消耗，减少薪炭柴草采伐，减少温室气体的排放消除酸雨，保护地球生态环境。给人类后代留点资源。另外、近年来、世界各国普遍重视核能开发利用，但是，核原料的生产、核电站的安全运行、核废料的处理都存在大量困难。山体热风电站太阳能发电技术所导致的工业规模的太阳能利用可逐步取代核电站，消除威胁人类的核隐患。

下面结合附图做进一步说明：图1是山体热风电站的一个实施例的剖面图1是自然山体剖面2是阳坡坡面3是自然地面4是人工加固涂黑地面5是储能水池水管6是进风口和阻拦网7是透明集能棚支撑架8是透明集能棚薄膜区9是透明集能棚厚膜区10是透明集能棚钢化玻璃区11是处于不同高度的若干个放风口12是密闭热风管道13是导流室14是叶轮室15是排风塔16是发电室17是阴坡面公路18是调控中心19是输电线路20是箭头所指的热风流动方向21是避雷针图2是山体热风电站的正面立体示意图。

Claims (4)

1、一种全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调解气侯技术，其特征是：运用“光-热-风-电”的太阳能集能和能量转换原理，以自然山体的向阳坡面为依托支撑扇形透明集能棚，在阳光照射下，在集能棚内形成沿山坡向上流动的高速热风，热风通过热风管道、导流室进入动力室推动叶轮带动发电机发电，作功后的热风从山顶的排风塔排出；自然山体的高度可以保证热风高速流动所需要的高度差、压力差、温度差；可以在赤道南北二侧的低纬度中纬度地区建造多个按地形，流域气侯、海拨等因素布局的山体热风电站群体，并实施山体热风电站输电线路的全球联网，因此可以彻底解决由于时差、日夜、季节及气侯因素引起的太阳能辐射变化所产生的集能困难和用电量变化问题，实现全球太阳能集能、输能、耗能互补，形成大工业规模的太阳能开发、利用，最终取代火力发电和核能发电，保护地球生态环境。

2、一种热风电站的放风***，其特征是：在热风电站的不同高度建有若干个可调节大小和开闭的放风口及其调控装置，组成热风电站的放风***，放风***的可实现对热风电站的功率调解既可避免热风对环境的不利影响，又可以实现人工调解气侯。

3、如权利要求1所述的全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调节气侯技术，其特征是：在山体热风电站的扇形透明集能棚内有水池，水管，人工加固涂黑地面及抽水蓄能发电***组成的储能***。

4、如权利要求1所述的全球联网山体热风电站太阳能发电和人工调解气侯技术，其特征是：在山体热风电站的扇形透明集能棚上端有若干非透明的密闭热风管道与导流室相连，导流室可实现热风的定向流动，以最佳空气动力学方向推动叶轮，使叶轮获得最高的能量转换效率。

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