專利名稱：一種太陽能熱成旋風發電方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及低溫太陽能發電技術領域，特別涉及一種利用太陽能 的可控熱成旋風發電的方法及其實現裝置。
背景技術：
隨著人口增加和經濟發展，人類對能源的消費需求越來越大，煤 炭、石油、天然氣等常規、 一次能源不僅儲量有限而且不可再生，可 再4:'能源的開發與利用日益重要。目前大規模發展的可再生清潔能源 包括太陽能、風能、生物質能等，照射在地球上的太陽能非常巨大，
大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的 消費。可以說，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源；而且太陽 能發電干凈，不產生公害。
采用太陽能發電主要有兩種方式。第一種方法是光電轉換利用 光伏電池發電，發電效率可達10-14%以上，目前技術條件下光伏電 池發電的成本昂貴。第二種方法是光熱轉換發電例如把太陽光聚焦 轉換為55(TC左右的高溫熱能，用于加熱熱機工質，再由熱機將熱能 轉化為機械能，最后由發電機發電完成機電能量轉換。高溫太陽能熱 發電的循環通常采用斯特林循環，其裝置是外燃式斯特林發動機。目 前斯特林發動機有一些技術問題需要進一步解決，如膨脹室、壓縮室、 加熱器、冷卻室、再生器等的成本高，熱量損失是內燃發動機的2-3倍等，不能批量生產等。又如，利用太陽能集熱器，獲得15(TC以上 的中溫太陽能，利用朗肯循環發電。
利用地理和地形條件形成的風場進行風能發電的技術得到了開 發和應用，不足之處是風能的日變化和季節變化劇烈，風能的獲取與 儲存影響其大規模應用。將太陽能與風能方法結合起來，利用熱成風 的原理，建造類似煙囪的風塔發電已經進入試驗階段。太陽能加熱風 塔下部的吸熱空間的空氣，熱空氣向上流動，帶動風塔內的風力發電 機發電。風塔一般都要搭建300米的高度，才有可實際利用的價值。 為了提高風塔的發電效率，自然上升氣流改變為旋轉上升氣流，其方 法主要有兩種 一是"斜門風塔"，即建立一座具有數扇統一斜向開 啟小門的風塔，將塔外氣流引入塔內形成旋轉氣流；二是"偏心射入 氣體"，即在塔的周圍切向射入高溫氣體，由此產生旋轉氣流。專利 CN 96109612.8、 CN 200510054911.3、 CN 200510126606.0 中所公開的的"人造龍巻風發生機構"或"人造龍巻風發電系統"等 屬于此類方法。與太陽能風塔相比，目前旋轉上升氣流發電方法存在
著以下不足之處1)仍是利用塔頂與塔底的溫度差，需要建立幾百 米高的塔；2)采用高溫噴射獲得旋轉氣流，本身需要耗費大量熱能 與動量；3)工作一段時間后，由于在塔內水平方向上沒有溫度差，
加上邊界摩擦作用，旋轉渦心會自然消失，沒有持續穩定性，將成為
單純的風塔。
發明內容
針對上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種利用太陽能的可控熱成旋風發電的方法及其裝置，實現低塔、高效、持續、穩定 發電。
本發明的技術方案是這樣實現的-
一種太陽能熱成旋風發電方法，首先布置太陽能聚熱棚將自然環 境中的空氣加熱，然后將加熱后的空氣引向風塔，再將熱空氣由徑向 的直線運動改變為繞風塔中心的旋轉運動，推動布置在風塔內的葉輪 集發電裝置使旋風流場的動能轉化為電能。
一種太陽能熱成旋風發電方法，首先布置太陽能聚熱棚將自然環 境中的空氣加熱，然后將加熱后的空氣引向風塔入口處的旋轉風門， 通過旋轉風門將熱空氣由徑向的直線運動改變為繞風塔中心的旋轉 運動，其次用風塔中心的太陽能聚熱板進一步對中心氣流進行加熱， 加速氣流向上抬起；同時，用布置在風塔周圍的冷卻水套對壁面附近 進行冷卻，在壁面附近形成向下的氣流，在太陽能聚熱板和冷卻水套 共同作用下，在風塔的徑向截面內形成回流，在橫向截面內形成環流， 加劇風塔的抽吸效應，推動布置在風塔內的葉輪集發電裝置使旋風流 場的動能轉化為電能。
一種太陽能熱成旋風發電裝置，包括一風塔1，風塔1頂端配置 一擴壓段2，擴壓段2的出口中心配置一葉輪3，葉輪3通過中心軸 4與風塔1底部的發電機10相連接，風塔1下端的周圍配置有太陽 能聚熱棚7，太陽能聚熱棚7通過旋轉風門8與風塔1相接通。風塔 1下部周圍還配置有冷卻水套5;在風塔1下部、旋轉風門8上配置 有切向熱風補給噴口6，熱風補給噴口6的另一端與蓄熱區相連，切向熱風補給噴口 6斜向上布置，與水平面呈3° —6°傾角；在旋轉 風門8的末端上、風塔1中心部位配置有太陽能聚熱板9。
本發明利用風塔1、太陽能聚熱棚7和導向風門8產生人工塵巻 風或熱成旋風；在風塔1中心布置葉輪3和傳動軸即中心軸4;增設 輔助加熱裝置即太陽能聚熱板9和冷卻水套5;從而合理地組織了塔 內流場，使熱成旋風風場持續、穩定，推動風塔上部的葉輪3旋轉， 并帶動發電機10發電。
圖1為近地面大氣的羽狀對流圖。
圖2為自然界塵巻風形成示意圖。
圖3為熱成旋風風塔的熱胞示意圖。
圖4為本發明的熱成旋風發電裝置示意圖。
圖5為本發明中太陽能存儲區域分布圖
其中，l為風塔，2為擴壓段，3為葉輪，4為中心軸，5為冷卻水套， 6為切向熱風補給噴口， 7為太陽能聚熱棚，8為旋轉風門，9為太陽 能聚熱板，IO為發電機
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的結構原理和工作原理作詳細說明。 如圖1所示，由于地面局部被強烈加熱，緊靠地面形成一層過熱 空氣層，在豎直方向存在巨大的溫度梯度，這是一種不穩定狀態，地 面上會隨機產生上升和下降相交錯的羽狀熱對流胞。由于各處受熱不 均，有的對流胞消失了，而有的進而發育成熱氣囊。隨著這些熱氣囊的上升，近地面空氣向熱氣囊處匯聚，補充熱空氣上升造成的空缺， 優勢熱氣囊逐漸包挾弱熱氣囊，最終形成一個上升核心區。同時，周 圍的環境氣流給予熱氣囊一個初始的角動量，角動量隨著氣流的匯聚 而逐漸使氣流旋轉速度增加。
如圖2所示，如果周圍氣流的角動量足夠大，可在上升核心區的 底部形成高速旋轉的垂直旋渦，如果地表有塵土、灰塵以及其它輕細 的物體，則隨風巻起，形成可見的塵柱，即所謂的塵巻風。
熱成旋風的發生是隨機的過程，具體時間和地點都是不定的。利 用熱成旋風的能量，其首要條件是對其發生的時間和地點進行人為控
制。熱成旋風須要滿足的兩個基本條件為 一是具有強烈的中心上升 運動的熱對流胞，二是氣團具有一定的旋轉角動量。在第一個條件中， 熱成旋風是由熱胞發展形成，外圍空氣通過貼近地面的薄層空間被地 面加熱后流向熱胞中心部位，其旋轉能量在熱胞中心部位得到加強， 最終形成熱成旋風的流場。
如圖3所示，為滿足熱成旋風的第一個條件，在平坦地面上建造 一個高約30米的風塔1;對風塔1內的空氣進行加熱，人為制造一 個初始熱胞；同時在塔底周圍搭建距離地面一定高度、由溫室材料如 有機玻璃制成的太陽能聚熱棚7，太陽能聚熱棚7會產生強烈的溫室 效應，使得太陽能聚熱棚7下面區域內的空氣被劇烈加熱，但是由于 風塔1的煙囪效應，塔底周圍的熱空氣被強制吸入風塔1內，由于流 場的改變，也抑制了周圍其他隨機熱胞的產生，如此可實現將更大范 圍的太陽能收集到風塔1內。為了實現滿足熱成旋風的第二個條件，可在風塔1的入口處安裝導向旋轉風門8，使進入風塔1內的氣團具 有-一定的旋轉角動量，從而實現熱成旋風的塔內流場。
通常，自然界中塵巻風的生命周期一般只有十分鐘左右，塵巻風
走向消亡的重要原因 一是塵巻風中心有一股冷空氣從上向下運動， 使得流動摻混而削弱；二是由于氣流的換熱，使得維持氣團旋轉上升 運動的動力一水平方向的溫度梯度被削弱、消失。如圖4所示，本發 明采用了兩種措施來抑制熱成旋風的消弱 一是將葉輪3和傳動中心 軸4固定在風塔1的中央，可以有效地抑制中央冷空氣向下的運動； 二是在風塔1底部增設一輔助加熱板即太陽能聚熱板9，在風塔1下 部外壁面增設冷卻水套5，形成風塔1內中間熱、四周冷的溫度梯度， 維持熱成旋風的溫度場和風塔內的強制對流。只要塔底有持續的能量 供給，熱成旋風便可以持續。為了保證在夜間也可以發電，可以通過 蓄熱的方式通過對風塔1進行熱量補給。蓄熱區設置在太陽能熱棚外 圍，如圖5所示，蓄熱區的大小根據熱成風塔夜間發電所需熱量來設 置，蓄熱區與熱成風塔夜之間采用切向熱風補給噴口6進行連接。當 風塔中熱風量不足時，開啟蓄熱區儲存的太陽能進行補充，確保熱成 風塔連續運轉。
在熱成旋風風塔l的頂端，設置一擴壓段2，擴壓段2出口安裝 一葉輪3，葉輪軸與中心軸4聯接，中心軸4的另一端與發電機10 聯接。熱成旋風推動葉輪3的葉片旋轉，將旋轉風能轉化為葉輪3的 轉動能，葉輪3中心軸4帶動發電機10發電。
綜上所述，如圖4所示， 一種利用太陽能的可控熱成旋風發電裝置涉及的關鍵裝置部件有風塔l一所建造塔的高度大于附近最大熱 胞高度，可以將熱成旋風的流場控制在塔內；太陽能聚熱棚7 —將塔 底附近的熱空氣抽吸到風塔1內部，太陽能聚熱棚7以溫室材料如有 機玻璃等制作，以達到聚熱引流的目的；旋轉風門8 —為了有效地形 成旋轉上升氣流，在風塔l的入口處布置旋轉風門8，可以加速熱成 旋風氣流的產生，使進入風塔1內空氣在風門高度內任一橫向截面內 氣流量一致，徑向截面內氣流旋轉均勻；太陽能聚熱板9 —是一輔助 加熱器，維持風塔1中心的高溫上升氣流，在風塔1的中央底部設計 太陽能聚熱板9加熱來流空氣，使空氣加速向上運動，增加底部真空 度以抽吸周圍空氣進入風塔l內部； 一冷卻水套5:在風塔中下部外 周布置一層換熱水套5，冷卻周圍空氣，保證熱成旋風所需要的溫度 場分布；中心軸4與發電機10—在風塔1的中心布置中心軸4，將葉 輪3布置在風塔的頂部，阻止冷氣流的下沉。
本發明的太陽能熱成旋風發電裝置工作原理
結合圖4，太陽能聚熱棚7不僅可以聚積棚中所收集的太陽能， 當風塔1工作后還可以將棚外的熱空氣抽吸到棚內。聚熱棚存在的同 時也抑制了塔周圍其它熱泡的產生，使太陽能聚熱棚7收集到的熱空 氣運動方向的唯一性，熱空氣只向塔內運動。太陽能聚熱棚7通過旋 轉風門8與風塔1聯接，旋轉風門8的導向功能保證了進入氣流沿切 向進入塔內。旋轉風門8除導向功能外，另一個主要的功能就是均分 氣流，旋轉風門8的導向葉片從風塔1外圍一直延伸到風塔1的中心， 旋轉風門8的導向葉片傾角沿風塔1徑向變化，能保證了旋轉氣流在風塔1底均勻分布。旋轉氣流在風塔1內抬起而形成旋轉上升氣流。
配合風塔1底部中心的太陽能聚熱板9和塔四周的冷卻水套5對旋轉 氣流進一步加強，'促使風塔1內塵巻風的生成與維持。太陽能聚熱板 9是根據此處流場的流線而設計，可以緩解其對流場的干擾。塔內的 旋轉氣流經塔頂的擴壓段2減速、增壓，并推動葉輪3轉動。葉輪3 通過中心軸4帶動底部發電機10進行工作。中心軸4設計在風塔1 的中心可以抑制塔內塵巻風的消失，底部發電機IO埋入地下可以避 免其對塔內流場的干擾。本發明的源動力來自出地表輻射的太陽能， 收集這些太陽能的裝置是布置在塔周圍的太陽能聚熱棚7。為了彌補 夜間積熱棚7供給熱空氣的不足，設計了切向熱風補給噴口 6，通過 白天蓄熱的方式在夜間對風塔1內進行熱量補給。切向熱風補給噴口 6斜向上布置，與水平面呈3。 一6°傾角，以增加熱氣流向上抬起的
以建造1萬千瓦的太陽能熱成旋風發電站為例，對本發明的實施 方式加以說明。在地面平坦的區域建立風塔l，塔高30m，下端直徑 50m，上端直徑10m;擴壓口[2]高lm，開口直徑12m;風門高lm; 在風門同一高度、塔中心底部半徑IO米范圍均勻布置太陽能聚熱棚 7，其直徑為100m，提供熱量為250W/m2。塔體1可采用鋼筋混凝土 結構，也可同太陽能聚熱棚7均采用鋼結構構建輪廓、透明材料有機 玻璃蒙皮而成。在風塔1的外壁布置冷卻水套5，換熱量為250W/m2。
地表24h的年平均輻射強度為0.24kW/m2，即2X105kW/km2。 300K時，空氣的密度和定壓比熱容分別為=1.29kg/m3 ，cp=1.005kJ/(kg*K)，產生熱成旋風空氣平均需要溫升20K，設計風塔 頂空氣流速v=20m/s，那么需要耗費熱能
g二;r.,.v.p.Cp.Ar = 3.14 X 52 X 20 X 1.29 X 1.0058 X 20=4.05 X
104kW
此熱量即為被太陽能聚熱棚7熱空氣從風塔1底運行到塔頂所能夠產 生的最大理論風動能。在風塔頂，熱成旋風推動葉片旋轉發電，風力 發電的效率一般為30 40%，那么發電量可估算為 W=4.05 X 104 X 30%=1.2 X 104 kW
權利要求
1、一種太陽能熱成旋風發電方法，其特征在于，首先布置太陽能聚熱棚將自然環境中的空氣加熱，然后將加熱后的空氣引向風塔，再將熱空氣由徑向的直線運動改變為繞風塔中心的旋轉運動，推動布置在風塔內的葉輪集發電裝置使旋風流場的動能轉化為電能。
2、 根據權利要求1所說的一種太陽能熱成旋風發電方法，其特 征在于，首先布置太陽能聚熱棚將自然環境中的空氣加熱，然后將加 熱后的空氣引向風塔入口處的旋轉風門，通過旋轉風門將熱空氣由徑 向的直線運動改變為繞風塔中心的旋轉運動，其次用風塔中心的太陽 能聚熱板進一步對中心氣流進行加熱，加速氣流向上抬起；同時，用 布置在風塔周圍的冷卻水套對壁面附近進行冷卻，在壁面附近形成向 下的氣流，在太陽能聚熱板和冷卻水套共同作用下，在風塔的徑向截 面內形成回流，在橫向截面內形成環流，加劇風塔的抽吸效應，推動 布置在風塔內的葉輪集發電裝置使旋風流場的動能轉化為電能。
3、 一種太陽能熱成旋風發電裝置，其特征在于，包括一風塔(l)， 風塔(1)頂端配置一擴壓段(2)，擴壓段(2)的出口中心配置一葉輪(3)， 葉輪(3)通過中心軸(4)與風塔(1)底部的發電機(10)相連接，風塔(l)下 端的周圍配置有太陽能聚熱棚(7)，太陽能聚熱棚(7)通過旋轉風門(8) 與風塔1相接通。
4、 根據權利要求3所說的一種太陽能熱成旋風發電裝置，其特 征在于，風塔(1)下部周圍還配置有冷卻水套(5)。
5、 根據權利要求3所說的一種太陽能熱成旋風發電裝置，其特 征在于，在風塔(l)下部、旋轉風門(8)上配置有切向熱風補給噴口(6)， 熱風補給噴口(6)的另一端與蓄熱區相連，切向熱風補給噴口(6)斜向 上布置，與水平面呈3。 一6°傾角。
6、 根據權利要求3所說的一種太陽能熱成旋風發電裝置，其特 征在于，在旋轉風門(8)的末端上、風塔(l)中心部位配置有太陽能聚 熱板(9)。
全文摘要
一種太陽能熱成旋風發電方法及其裝置，該裝置包括一風塔1，風塔1頂端配置一擴壓段2，擴壓段2的出口中心配置一葉輪3，葉輪3與發電機10相連接，風塔1下端的周圍配置有太陽能聚熱棚7，太陽能聚熱棚7通過旋轉風門8與風塔1相接通，風塔1下部周圍還配置有冷卻水套5；在風塔1下部、旋轉風門8上配置有切向熱風補給噴口6，在旋轉風門8的末端上、風塔1中心部位配置有太陽能聚熱板9；該方法利用風塔1、太陽能聚熱棚7和導向風門8產生人工塵卷風或熱成旋風，并合理地組織了塔內流場，使熱成旋風風場持續、穩定，推動葉輪3旋轉，并帶動發電機10發電。
文檔編號F03D1/04GK101307749SQ200810018188
公開日2008年11月19日 申請日期2008年5月14日 優先權日2008年5月14日
發明者侯雄坡, 馮詩愚, 光 席, 顧兆林, 魯錄義 申請人:西安交通大學