太陽能驅(qū)動（水輪機）水力、風(fēng)力綜合發(fā)電新工藝的制作方法
【專利摘要】太陽能驅(qū)動(水輪機)水力、風(fēng)力綜合發(fā)電新工藝是太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中的新型工藝。由于它的投資成本及運行成本較低，所以具有與水電、火電競爭的能力。在太陽能的作用下，在設(shè)備內(nèi)使液體產(chǎn)生一定壓差并使液體循環(huán)流動，流動的液體推動水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。產(chǎn)生的氣流推動風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電。只要在有陽光的環(huán)境下，它就可以進行發(fā)電。將液體介質(zhì)加熱儲存，夜間也可以發(fā)電，使得發(fā)電可以連續(xù)進行。它不但可以建成大型電廠，也可制成超小型的裝置，利用太陽能為家庭供電。如果和發(fā)電廠聯(lián)合會使火電廠成本大幅下降，效益翻倍。
【專利說明】
太陽能驅(qū)動(水輪機)水力、風(fēng)力綜合發(fā)電新工藝
技術(shù)領(lǐng)域 [0001] :本發(fā)明屬于太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中的一種新型發(fā)電工藝。
【背景技術(shù)】 [0002] :現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電在商業(yè)化運作方面還遠不如光伏發(fā)電成熟，而投 資成本也很高，本發(fā)明比較容易進行商業(yè)化運作而投資和運行成本要比光伏發(fā)電低很多。 可建成大型電站，具有與現(xiàn)有火電及水電競爭的能力，并同時具備太陽能發(fā)電環(huán)保、低碳無 污染的優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0003] :本發(fā)明的目的在于，用更新穎的工藝原理，更加環(huán)保的理念，更低的成 本和投資來為人類更好地開發(fā)利用太陽能找到一條新路。來解決日趨緊張的能源危機。本 發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0004] 下面我們用三個小實驗漸進將本發(fā)明工藝原理揭示說明。
[0005] 實驗一我們用圖1這樣一個下方帶有旋塞（1)的玻璃U形管來做一個常識性的簡單 實驗：
[0006] 1.先將U形管下方的旋塞關(guān)閉
[0007] 2.往左側(cè)豎管和右側(cè)豎管中分別注入同等高度的水。
[0008] 3.打開旋塞
[0009] 我們觀察到U形管左右豎管中的水是穩(wěn)定不動的，兩個液面仍然是同等高度。這是 因為U形管兩邊在旋塞處的壓強是相等的，所以左右液面沒有變化。
[0010] 實驗二我們把U形管中的水倒掉，再做下面的實驗：
[0011] 1.先將U形管下方的旋塞(1)關(guān)閉
[0012] 2.向左側(cè)豎管中注入水，向右側(cè)豎管中注入水銀，左右豎管中液面等高
[0013] 3.打開旋塞
[0014]我們觀察到兩邊管中的液體產(chǎn)生了流動，右側(cè)豎管中的水銀向左側(cè)豎管流動，當(dāng) 兩邊液體流動到一定位置后便不再流動，液面穩(wěn)定在一個固定的位置。兩邊的液體之所以 產(chǎn)生了流動是因為左右豎管中液體的密度不同，造成旋塞處壓強不同而產(chǎn)生了壓差，右側(cè) 豎管由于水銀密度大而在旋塞處的壓強大于左側(cè)豎管的水在旋塞處的壓強，從而右側(cè)豎管 的水銀向左側(cè)豎管流動，當(dāng)液體流動到一定位置的時候，水銀和水相交的地方壓強相等時， 兩邊壓力達到了新的平衡，所以液面又穩(wěn)定不動了。這就使我們想到了如果我們能人為的 造成左側(cè)豎管和右側(cè)豎管中這種不平衡一直存在下去，并將U形管上方也連通起來，那么管 中的液體就會一直流動下去。本發(fā)明就是能夠人為的破壞U形管中的平衡讓管中的液體一 直流動，從而使水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電的。那么怎樣才能使這種不平衡一直存在下去呢?我 們再看一下第三個實驗。
[0015] 實驗三圖2是一個上部被連通起來的U形管。上方的連通部分要粗一些，并在上部 帶有排氣管(3)。在左側(cè)豎管下方安裝了一個進氣管，由進氣閥（2)控制氣體流量，在底部中 央安裝一個小葉輪(1)。
[0016] 實驗步驟：
[0017] 1.先由進氣閥緩緩注入清水，使水面到達頂部橫管處后關(guān)閉進氣閥，將進氣閥的 進口接到氣栗上，這時我們看到左右豎管的液面是穩(wěn)定不動的。
[0018] 2.實驗開始，打開氣栗，緩慢打開進氣閥，逐漸調(diào)整進氣閥，觀察左側(cè)豎管中氣泡 量，使左側(cè)豎管中氣泡體積和水的體積相同，并保持U形管上部連通部分有水流動，這時我 們看到U形管下方小葉輪在不停的轉(zhuǎn)動。由此證明了整個封閉的管道中，水是由右側(cè)豎管順 時針流過葉輪，再進入左側(cè)豎管，然后流進上部的連通管，最后流回右側(cè)豎管，不斷往復(fù)循 環(huán)，只要氣栗不停，水就會一直流動。將微型實驗工業(yè)化放大做成配套設(shè)備，即可推動水輪 機帶動發(fā)電機進行發(fā)電。
[0019] 當(dāng)然如果用氣栗使左側(cè)管中產(chǎn)生氣泡進行發(fā)電顯然不夠經(jīng)濟。但如果能利用太陽 能來代替氣栗，完成氣栗所做的工作，就能使太陽能轉(zhuǎn)化為電能，這就是我們發(fā)明的最終目 的。那么如何利用太陽能來完成取代實驗三中氣栗的工作呢?我們先要介紹一種人所共知 的化學(xué)物質(zhì)一一氨氣(NH3)，氨氣的性質(zhì)里面有一項是極易溶于水，并且溶解度非常大(常 溫常壓下，氨氣的溶解度為1:700，即，1升水可以溶解700升的氨氣）。我們知道，氣體溶解度 的大小與溫度成反比關(guān)系，下表列出了氨氣在水中的溶解度(表1)
[0020] 表1氨在水中的溶解度kg氨/kg溶液
[0021]
[0022] 我們?nèi)毫椋?01.3KPa)為例，溫度20°C時溶解度為0.325kg氨/kg溶液，溫度60 °C時溶解度為0.140kg氨/kg溶液.差值為0.185kg氨/kg溶液
[0023]本發(fā)明是根據(jù)上述理論建立的一套可以利用太陽能代替實驗三中的氣栗實現(xiàn)管 中液體不斷循環(huán)流動的系統(tǒng)，并通過流動的液體推動水輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。為了提高能 源轉(zhuǎn)化效率，增加了風(fēng)力發(fā)電單元。更多技術(shù)細節(jié)請參考【具體實施方式】。
【附圖說明】：
[0024]圖1為實驗一和試驗二的示意圖。
[0025]圖2為實驗三示意圖。
[0026]圖3是太陽能驅(qū)動(水輪機)水力、風(fēng)力綜合發(fā)電新工藝流程示意圖。它包括環(huán)形管 (1)，氣液分離器(2)，排氣閥（3)，風(fēng)力管(4)，風(fēng)力發(fā)電單元(5)，吸收塔(6)，回流栗(7)，進 液閥（8)，泄料閥（9)，分流閥（10)，加熱閥（11)，太陽能加熱器（12)，氨氣閥（13)，溢流閥 (14)，回流閥（15)，氨水閥（16)，注料閥（17)，供熱栗（18)，高溫閥（19)，分配孔板(20)，水 力發(fā)電單元(21)，冷卻器(22)，二次冷卻器(23)。
[0027]
【具體實施方式】:如附圖3所示，整個系統(tǒng)在啟動前需要進行空氣排出，所有閥門全 部關(guān)閉，啟動時只打開進液閥（8)，排氣閥（3)，分流閥（10)，加熱閥（11)，再打開注料閥 (17)，啟動回流栗（7)，向系統(tǒng)內(nèi)注入水，當(dāng)排氣閥（3)有水流出時停止注水，關(guān)閉注料閥 (17)，打開回流閥（15)，關(guān)閉排氣閥（3)，關(guān)?；亓骼?7)，由排氣閥（3)處接入CO 2氣體，由溢 流閥（14)將氣液分離器(2)中的水排到蓄水池中。溢流閥（14)不再流水后即可關(guān)閉溢流閥 (14)，關(guān)閉排氣閥（3)，停止注入CO 2氣體，開啟供熱栗（18)，高溫閥（19)，在太陽能加熱器 (12)的作用下，逐漸提高系統(tǒng)內(nèi)的溫度(為了加快提溫速度可考慮增加輔助加熱系統(tǒng)，在此 不做敘述）。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液體達到60°C以上時，通過氨水閥（16)，回流栗(7)，進液閥（8)向環(huán)形 管（1)中左側(cè)注入濃氨水，濃氨水在環(huán)形管（1)左側(cè)被60 °C以上的熱水加熱（達到60 °C的飽 和點）后迅速產(chǎn)生氨氣(和實驗三用氣栗充氣有異曲同工的效果），此時氨氣泡和稀的飽和 氨水共同存在于左側(cè)豎管（1)，這時左側(cè)豎管與右側(cè)豎管之間就產(chǎn)生了很大的壓差，這樣環(huán) 型管中的液體便產(chǎn)生了順時針流動，推動水力發(fā)電單元(21)中的水輪機，帶動發(fā)電機進行 發(fā)電。當(dāng)氨氣到了上方的氣液分離器(2)后，從稀氨水中逸出，經(jīng)由風(fēng)力管(4)推動風(fēng)力發(fā)電 單元（5)進行發(fā)電后，氨氣進入吸收塔(6)的下部，被從分流閥（10)來的稀氨水經(jīng)冷卻器 (22)冷卻后從吸收塔(6)頂部噴淋下來吸收成濃氨水(為了提高對氨氣的吸收效果，增加濃 氨水的濃度，在吸收塔(6)的中段加裝了二次冷卻器(23))。當(dāng)吸收塔底液面達到了一定高 度時開啟回流栗(7)調(diào)節(jié)回流閥（15)控制回流量將濃氨水送回左側(cè)豎管（1)完成氨的循環(huán)。 當(dāng)吸收塔(6)底濃氨水的濃度達到所要求的濃度，即可關(guān)閉氨水閥（16)，這時系統(tǒng)內(nèi)水(稀 氨水）和氨氣在太陽能供熱的情況下及供熱栗和回流栗的協(xié)助下即可持續(xù)不斷地循環(huán)流 動，也就是說我們已經(jīng)人為的完成了 U形管兩側(cè)不平衡的持續(xù)存在，實現(xiàn)了用太陽能代替實 驗三中的氣栗的作用，實現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(水輪機)水力，風(fēng)力綜合發(fā)電新工藝。
[0028] 濃氨水在豎管A中的蒸發(fā)需要吸收熱量，環(huán)形管路盡管做了保溫，但也還是會有熱 損失，這些都是要太陽能加熱器（12)進行補償。而吸收塔（6)中放出的熱量，以及分流閥 (10)出來的稀氨水的熱量要靠冷水通過冷卻器(22)和二次冷卻器(23)移出。
[0029] 下面我們按氨氣在左側(cè)豎管中所占體積為豎管(左側(cè))容積的一半進行計算，那么 兩側(cè)豎管之間產(chǎn)生的壓差為環(huán)形管高度的一半，根據(jù)表一我們知道，40°C的溫差(60°C~20 。(:或者80 °C~40 °C)氨氣的溶解度
[0030] 20 °C時氨氣溶解度為0.325kg氨/kg溶液
[0031] 60°C時氨氣溶解度為0· 140kg氨/kg溶液
[0032] 差值為0.185kg氨/kg溶液= 185g(NH3)/1000g溶液(約等于1升） （一式）
[0033]即一公斤濃氨水升高40 °C時可以釋放出185g氨氣
[0034] Imol氨氣=17g，常態(tài)下體積為22 · 4升
[0035] 17g + 22.4L = 0.75893g/L? 0.76g/L (二式）
[0036]即每升氨氣的重量為0.76克
[0037] 185g + 0.76g/L = 243L
[0038] 即每公斤濃氨水溫度升高40°C以后可以釋放出氨氣243L/kg
[0039] 1 立方米= 1000 L 1000 + 243L/kg = 4. Ikg (三式）
[0040] 即4. Ikg的20°C濃氨水溫度升高40°C后可釋放出1立方米體積的氨氣。
[0041] 我們再按照附圖3的流程示意圖，將環(huán)形管的高度和直徑以具體數(shù)據(jù)進行計算。假 設(shè)環(huán)形管的高度為20米，直徑為2米，當(dāng)左側(cè)豎管中氣泡體積和液體體積相等時左右豎管產(chǎn) 生的壓差為10米，我們可以算出豎管中液體的流速為：
[0042]
V =流速，g =重力加速度，h =水頭高度，S =秒
[0043] 豎管的截面積 S = JiR2 = 3.14Xl2 = 3.14m2
[0044] 管中液體的流量vs = 14m/s X 3 · 14m2 = 44m3/s (四式）
[0045] 左側(cè)豎管中氣體的流量也應(yīng)是44m3/s
[0046]所需氨水的量 44m3/sX4.1kg/m3 = 180kg/s (五式）
[0047]水輪機的出力公式：
[0049] r-液體容重公斤/米3Q-液體流量米3/秒H-液柱(水頭)米
[0052]冷卻水用量由兩部分組成
[0053] 1)分流閥（10)稀氨水的流量每秒為180公斤，冷卻水出口溫升高10 °C冷卻水用量 為1800公斤/每秒，在左側(cè)豎管中氨的解析量和在吸收塔中氨氣的溶解量應(yīng)是相等的（平 衡)的。也就是說在豎管A中氨氣吸收的熱與在吸收塔(6)中放出的熱量也是相等的，僅以吸 收塔做以下計算：
[0054] NH3+H20 = NH4〇H+35.2KJ/mol
[0055] 每公斤氨氣被吸收放出的熱量為：
[0056] 40°C溫差氨氣溶解度差值為0.185kg氨/kg溶液，即每公斤稀氨水要吸收0.185kg 氨氣。
[0057] 180公斤稀氨水變成濃氨水需要吸入的氨氣量為
[0058] 180kg X 0 · 185kg 氨/kg 溶液=33 · 3 公斤
[0059] 根據(jù)(八式）
[0060] 2070X33.3 = 68931KJ
[0061] 水的比熱容為4.2KJ/kg · °C
[0062] 2)二次冷卻器用水量：（冷卻水溫升高10 °C)
[0063] 68931+4.2KJ/kg = 16412kg/^A
[0064] 16412kg +10 = 1641kg/秒
[0065] =1.7噸/秒
[0066] 冷卻器(22)二次冷卻器(23)兩項合計用水量為
[0067] 1.8噸/秒+1.7 噸/秒= 3.5噸/秒
[0069] 冷卻水及回流栗共耗
[0070] 70千瓦+25千瓦=95千瓦
[0071] 風(fēng)力發(fā)電功率為：
[0072] N-功率(KW)
[0073] P-氣體密度(kg/m3)取0.76kg/m3
[0074] V-氣體流速(m/s) 取 14m/s
[0075] R-風(fēng)葉半徑(m) 取Im
[0076] τι-發(fā)電機效率 取0.8
[0077] CP-風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率 取0.32
[0078] 發(fā)電機功率約為270KW
[0079] 太陽能加熱器采用太陽灶式加熱，這樣可以降低投資成本，太陽加熱器基本上每 千瓦100元就可以解決。初步設(shè)想是將多個太陽灶進行串聯(lián)加并聯(lián)，多個底盤設(shè)計為隨陽光 方向可以轉(zhuǎn)動來提高效率。
【主權(quán)項】
1. 一種太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中的太陽能驅(qū)動(水輪機)水力、風(fēng)力綜合發(fā)電新工藝（圖3)。 它包括:環(huán)形管（1)，氣液分離器(2)，排氣閥（3)，風(fēng)力管(4)，風(fēng)力發(fā)電單元(5)，吸收塔(6)， 回流栗（7)，進液閥（8)，瀉料閥（9)，分流閥（10)，加熱閥（11)，太陽能加熱器（12)，氨氣閥 (13)，溢流閥（14)，回流閥（15)，氨水閥（16)，注料閥（17)，供熱栗（18)，高溫閥（19)，分配孔 板(20)，水力發(fā)電單元(21)，冷卻器(22)，二次冷卻器(23)。其特征在于：2. 水輪機的做功是靠太陽能將環(huán)形管（1)左側(cè)豎管中的液體加熱，使其將進液閥（8)送 來的濃氨水在左側(cè)環(huán)形管（1)中迅速解析(蒸發(fā))產(chǎn)生大量氣體在分配孔板(20)的作用下均 勻的分配到左側(cè)整個豎管中。使兩側(cè)豎管中液體密度不同產(chǎn)生壓差，使液體在環(huán)形管道中 做循環(huán)流動，以此推動水力發(fā)電單元(21)中的水輪機工作。3. 被蒸發(fā)解析出來的氨氣經(jīng)過風(fēng)力管(4)推動風(fēng)力發(fā)電單元(5)中的風(fēng)輪帶動發(fā)電機 發(fā)電后返回吸收塔(6)被吸收成濃氨水循環(huán)使用。
【文檔編號】F03G7/00GK105986975SQ201610120472
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年3月3日
【發(fā)明人】李青山
【申請人】李青山, 李光中