專利名稱：風光塔式發(fā)電裝置及方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于低碳能源技術(shù)領域，特指一種將風能和太陽光熱能綜合利用進行發(fā)電 的裝置及方法。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，人類生產(chǎn)活動和日常生活所消耗的能源與日俱增，全球范 圍內(nèi)煤炭、石油等化石能源日漸減少，加之常規(guī)能源使用過程中所帶來的環(huán)境污染問題十 分嚴重，能源危機和氣候變化的影響已經(jīng)引起國際社會的高度重視。開發(fā)太陽能和風能等 低碳能源是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑。風能是一種重要的可再生能源，具有清潔、環(huán)境效益友好等突出優(yōu)勢。風力發(fā)電作 為當今世界發(fā)展最快，技術(shù)最成熟的綠色能源技術(shù)，受到世界各國政府和科學家的高度重 視并得到了廣泛的開發(fā)應用，而風力發(fā)電機作為實現(xiàn)風能轉(zhuǎn)換為電能的核心部件，從最初 的恒速風力發(fā)電機到目前廣泛應用的變速風力發(fā)電機，同樣取得了長足的發(fā)展。但是，由于 目前可以利用的風能資源比較分散，而且存在不穩(wěn)定、不可控等問題，造成目前風力發(fā)電裝 置建設投資大、成本高，發(fā)電效率低，上網(wǎng)電價高，使用維護困難等突出問題。雖然也有學者 已經(jīng)開始在建筑環(huán)境中展開風力發(fā)電的研究，提出綠色建筑和零能耗建筑的概念，但由于 建筑環(huán)境中風場情況復雜、紊流加劇，且容易帶來噪聲和視覺污染等負面影響，在實際實施 過程中仍存在很大困難。目前，國內(nèi)外也有許多學者開始將注意力轉(zhuǎn)移到風電和太陽能發(fā) 電綜合利用的技術(shù)研究上來提高新能源的開發(fā)利用率，但大多是將風力發(fā)電和太陽能光伏 發(fā)電進行結(jié)合，從太陽能光伏電池的原料生產(chǎn)過程來看，也伴隨著新的高能耗和高污染的 問題。另外，太陽能熱氣流發(fā)電作為一門新興學科，是利用太陽熱能加熱開口系統(tǒng)內(nèi)的 局部空氣，使其溫度升高、密度降低，在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生空氣流動推動渦輪機發(fā)電。但是，小容 量太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率不高，而裝機容量大的系統(tǒng)其建筑規(guī)模也十分龐 大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種風能及太陽光熱能綜合利用的風光塔式發(fā)電裝置及方法，通 過開發(fā)利用建筑環(huán)境中的風能和太陽光輻射熱能來提高發(fā)電過程中的電能轉(zhuǎn)換效率，拓展 低碳能源開發(fā)利用的技術(shù)領域，降低風能及太陽能發(fā)電的設備制造和運行成本，推動低碳 能源普及應用。本發(fā)明的技術(shù)方案是，風光塔式發(fā)電裝置，主要由透明頂蓋、吸熱材料、空氣流道 隔板、葉輪、發(fā)電機、發(fā)電機支架和底座構(gòu)成，空氣流道隔板分隔出的空氣流道沿塔式底座 圓周分布，從空氣流道入口到空氣流道出口全程的空氣流道截面逐漸減小，實現(xiàn)對空氣流 道內(nèi)流動空氣的加速作用；吸熱材料為長條式絮狀體或網(wǎng)柵結(jié)構(gòu)，采取單層排列分布或多 層排列分布，設置在透明頂蓋下方的空氣流道內(nèi)部，用來吸收透過透明頂蓋的太陽光輻射
3熱能，提高空氣流道內(nèi)部的空氣溫度，增大空氣上升的流速；發(fā)電機支架安裝在空氣流道出 口上方底座頂端的中心位置，發(fā)電機固定在發(fā)電機支架上，葉輪通過剛性或柔性的聯(lián)軸器 與發(fā)電機連接，透明頂蓋通過空氣流道隔板固定在底座上，形成塔式結(jié)構(gòu)，空氣流道出口處 快速流動的氣流推動葉輪旋轉(zhuǎn)，通過剛性或柔性聯(lián)軸器帶動發(fā)電機工作進行發(fā)電。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中的空氣流道隔板在塔式底座上分隔出渦旋形空氣流 道，最大限度地減小空氣流動阻力，流道數(shù)量及具體形狀視裝置的具體應用環(huán)境而定，使其 最大限度利用各個方向吹來的風，可以克服不同季節(jié)因風向變化造成的不利影響。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中透明頂蓋采用聚碳酸脂(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)等透明有機高分子材料或玻璃等透明無機材料，采取整體式或者拼裝式結(jié)構(gòu)設計， 根據(jù)不同建筑規(guī)模和制造成本采取相應的實施方案。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中透明頂蓋與空氣流道隔板沿底座高度方向采取多層 疊加的結(jié)構(gòu)，使最頂端匯集的風量大，增加發(fā)電量。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中空氣流道中的吸熱材料為條絮狀或網(wǎng)柵狀結(jié)構(gòu)，例如 綠色或黑色塑料條，加工制造和安裝使用簡便易行，成本低廉，吸熱儲能性能好；還可以采 用緩釋材料將熱能緩慢釋放，起到儲能調(diào)峰的作用；對于不需要利用太陽光熱能的場合，透 明頂蓋采用不透明的材質(zhì)如屋面瓦等，節(jié)約原材料成本。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中底座上表面覆蓋有反光材料，例如鋁箔、鍍銀膜等，使 太陽光輻射光能夠進一步投射到吸熱材料上，并能加熱空氣流道內(nèi)的空氣。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中風道的隔板采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架外側(cè)設置擋板形成風 道，這種結(jié)構(gòu)支撐更加穩(wěn)固，強度高。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中發(fā)電機為直流發(fā)電機、交流發(fā)電機、飛輪蓄電裝置或 其他通用蓄電池儲能裝置，視具體工作環(huán)境和應用要求進行選型。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中，如果發(fā)電機結(jié)構(gòu)龐大，發(fā)電機和發(fā)電機支架放置在 底座中，剛性或柔性軸穿過透明頂蓋和底座中心將葉輪與發(fā)電機相連，發(fā)電機由葉輪帶動 發(fā)電，這種結(jié)構(gòu)方式使整個裝置的頂端體積小，底座還可以延伸到地下，發(fā)電機的震動和噪
音更小。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中的底座可以與休憩涼亭、售貨商店、廣告燈箱、人造景 觀等功能建筑相結(jié)合，或者與住宅等建筑屋頂相結(jié)合，也可以獨立地在沙漠、草原、灘涂、水 面等風能和太陽能富集的區(qū)域建設塔林風光發(fā)電場，大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置的發(fā)電儲能方法是空氣沿空氣流道入口進入空氣流道 并流向空氣流道出口，經(jīng)過逐漸縮小的空氣流道的增速作用后由匯聚到中心頂部的空氣流 道出口快速流出，從而推動出口處的葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機工作發(fā)電；空氣流道中排列布置 有一層或多層吸熱材料，白天在陽光照射條件下吸收太陽光輻射熱能，加熱空氣流道中的 空氣，使其受熱膨脹，增大空氣流道內(nèi)部和外部環(huán)境中的壓力差，加速空氣流道頂部空氣流 道出口處的氣流速度，提高發(fā)電效率，減小發(fā)電裝置特別是旋轉(zhuǎn)葉輪所占的體積。本發(fā)明根據(jù)流體力學的基本原理，對自然環(huán)境中的風能和太陽能進行了綜合的開 發(fā)利用，克服了傳統(tǒng)風電產(chǎn)業(yè)對風力資源的高要求和季節(jié)變化對風電設備運行帶來的不良 影響，有利于實現(xiàn)發(fā)電裝置與各種建筑相結(jié)合實現(xiàn)多功能化地利用，并且設備安裝維護簡 單，適應性強，能源利用率高，對環(huán)境友好，推廣應用前景十分廣闊。


圖1 本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置工作原理圖主視圖。圖2 本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置工作原理圖俯視圖。圖中1-空氣流道入口，2-透明頂蓋，3-空氣流道隔板，4-吸熱材料，5-空氣流道 出口，6-葉輪，7-發(fā)電機，8-發(fā)電機支架，9-底座。
具體實施例方式本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置中，空氣流道隔板2沿底座9的上部圓周均勻分布，空氣 流道隔板2設置數(shù)量根據(jù)應用場合而定，使其能夠最大限度地利用從各個方向吹來的風， 自空氣流道入口 1至空氣流道出口 5的空氣流道截面逐漸減小，從而根據(jù)流體力學的基本 原理來實現(xiàn)對空氣流道內(nèi)流動空氣的加速作用；透明頂蓋3可以是一體式，也可以是拼接 式，用來滿足不同規(guī)模建筑的應用需求；吸熱材料4為長條式絮狀體或網(wǎng)柵式，采用單層排 列分布或多層排列分布，懸掛在空氣流道內(nèi)部、透明頂蓋3下方，在白天陽光照射條件下用 來吸收透過透明頂蓋3的太陽輻射熱能，提高空氣流道內(nèi)部的溫度，加大空氣流道內(nèi)外的 壓力差，增強空氣流道內(nèi)流場的流速；葉輪6安置在空氣流道出口 5上方，通過聯(lián)軸器與發(fā) 電機7連接，發(fā)電機7固定在發(fā)電機支架8上，透明頂蓋2通過空氣流道隔板3固定在底座 9上，經(jīng)空氣流道加速后的氣流從空氣流道出口 5處快速流出，推動葉輪6旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā) 電機7工作發(fā)電，產(chǎn)生電能向電網(wǎng)或負載供電。本發(fā)明風光塔式發(fā)電裝置的具體發(fā)電方法是在有風狀態(tài)下，空氣沿建筑物四周 的空氣流道入口 1進入空氣流道并流向空氣流道出口 5，依據(jù)流體力學基本原理，通過漸縮 型的空氣流道的增速作用后由流道頂部的空氣流道出口 5處快速流出，推動出口處的葉輪 6旋轉(zhuǎn)，葉輪6帶動發(fā)電機7工作發(fā)電；空氣流道中排列布置有一層或多層吸熱材料4，白天 在陽光照射條件下吸收太陽輻射熱能，加熱空氣流道中的空氣，使其受熱膨脹，增大了流道 內(nèi)部和外部環(huán)境中的壓力差，能夠加速空氣流道頂部空氣流道出口 5處的氣流速度，尤其 在傍晚外部環(huán)境溫度降低時，吸熱材料4對流道內(nèi)部氣體的加熱效果更加明顯，能有效提 高發(fā)電效率。
權(quán)利要求
風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于主要由透明頂蓋、吸熱材料、空氣流道隔板、葉輪、發(fā)電機、發(fā)電機支架和底座構(gòu)成，空氣流道隔板分隔出的空氣流道沿塔式底座圓周分布，從空氣流道入口到空氣流道出口全程的空氣流道截面逐漸減??；吸熱材料設置在透明頂蓋下方的空氣流道內(nèi)部；發(fā)電機支架安裝在空氣流道出口上方底座頂端的中心位置，發(fā)電機固定在發(fā)電機支架上，葉輪通過聯(lián)軸器與發(fā)電機連接，透明頂蓋通過空氣流道隔板固定在底座上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于空氣流道隔板在塔式底座 上分隔出渦旋形空氣流道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于透明頂蓋采用聚碳酸脂 (PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或玻璃制作，透明頂蓋為整體式或者拼裝式結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于隔板采用桁架結(jié)構(gòu)，桁架外 側(cè)設置擋板。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于透明頂蓋與空氣流道隔板 沿底座高度方向采取多層疊加的結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于吸熱材料為條絮狀、網(wǎng)柵狀 結(jié)構(gòu)或緩釋材料，采用一層或多層結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于發(fā)電機為直流發(fā)電機、交流 發(fā)電機、飛輪蓄電裝置或其他通用蓄電池儲能裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于發(fā)電機和發(fā)電機支架放置 在底座中，剛性或柔性軸穿過透明頂蓋和底座中心將葉輪與發(fā)電機相連。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置，其特征在于底座與休憩涼亭、售貨商 店、廣告燈箱、人造景觀相結(jié)合，或者與建筑屋頂相結(jié)合，或獨立地在沙漠、草原、灘涂、水面 等風能和太陽能富集的區(qū)域建設塔林風光發(fā)電場。
10.權(quán)利要求1所述的風光塔式發(fā)電裝置的發(fā)電方法，其特征在于空氣沿空氣流道入 口進入空氣流道并流向空氣流道出口，經(jīng)過逐漸縮小的空氣流道的增速作用后由匯聚到中 心頂部的空氣流道出口快速流出，從而推動出口處的葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機工作發(fā)電；空氣 流道中排列布置有一層或多層吸熱材料，白天在陽光照射條件下吸熱材料吸收太陽光輻射 熱能，加熱空氣流道中的空氣，使其受熱膨脹，增大空氣流道內(nèi)部和外部環(huán)境中的壓力差， 加速空氣流道頂部空氣流道出口處的氣流速度，葉輪旋轉(zhuǎn)更快，發(fā)電量更大。
全文摘要
本發(fā)明公開了風光塔式發(fā)電裝置及方法，發(fā)電裝置主要由透明頂蓋、吸熱材料、空氣流道隔板、葉輪、發(fā)電機、發(fā)電機支架和底座構(gòu)成，空氣沿空氣流道入口進入空氣流道并流向空氣流道出口，經(jīng)過逐漸縮小的空氣流道的增速作用后由匯聚到中心頂部的空氣流道出口快速流出，從而推動出口處的葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機工作發(fā)電，空氣流道中排列布置有一層或多層吸熱材料，白天在陽光照射條件下吸收太陽光輻射熱能，加熱空氣流道中的空氣，使其受熱膨脹，增大空氣流道內(nèi)部和外部環(huán)境中的壓力差，加速空氣流道頂部空氣流道出口處的氣流速度，提高發(fā)電效率，減小發(fā)電裝置特別是旋轉(zhuǎn)葉輪所占體積。本發(fā)明適應性強，能源利用率高，對環(huán)境友好，推廣應用前景十分廣闊。
文檔編號F03D9/02GK101892960SQ201010226890
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者楊衛(wèi)民 申請人:北京化工大學