專利名稱：高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，屬于太陽能利用技術 領域。
背景技術：
能源是人類賴以生存和發(fā)展的最重要的物質基礎之一。太陽是地球的生命和能 量之源，在人類社會不過數(shù)百年的現(xiàn)代工業(yè)化發(fā)展過程中，巨大的能量消耗使得這些經過 億萬年才沉積起來的化石能源即將消耗殆盡，人類要想在地球繼續(xù)繁衍生息和不斷發(fā)展， 就必須尋找和開發(fā)新的能源。大規(guī)模地開發(fā)和利用太陽能正是最有效的途徑之一。太陽每 年送給地球的輻射能約有130萬億噸標準煤，相當于目前全球消耗的各種能量總和的一萬 倍。雖然太陽輻射能的總量很大，但能流密度很低。因此，要想得到一定的太陽輻射功率必 須有足夠大的采光面積。同時受晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等條件的限制，還有陰暗 云雨等隨機因素的影響，太陽輻射能是間斷而不穩(wěn)定的。目前開發(fā)的以新能源、新材料，高 技術為基礎的太陽能利用技術，例如風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電，太陽能高溫熱力發(fā)電、生 物質能發(fā)電。國外早80年代初期，西班牙建了一個功率50KW的太陽能煙囪發(fā)電試驗電站 等。因技術難度高，成本高昂、運營費用高、發(fā)電間歇性“垃圾電”。因其局限性而難以大規(guī) 模替代傳統(tǒng)能源。
發(fā)明內容
本發(fā)明提出的是高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，其目的旨在采用高聚 光太陽能熱氣流耦合塔發(fā)電技術，利用成熟工程技術，解決大規(guī)模太陽能利用發(fā)電中存在 的上述難題。使得在短時期內建成數(shù)百兆瓦量級的高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電站 成為可能。利用太陽能的無污染可再生能源應用。本發(fā)明的技術解決方案其特征是包括渦輪發(fā)電機、透平風葉、二級渦輪風電機、 三級渦輪風電機、若干個垂直軸風電機、垂直軸風力機、高聚光集熱鏡、導流塔內壁平板保 熱器、蛇形管式集熱器、菲涅爾聚光器、薄膜光伏電池系統(tǒng)，高聚光砷化鎵電池系統(tǒng)，其中透 平風葉連接渦輪發(fā)電機，透平風葉設在導流塔入口處；二級渦輪風電機、三級渦輪風電機與 若干個垂直軸風電機耦合，用于提高導流塔全天候發(fā)電；薄膜光伏電池系統(tǒng)、高聚光砷化鎵 電池系統(tǒng)與渦輪發(fā)電機、二級渦輪風電機、三級渦輪風電機、若干個垂直軸風電機、垂直軸 風力機耦合，形成風光集成發(fā)電系統(tǒng)；高聚光集熱鏡、薄膜光伏電池系統(tǒng)、菲涅爾聚光器設 在導流塔下面的正陽面，用于數(shù)倍集聚太陽的直射光和散射光，從而提高集熱器空氣溫度； 導流塔內壁平板保熱器、蛇形管式集熱器設在導流塔的內壁上。本發(fā)明的優(yōu)點1、高聚光集熱效率比常規(guī)煙囪式熱發(fā)電集熱棚空氣溫度大幅提 高，高溫熱氣流進入導流塔風速提高5-10m/S.提高渦輪機發(fā)電功率30%做功。降低導流塔 高度60%以上。增加空氣負壓，降低空氣密度，增強熱氣流煙囪效應。2、渦輪機與垂直軸 發(fā)電機耦合彌補夜晚風速降低的動力補償。垂直軸風力機通過齒輪帶動渦輪發(fā)電機可同時驅動，又可交替獨立驅動渦輪發(fā)電機旋轉發(fā)電。達到全天候持續(xù)發(fā)電。改變單機風電、光伏 電、太陽能熱電間歇式的發(fā)電模式。3、高聚光砷化鎵光伏電池比多晶硅光伏電池發(fā)電效率 高40%.余熱加熱真空管熱水集熱器利用60%的熱能。儲能自動循環(huán)補充夜晚導流塔氣 流溫度。4、導流塔頂垂直軸發(fā)電機可同時驅動，又可交替獨立驅動發(fā)電機旋轉發(fā)電。垂直 軸風力機通過齒輪帶動導流塔上部的抽風葉輪旋轉抽風，強制性抽風補償塔內氣流速度的 不足。當夜間無太陽輻射和風大時，可由導流塔頂垂直軸風力機帶動塔內抽風機旋轉抽風， 提高導流塔內熱氣流風速互補發(fā)電。5、經濟效益優(yōu)好玻璃低集熱區(qū)特色種植有效利用溫 室效應。6、回報率高回收時間是風電的1/2時間。光伏電的1/3時間。聚光熱氣流風光 耦合發(fā)電兆瓦級年發(fā)電高于常規(guī)煙囪式50%。該技術實施后可提前回收投資期3-4年。6、 社會效益明顯首先，無環(huán)境污染，可節(jié)能減排年煙塵排放28. 5噸，col 550公斤，s02 633 萬噸；其次，高聚光光伏和薄膜光伏、垂直軸發(fā)電不另占用土地、共用電源智能化控制系統(tǒng)。 余熱自循環(huán)系統(tǒng)，高效優(yōu)化資源綜合利用，減少占用土地50 %以上面積，可現(xiàn)代農業(yè)安排工 人工作，種植特色農業(yè)大棚經濟植物。
附圖1是高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔的結構示意圖。圖中的1是渦輪電機，設在地面下；2是透平風葉；3是菲涅爾聚光器；4是進風控 制門；5是二級渦輪風電機；6是三級渦輪風電機；7是垂直軸風電機；8是導流塔內壁平板 保熱器；9是蛇形管式集熱器；10是循環(huán)平板真空管集熱器；11是地下儲熱器；12是循環(huán)水 泵；13是余熱循環(huán)泵；14是薄膜光伏組件；15是黑色卵石或黑色地膜16是垂直軸風力機； 17是抽風葉輪；18是高聚光集熱鏡；19是薄膜光伏電池系統(tǒng)；20是玻璃溫室；21是高聚光 砷化鎵電池系統(tǒng)；22是陰面隧道聚熱導流筒；23是隧道頂面高聚光集熱鏡。
具體實施例方式對照附圖，其結構是包括渦輪發(fā)電機1、透平風葉2、二級渦輪風電機5、三級渦輪 風電機6、若干個垂直軸風電機7、垂直軸風力機16、高聚光集熱鏡18、導流塔內壁平板保熱 器8、蛇形管式集熱器9、菲涅爾聚光器3、薄膜光伏電池系統(tǒng)19，其中透平風葉2連接渦輪 發(fā)電機1，透平風葉2設在導流塔入口處；二級渦輪風電機5、三級渦輪風電機6與若干個垂 直軸風電機7耦合，用于提高導流塔全天候發(fā)電；薄膜光伏電池系統(tǒng)19、高聚光砷化鎵電池 系統(tǒng)21與渦輪發(fā)電機1、二級渦輪風電機5、三級渦輪風電機6、若干個垂直軸風電機7、垂 直軸風力機16耦合，形成風光集成發(fā)電系統(tǒng)；高聚光集熱鏡18、薄膜光伏電池系統(tǒng)19、菲涅 爾聚光器3設在導流塔下面的正陽面，用于數(shù)倍集聚太陽的直射光和散射光，從而提高集 熱器空氣溫度；導流塔內壁平板保熱器8、蛇形管式集熱器9設在導流塔的內壁上。導流塔內壁平板保熱器8和蛇形管式集熱器9相通，導流塔內壁平板保熱器8和 蛇形管式集熱器9與余熱循環(huán)泵13相通，導流塔內壁平板保熱器8、蛇形管式集熱器9和 余熱循環(huán)泵13與循環(huán)平板真空管集熱器10相通，循環(huán)平板真空管集熱器10與地下儲熱器 11相通，循環(huán)平板真空管集熱器11與循環(huán)水泵12相連。高聚光集熱鏡18設置在導流塔下部的正陽面，太陽能高聚光集熱鏡18與中溫區(qū) 薄膜光伏電池系統(tǒng)19相鄰；導流塔下部的右側是低溫區(qū)玻璃溫室20，導流塔四壁布有若干個垂直軸風電機7，導流塔底部陰面各有一個進風控制門4，導流塔下部左側上裝有隧道頂 面高聚光集熱鏡23，導流塔下部左側設有余熱循環(huán)泵13，導流塔下部正陽面的高聚光集熱 鏡18、薄膜光伏電池系統(tǒng)19的地面上設有循環(huán)平板真空管集熱器10。循環(huán)平板真空管集熱器10的一端通過循環(huán)水泵12與地下儲熱器11的一端相接， 循環(huán)平板真空管集熱器10的另一端與地下儲熱器11的另一端相接；循環(huán)平板真空管集熱 器10的上方是高聚光砷化鎵電池系統(tǒng)21，與隧道頂面高聚光集熱鏡23相鄰的是陰面隧道 聚熱導流筒22，導流塔底部二側的若干個進風控制門4設在地面黑色卵石或黑色地膜15 上。導流塔外正陽面壁設置薄膜光伏組件14。垂直軸風力機16裝在塔頂與抽風葉輪17連接。高聚光集熱鏡18用于大面積收集低能量密度的太陽輻射能。并將其轉換為器內 空氣的熱能，從而使位于集熱器中央，高達數(shù)百米的導流塔兩端產生數(shù)百帕的壓力差。并在 導流塔和集熱室內產生強大氣流以驅動渦輪發(fā)電機組產生電力。集熱器空氣溫度越高，導 流塔風速越快。發(fā)電效率越高。所述的隧道頂面高聚光集熱鏡1000倍型號SF1000-B1.用于大面積收集低能量密 度的太陽輻射能。并將其轉換為器內空氣的熱能，從而使位于集熱器中央，高達數(shù)百米的導 流塔兩端產生數(shù)百帕的壓力差。并在導流塔和集熱室內產生強大氣流以驅動渦輪發(fā)電機組 產生電力。集熱器空氣溫度越高，導流塔風速越快。發(fā)電效率越高。所述的菲涅爾聚光器(SF1000-B1型)，其菲涅爾透鏡，菲涅爾鏡片是根據法國光 物理學家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE (聚乙烯)材料壓制而成。鏡片表面 刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應角度 大，焦距遠；圓環(huán)線刻錄的深感應距離遠，焦距近。簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒 紋.通過這些齒紋，可以達到對指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)的作用.聚光型 太陽能電池的菲涅爾透鏡聚光率范圍500 1600倍所述的導流塔內壁平板集熱器LlOO型，其工作原理采用鋁串片平板集熱器，使 導流塔內50°C以上的熱氣流余熱吸收，用于夜間循環(huán)回流到地面集熱器內的散熱器，加熱
空氣溫度。所述的蛇形管式集熱器，其工作原理采用鋁管集熱器，使導流塔內50°C以上的 熱氣流余熱吸收，用于夜間循環(huán)回流到地面集熱器內的散熱器，加熱空氣溫度。所述的循環(huán)平板真空管集熱器100X1500型，其工作原理采用玻璃真空管水循環(huán) 集熱，加熱水溫至80-90 °C左右，用于夜間循環(huán)散放加熱空氣。所述的地下儲熱器6000X8000型8臺，其工作原理采用玻璃鋼定制非標非壓力儲熱容器，建于一 5米地面處，外敷石棉保溫層。確保 白天儲熱夜間循環(huán)加熱集熱器高、中溫區(qū)空氣。所述的薄膜光伏組件單晶硅F80型，其工作原理，采用晶硅透光型玻璃襯底貼薄 膜電池組件發(fā)電，既發(fā)電又將余光接收到地面真空管集熱?？衫?5%太陽光轉變?yōu)闊崮?。所述的高聚光集熱鏡HCPV型，其工作原理，采用1000倍高聚光菲涅爾透鏡，吸 收太陽光聚焦到砷化鎵電池上，激發(fā)光伏發(fā)電。聚光型太陽能電池可通過使用透鏡將光 聚集到狹小的面積上來提高發(fā)電效率。因此往往必須要抑制聚光率才可以。聚光型太陽電池假如使用聚光倍率為1000倍的透鏡時，單位模組的太陽能電池單元的成本可降至結 晶矽類電池單元的1/10左右，而所需的面積僅多晶硅的1/2. 5，另外聚光型太陽能電池必 須要在位於透鏡焦點附近時才能發(fā)揮功能，因此為使模組總是朝向太陽的方位，必須搭配 使用太陽追蹤系統(tǒng)，此設計可以提高轉換效率達39%，比多晶硅平板電池組件發(fā)電效率高 30% -35% 以上。所述的陰面隧道聚熱導流筒直徑15米，其工作原理大型集熱器建造在正陽面圍 繞導流塔圓周3/4部份，近光吸牧太陽光，傾角40-45°C .而陰面無法傾角對陽光.因集熱 器必須有3%以上傾角引導氣流匯聚至導流塔進風口。與太陰光成同向平行無法形成受光 傾角。采用直徑15米導流筒，面蓋采用高聚光集熱鏡聚光加熱空氣。通過自然抽風帶動導 流筒內渦輪風力發(fā)電機運轉。夜間溫度不夠，風速不足時。開動抽風機補風。夜間導流筒 內溫度由筒內數(shù)百米散熱器調節(jié)溫度。本發(fā)明是利用太陽光造熱形成熱空氣流，造風驅動機械能做功和光經半導體產生 伏特形成電流的發(fā)電原理。采熱用數(shù)百倍高聚光菲涅爾透鏡聚光的高溫區(qū)集熱器面蓋。面 蓋鋼粱上加裝通往頂板的軌道，以便集熱器頂電動除塵器清潔器頂。集聚光能加熱空氣轉 化為熱能。形成高溫熱氣流。高溫區(qū)內地面裝置高聚光砷化鎵雙軸追日跟蹤光伏發(fā)電系 統(tǒng)，中溫區(qū)薄膜光伏電池頂棚，集熱器內地面裝置真空管集熱管、中高溫區(qū)地面鋪設黑色浙 青吸熱儲能。低溫區(qū)簿膜或玻璃面蓋，棚內特色農業(yè)種植區(qū)。導流塔內裝置多級渦輪機與 導流塔外壁掛多級垂直軸發(fā)電機耦合產生機械能發(fā)電。塔頂垂直軸風力機在有時風發(fā)電， 既可同時驅動，又可交替獨立驅動發(fā)電機旋轉發(fā)電。強制性抽風補償塔內氣流速度的不足。 對大幅度提高發(fā)電效率，減少數(shù)倍土地占用，提高集熱效率及提高風速、降低導流塔高度。 高倍聚熱立體利用光、熱、風。滿足白天加熱空氣溫度及發(fā)電機驅動的能量。同時集熱器和 導流塔多余熱量經集熱真空管儲熱能量。供夜晚釋放循環(huán)加熱集熱器內空氣，提高熱氣流 溫度，維持發(fā)電機正常運轉。達到全天候發(fā)電性能，降低發(fā)電容量的峰谷波動，發(fā)電功率輸 出持續(xù)、穩(wěn)定的優(yōu)質電。實現(xiàn)了太陽能光和熱能與風能復合發(fā)電的工業(yè)化應用的轉化。資 源稟賦最優(yōu)化集成。實施例1 采用太陽能導流塔60m，導流塔直徑6m，太陽能集熱器直徑500m，集熱器 層高2. ail，采用高聚光透鏡集熱器高溫區(qū)占地10000m2。采用塔外壁垂直軸風力機與塔內 渦輪發(fā)電機耦合互補做功。塔頂采用大型垂直軸風力發(fā)電機，交替互補發(fā)電和傳動齒輪帶 動塔內抽風機拔風。實驗結果采用高聚光透鏡集熱器高溫區(qū)集熱效率因子從0. 9增加到 1. 5，提高67%效率。當20°C空氣進入集熱器系統(tǒng)到導流塔底部進口溫度提高30°C以上，風 速提高15m/s以上。發(fā)電效率從400kw. h、增力功率到600kw. h。高聚光砷化鎵光伏和薄膜 光伏發(fā)電充分利用系統(tǒng)條件，在不另占用土地狀況下增加發(fā)電量提高40%以上。無太陽的 夜間導流塔內頂部的抽風機轉動維持渦輪機效率提高15%實施例2 實施條件；采用太陽能導流塔Hsc 120m，導流塔直徑Dsc 10m，太陽能集 熱器Dcoll 800m，集熱器層高Hcoll 2. 2m，采用高聚光透鏡集熱器高溫度占地20000m2。 采用塔外壁垂直軸風力機與塔內渦輪發(fā)電機耦合互補做功。塔頂采用大型垂直軸風力發(fā)電 機，交替互補發(fā)電和傳動齒輪帶動塔內抽風機拔風。實驗結果；采用高聚光透鏡集熱器高溫區(qū)，集熱效率因子從0. 9提高到1. 8，提高 100%效率。當20°C空氣進入集熱器系統(tǒng)到導流塔底部入口溫度提高45%以上，風速提高20m/s，發(fā)電效率從400Kw. h、增加功率到700Kw. h。高聚光砷化鎵光伏和薄膜光伏發(fā)電系統(tǒng) 充分利用系統(tǒng)條件，在不另占用土地狀況下增加發(fā)電量提高50%以上。無太陽的夜間導流 塔內頂部的抽風機轉動維持渦輪機效率提高22%。
權利要求
1.高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，其特征是包括渦輪發(fā)電機、透平風葉、二 級渦輪風電機、三級渦輪風電機、若干個垂直軸風電機、垂直軸風力機、高聚光集熱鏡、導流 塔內壁平板保熱器、蛇形管式集熱器、菲涅爾聚光器、薄膜光伏電池系統(tǒng)，高聚光砷化鎵電 池系統(tǒng)，其中透平風葉連接渦輪發(fā)電機，透平風葉設在導流塔入口處；二級渦輪風電機、三 級渦輪風電機與若干個垂直軸風電機耦合，用于提高導流塔全天候發(fā)電；薄膜光伏電池系 統(tǒng)、高聚光砷化鎵電池系統(tǒng)與渦輪發(fā)電機、二級渦輪風電機、三級渦輪風電機、若干個垂直 軸風電機、垂直軸風力機耦合，形成風光集成發(fā)電系統(tǒng)；高聚光集熱鏡、薄膜光伏電池系統(tǒng)、 菲涅爾聚光器設在導流塔下面的正陽面，用于數(shù)倍集聚太陽的直射光和散射光，從而提高 集熱器空氣溫度；導流塔內壁平板保熱器、蛇形管式集熱器設在導流塔的內壁上。
2.根據權利要求1所述的高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，其特征是導流塔 內壁平板保熱器和蛇形管式集熱器相通，導流塔內壁平板保熱器和蛇形管式集熱器與余熱 循環(huán)泵相通，導流塔內壁平板保熱器、蛇形管式集熱器和余熱循環(huán)泵與循環(huán)平板真空管集 熱器相通，循環(huán)平板真空管集熱器與地下儲熱器相通，循環(huán)平板真空管集熱器與循環(huán)水泵 相連。
3.根據權利要求1所述的高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，其特征是高聚光 集熱鏡設置在導流塔下部的正陽面，高聚光集熱鏡與中溫區(qū)薄膜光伏電池系統(tǒng)相鄰；導流 塔下部的右側是低溫區(qū)玻璃溫室，導流塔四壁布有若干個垂直軸風電機，導流塔底部陰面 各有一個進風控制門，導流塔下部左側上裝有隧道頂面高聚光集熱鏡，導流塔下部左側設 有余熱循環(huán)泵，導流塔下部正陽面的高聚光集熱鏡、薄膜光伏電池系統(tǒng)的地面上設有循環(huán) 平板真空管集熱器。
4.根據權利要求2所述的高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，其特征是循環(huán)平 板真空管集熱器的一端通過循環(huán)水泵與地下儲熱器的一端相接，循環(huán)平板真空管集熱器的 另一端與地下儲熱器的另一端相接；循環(huán)平板真空管集熱器的上方是高聚光砷化鎵電池系 統(tǒng)，與隧道頂面高聚光集熱鏡相鄰的是陰面隧道聚熱導流筒，導流塔底部二側的若干個進 風控制門設在地面黑色卵石或黑色地膜上。
5.根據權利要求1所述的高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，其特征是導流塔 外正陽面壁設置薄膜光伏組件。
6.根據權利要求1所述的高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，其特征是垂直軸 風力機裝在塔頂與抽風葉輪連接。
全文摘要
本發(fā)明是高聚光太陽能熱氣流風光耦合塔發(fā)電系統(tǒng)，包括渦輪發(fā)電機、透平風葉，二、三級渦輪風電機，若干個垂直軸風電機，垂直軸風力機，高聚光集熱鏡，導流塔內壁平板保熱器，蛇形管式集熱器，菲涅爾聚光器，高聚光砷化鎵光伏電池系統(tǒng)，薄膜光伏電池系統(tǒng)。優(yōu)點高聚光集熱效率比常規(guī)煙囪式熱發(fā)電集熱棚空氣溫度高，高溫熱氣流進入導流塔風速提高5-10m/S，提高渦輪機發(fā)電功率30％做功。降低導流塔高度60％以上。增加空氣負壓，降低空氣密度，增強熱氣流煙囪效應。渦輪機與垂直軸發(fā)電機耦合彌補夜晚風速降低的動力補償。垂直軸風力機通過齒輪帶動渦輪發(fā)電機可同時驅動，又可交替獨立驅動渦輪發(fā)電機旋轉發(fā)電。達到全天候持續(xù)發(fā)電。
文檔編號F03G6/06GK102128150SQ20111005203
公開日2011年7月20日 申請日期2011年3月4日 優(yōu)先權日2011年3月4日
發(fā)明者汪廣耀, 汪源, 王斌 申請人:南京固體廢棄物資源再生研究設計院