建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統的製作方法

2023-10-09 18:10:09 3

專利名稱：建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種利用建築屋頂進行太陽能和風能聯合發電的應用系統，屬於太陽能熱發電和風力發電的技術領域。
背景技術：
目前，我國的太陽能發電市場中，主要是太陽能光伏發電和塔架式風力發電兩種， 太陽能光伏電池板的發電效率很低(13%左右)，投資成本卻很高，性價比太低，與現有市場中的傳統電力相比，可比性差，國內市場很小，同時還受國外原材料、技術、工藝設備和銷售市場的嚴重製約，企業風險很大，也是一個高耗能和有汙染的行業；塔架式風力發電的效率較高些(35%左右)，但投資成本也較高，維護管理費用較大，對於風資源的要求較高，在風速低於3米/秒的廣大地區一般不能安裝使用；塔式太陽能聚焦發電和集熱棚煙@式太陽能熱氣流發電，也是因為投資成本高和發電效率低等瓶頸性問題，目前還處於試驗示範的研究階段。
發明內容本實用新型是在建築樓屋頂的框架基礎上實施建造的，由太陽能熱氣流發電系統和風力發電兩個系統共同組成。屋頂式太陽能熱氣流發電系統是由太陽能空氣集熱器、太陽能儲熱箱、管嘴式煙囪、遮雨傘、立軸螺旋式熱氣流發電渦輪、傳動軸、軸承、從動錐齒輪、導流裝置和發電機依次裝配在屋頂閣樓上共同構成，所有產品均按建築一體化的規範要求安裝在建築樓屋頂的框架上，其中，太陽能空氣集熱器產品安裝在建築樓屋頂的南坡面框架上，可採用已有的實用新型「一種單層波浪型孔板式平板太陽能空氣集熱器」產品(專利證書號 ZL200820128047. 6)，太陽能儲熱箱安裝在屋脊的平面框架上，可採用已有的實用新型「一種建築一體化的牆體式太陽能儲熱水箱」產品(專利證書號ZL200820128045. 7)，兩個產品直接對接，太陽能空氣集熱器的進口和已有實用新型「太陽能採暖、降溫空調和熱水建築一體化的應用系統」(專利證書號ZL200920005003. 9)的排出口以及閣樓連通，在屋脊安裝孔周圍的屋脊框架上同心的建築一體化安裝管嘴式煙囪和導流裝置，使煙囪的底部進口與太陽能儲熱箱產品的出口及閣樓連通，形成了屋頂式太陽能熱氣流發電系統的動力系統；沿管嘴式煙囪和煙囪中導流裝置的鉛垂中心線自上而下的依次裝配軸承盒I、軸承I、傳動軸 I、立軸螺旋式熱氣流渦輪、傳動軸II、從動錐齒輪、傳動軸III、軸承盒II、軸承II和發電機，便形成了屋頂式太陽能熱氣流發電系統的工作系統；太陽能空氣集熱器在太陽輻射下， 產生高溫熱氣流，進入儲熱箱，經換熱、儲熱後，降低溫度的熱氣流在熱虹吸壓力下被輸送到管嘴式煙囪的底部進口，在煙囪的虹吸作用下，熱氣流經導流裝置的導流，沿著煙囪內壁面和導流裝置外壁面間的環形流道平順地鉛直向上流動，衝擊立軸螺旋式熱氣流渦輪的葉片，產生旋轉，經傳動軸驅動發電機發電，由於建築頂層閣樓內熱空氣的匯流加入，使煙囪中的熱氣流流量增大，系統的發電效率提高，發電量增大。[0005]屋頂式風力發電系統是由建築南坡面、屋脊平面、北坡面、管嘴式煙囪、導流墩、引風板、屋脊平面上的太陽能儲熱箱、臥軸螺旋式風力渦輪、傳動軸、軸承、軸承盒、限速控制器和主動錐齒輪所組成，其中，導流墩建造在管嘴式煙@東西兩側一定距離的屋脊框架上， 再將斷面為倒八字形的引風板固定安裝在導流墩的頂面上，同時與管嘴式煙囪的腰部對接安裝固定，使引風板、導流墩、管嘴式煙囪和屋脊平面上的太陽能儲熱箱合圍成以管嘴式煙囪為對稱軸的東西兩個矩形文丘裡管風力孔口，連同屋頂剖面的正八字形共同構成了文丘裡管引風流道，即屋頂式風力發電系統的動力系統；在文丘裡管風力孔口中，沿導流墩和管嘴式煙囪壁面的中心連線，東西向依次裝配軸承盒III、軸承III、傳動軸IV、臥軸螺旋式風力渦輪、傳動軸V、限速控制器、軸承盒IV、軸承IV和主動錐齒輪，並使主動錐齒輪穿過管嘴式煙囪壁面上的安裝孔進入煙囪，與從動錐齒輪嚙合，便形成了屋頂式風力發電系統的工作系統；屋頂的風力在文丘裡管引風流道的匯集作用下，流速增大，衝擊文丘裡管風力孔口中的風力渦輪定向旋轉，經傳動軸和主動錐齒輪驅動嚙合的從動錐齒輪加速旋轉，使發電機發出更多的電能，從而形成了建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電的總系統。本實用新型中的立軸螺旋式熱氣流渦輪、臥軸螺旋式風力渦輪和傳動部件均採用非金屬複合材料製造，輪軸和中間軸均為空心軸，直徑較小，螺旋式葉片厚度薄，重量輕，啟動性能好，強度大，耐腐蝕，抗風沙，使用壽命長，葉片的斷面形狀為拋物線型，葉片數為4-6 個，螺旋角按高效區的最佳螺旋角範圍(β =36.5° -55.5° )設計，所產生的扭矩大，葉槽內流動阻力小；管嘴式煙囪安裝在屋脊平面的安裝孔上，由底部進口方形段、中間方變圓錐形段和頂部圓柱段組成，管嘴式煙囪中方變圓錐形段的錐角按θ =12° -17°設計，煙囪高度和出口內直徑比為3-4之間，錐形段的錐角Q1小於或等於30° ；安裝在導流墩頂面上橫斷面為倒八字形的引風板是由水平的底板和兩個翼板所構成，翼板和水平面之間的夾角θ 2小於或等於30°，使文丘裡管引風流道中的空氣流動阻力小，流量係數大，流量大，輕風級(風速> 1.6米/秒)時便可啟動發電，擴大了該技術系統的市場應用範圍，發電效率提高，閣樓內餘熱氣流的匯合，使系統的發電效率更高，由於太陽能儲熱箱中儲存大量的熱能，故在夜間或陰天均可輸出熱氣流，使系統的發電時間長，發電量多；當風力超過最大設計風速時，在限速控制器的作用下，將減小轉速，以保護系統的安全和穩定運行。聯合發電系統是通過風力發電系統中工作系統端頭的主動錐齒輪和太陽能熱氣流發電系統中工作系統的從動錐齒輪相互嚙合共同驅動發電機而實現聯合發電的；將屋頂式風力發電系統單獨配置發電機，省去主動錐齒輪和從動錐齒輪，便可形成屋頂式太陽能熱氣流發電和屋頂式風力發電的兩個獨立運行系統；對於風力資源很差的一些少數地區， 在實施地點年平均風速小於1. 6米/秒時，不用安裝屋頂式風力發電系統，便可形成屋頂式太陽能熱氣流獨立發電的運行系統；在實施地點不安裝太陽能熱氣流發電系統，形成獨立的風力發電系統；對於風力資源好的地區，還可以採用多個臥軸螺旋式風力發電渦輪相互並聯共同發電，以充分利用建築樓屋頂面的風力資源，建築樓屋頂上風力發電渦輪的並聯數目為兩個或兩個以上；對於建築開間尺寸較大時，可採用兩個或兩個以上的風力發電渦輪相互串聯起來，渦輪間採用聯軸器連接。本實用新型的特點是1、聯合系統是由屋頂式太陽能熱氣流發電和屋頂式風力發電兩個系統共同組成的，兩個系統可獨立運行，也可聯合運行，根據實施地的太陽能資源和風力資源靈活選定；2、系統中的產品和構件均為建築構件式，在建築樓屋頂框架基礎上的設計安裝實現了建築一體化規範要求；3、採用太陽能空氣集熱器和太陽能儲熱箱兩個建築構件式產品分別鋪設在建築樓屋頂面的南坡面和屋脊平面框架上，替代了大量昂貴的屋頂面建築材料，還節省施工費用，使系統投資成本減小，經濟性好；4、綜合利用了建築樓屋頂面的太陽輻射、建築內排放至閣樓的餘熱和屋頂面的風能，發電效率高、運行時間長、發電量大；5、採用管嘴式煙囪，不採用傳統的高煙囪，成本低，施工簡化，將煙囪的高度與直徑比設計為3-4，煙囪的方變圓錐形段錐角設計為12° -17°時，熱氣流的流動阻力最小，流量最大，有利於充分發揮煙 的效能，有利於發電效率的進一步提高；6、太陽能熱氣流發電渦輪和風力發電渦輪均採用多組螺旋式葉片，葉片數為4-6組，葉片截面為拋物線型，螺旋角在36. 5° -55.5°之間，流量和扭矩均較大，發電運行穩定在高效率區域內；7、直接發出交流電，不用逆變器和蓄電池等設備，投資成本大大降低，環境汙染根除，維護管理簡化，可實現就近用電和市電併網售電的運行模式，經濟效益很高；8、系統中的各產品採用非金屬複合材料，節省金屬資源，重量輕，強度大，耐腐蝕，壽命長；9、引風板的斷面設計為倒八字形， 兩個翼板的安裝角θ2<30°，與建築屋脊和南北兩個坡面的正八字形剖面和倒八字形斷面的引風板之間組成了文丘裡管引風流道的斷面結構，使流速增大，流動阻力減小，在輕風時便可啟動渦輪旋轉、驅動發電機發電，使該實用新型的應用範圍擴大，便於商業化推廣應用；10、系統中的產品均可產業化生產，通用性好，系統具有可複製性，能廣泛地商業化推廣到各種建築、高速公路、鐵路、石油等工程設施，還可以推廣應用到荒地、山坡、沙漠，市場應用前景廣闊，對國計民生貢獻巨大。
以下結合附圖以住宅式建築一梯兩戶的單元房為實施例，對本實用新型進一步說明技術原理和技術方案。


圖1、圖2和圖3分別是單元房建築樓屋頂面框架基礎的俯視圖和兩個剖面圖。圖4和圖5分別是管嘴式煙囪與建築樓屋頂的屋脊平面框架上一體化安裝的俯視圖和剖面圖。圖6和圖7分別是管嘴式煙囪內導流裝置的整體結構俯視圖和剖面圖。圖8和圖9分別是導流裝置的導流底座和導流圓柱筒兩個部件的剖面圖及裝配示意圖。
圖10和
圖11分別是導流墩的俯視圖和剖面圖。
圖12是導流墩在建築屋脊框架上建造的裝配示意圖。
圖13、
圖14和
圖15分別是太陽能空氣集熱器產品的俯視圖和兩個剖面圖。
圖16、
圖17和
圖18分別是太陽能儲熱箱產品的俯視圖和兩個剖面圖。
圖19和圖20分別是導流板的俯視圖和剖面圖。圖21、圖22和圖23分別是在建築樓屋頂面框架基礎上建築一體化安裝太陽能空氣集熱器、太陽能儲熱箱、熱氣流流道、管嘴式煙囪、導流墩和導流板以後的俯視圖和Α-Α、 B-B兩個剖面圖。圖M和圖25分別是立軸螺旋式熱氣流發電渦輪的構造原理圖和橫剖面示意圖。圖沈和圖27分別是與立軸螺旋式熱氣流發電渦輪上端裝配的傳動軸I的俯視圖和剖面圖。[0022]圖觀和圖四分別是裝配在傳動軸I上端裝配的軸承I的俯視圖和剖面圖。圖30和圖31分別是軸承盒I的俯視圖和剖面圖。圖32和圖33分別是安裝在管嘴式煙囪頂上並固定軸承盒I的遮雨傘的俯視圖和剖面圖。圖34和圖35分別是與立軸螺旋式熱氣流發電渦輪下端裝配的傳動軸II的俯視圖和剖面圖。圖36和圖37分別是與傳動軸II下端裝配的從動錐齒輪的剖面圖和俯視圖。圖38和圖39分別是裝配在從動錐齒輪下端的傳動軸III的俯視圖和剖面圖。圖40和圖41分別是裝配在傳動軸III上的軸承II的俯視圖和剖面圖。圖42和圖43分別是裝配在傳動軸III上的軸承盒II的俯視圖和剖面圖。圖44是安裝在最下端的發電機結構原理示意圖。圖45是立軸螺旋式熱氣流發電渦輪、傳動軸、軸承、軸承盒、遮雨傘、從動錐齒輪和發電機依次裝配成太陽能熱氣流發電系統中工作系統的裝配示意圖。圖46是太陽能熱氣流發電工作系統、導流裝置、管嘴式煙囪和屋頂面的裝配結構示意圖。圖47和圖48分別是臥軸螺旋式風力發電渦輪的構造原理圖和橫剖面示意圖。圖49和圖50分別是裝配在臥軸螺旋式風力發電渦輪一端的傳動軸IV的俯視圖和剖面圖。圖51和圖52分別是裝配在傳動軸IV上的軸承III的俯視圖和剖面圖。圖53和圖M分別是軸承盒III的俯視圖和剖面圖。圖55和圖56分別是裝配在臥軸螺旋式風力發電渦輪另一端的傳動軸V的俯視圖和剖面圖。圖57和圖58分別是裝配在傳動軸V上的限速控制器的縱橫斷面剖視結構圖。圖59和圖60分別是裝配在傳動軸V上的軸承IV的縱橫斷面剖視結構圖。圖61和圖62分別是軸承盒IV的俯視圖和剖面圖。圖63和圖64分別是裝配在傳動軸V末端的主動錐齒輪的俯視圖和剖面圖。圖65是臥軸螺旋式風力發電渦輪、傳動軸、軸承、軸承盒、限速控制器和主動錐齒輪依次裝配成風力發電工作系統的裝配示意圖。圖66是風力發電工作系統安裝在由屋脊、太陽能儲熱箱、導流墩、導流板和管嘴式煙囪所圍成的文丘裡管風力孔口中的裝配結構示意圖。圖67、圖68、圖69和圖70分別是建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統總裝配結構的俯視圖和A-A、B-B, C-C三個剖面圖。圖71和圖72分別是由兩個風力發電工作系統並聯的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統的裝配結構剖面示意圖。圖73和圖74分別是建築屋頂式太陽能熱氣流發電獨立系統的裝配結構剖面示意圖。圖75是建築屋頂式風力發電獨立系統的裝配結構剖面示意圖。圖76是建築屋頂式風力發電系統中多個風力發電渦輪相互串聯的裝配結構剖面示意圖。[0049]圖中的產品及零部件有屋頂南坡面1，南坡面框架2，屋脊平面3，屋脊框架4，屋頂北坡面5，北坡面框架6，北坡面防水保溫層7，閣樓8，閣樓地板9，閣樓西牆10、閣樓東牆11，閣樓隔牆12，屋脊安裝孔13，南集水槽14，北集水槽15，屋頂框架的固定安裝螺孔 16，管嘴式煙囪17，煙囪底部進口段18，煙囪方變圓錐形段19，煙囪圓柱段20，煙囪出口 21， 煙囪頂面22，煙囪壁面軸承安裝孔23，導流裝置24，葉片式導流底座25，葉片式導流柱26， 導流柱固定螺孔27，導流錐觀，導流圓柱筒四，導流裝置連接螺孔30，導流裝置的鉛直向軸孔31，導流裝置的水平向軸孔32，導流墩33，導流墩頂面34，導流墩底面35，太陽能空氣集熱器36，集熱器邊框37，集熱器進口 38，集熱器出口 39，太陽能儲熱箱40，儲熱箱邊框41， 儲熱箱進口 42，儲熱箱出口 43，引風板44，引風板底板45，引風板翼板46，引風板安裝孔 47，導流墩壁面軸承安裝孔48，文丘裡管風力孔口 49，文丘裡管引風流道50，閣樓隔牆安裝孔口 51，立軸螺旋式熱氣流渦輪52，熱氣流渦輪葉片53，熱氣流渦輪空心軸M，熱氣流渦輪軸上連接口 55，熱氣流渦輪軸下連接口 56，傳動軸I 57，傳動軸I下軸頭58，傳動軸I上軸頭59，軸承I 60，軸承I軸孔61，軸承盒I 62，軸承盒I軸孔63，軸承盒I盒蓋64，軸承盒 I螺孔65，遮雨傘66，遮雨傘軸承安裝孔67，遮雨傘立柱68，傳動軸II 69，傳動軸II上軸頭70，傳動軸II下軸頭71，從動錐齒輪72，從動錐齒輪嚙合面73，從動錐齒輪中軸74，從動錐齒輪上軸孔75，從動錐齒輪下軸孔76，從動錐齒輪棘輪77，傳動軸11178，傳動軸III上軸頭79，傳動軸III下軸頭80，軸承II 81，軸承II軸孔82，軸承盒II 83，軸承盒II軸孔 84，軸承盒II盒蓋85，軸承盒II螺孔86，發電機87，發電機軸88，儲熱箱熱氣流流道89， 臥軸螺旋式風力渦輪90，風力渦輪葉片91，風力渦輪空心軸92，風力渦輪左連接口 93，風力渦輪右連接口 94，傳動軸IV95，傳動軸IV左軸頭96，傳動軸IV右軸頭97，軸承11198，軸承III軸孔99，軸承盒111100，軸承盒III軸孔101，軸承盒III基座102，軸承盒III盒蓋 103，軸承盒III螺孔104，傳動軸V105，傳動軸V左軸頭106，傳動軸V右軸頭107，限速控制器108，阻尼器109，軸承IVl 10，軸承IV軸孔111，軸承盒IVl 12，軸承盒IV軸孔113，軸承盒IV基座114，軸承盒IV盒蓋115，軸承盒IV螺孔116，主動錐齒輪117，主動錐齒輪軸孔118，主動錐齒輪嚙合面119，聯軸器120。圖中的產品及零部件尺寸和角度符號有住宅式建築一梯兩戶單元房的開間Btl， 進深Htl，閣樓層高Iv南坡面斜長L1,屋脊平面寬度L2,屋脊平面安裝孔長度化，屋脊平面安裝孔寬度 ；管嘴式煙囪出口內直SD1，煙囪底部方形進口寬度B1，煙囪進口段高度Ill，煙囪方變圓錐形管段高度Ii2，煙 圓柱段高度Ii3，煙 壁面軸承安裝孔直徑D2，煙 錐形管段的錐角θ ！；導流裝置高度H2,導流裝置內孔直徑D2 ；導流墩長度L3,導流墩高度H3,導流墩厚度e ；引風板寬度L4，引風板底板寬度B4，引風板高度H4，引風板翼板安裝角θ2，文丘裡管風力孔口(引風板底板至屋脊頂面)高度h4;太陽能空氣集熱器(單塊)長度L5，集熱器寬度&，集熱器厚度H5 ；太陽能儲熱箱(單塊)長度L6,儲熱箱寬度 ，儲熱箱厚度H6 ；立軸螺旋式熱氣流渦輪直徑D6,熱氣流渦輪空心軸直徑Dh，空心軸內徑Cltl ；遮雨傘直徑Ds ；臥軸螺旋式風力渦輪直徑D7，臥軸螺旋式風力渦輪長度L7 ；主動錐齒輪直徑D。；多個臥軸螺旋式風力渦輪並聯時文丘裡管風力孔口(屋脊頂面至引風板底板的底面)的高度H7。
具體實施方式具體實施方案以住宅式建築一梯兩戶的單元房為實施例。[0052]如
圖1、圖2和圖3所示，住宅式建築一梯兩戶的單元房為座北朝南的方向，樓屋頂的框架基礎由南坡面1的鋼筋混凝土框架2、屋脊平面3的屋脊框架4和北坡面5的北坡面框架6所組成，北坡面的框架上預先施工好北坡面防水保溫層7，與單元房對應的閣樓 8內，從閣樓地板面9到屋脊平面底部的淨高為Iv西戶的西牆10和東戶的東牆11的中心距(開間)為Btl，東西兩牆中間的隔牆12，閣樓的進深為Htl，在屋脊框架的中間預先設有一個長方形的屋脊安裝孔13，該安裝孔下面的隔牆頂部相應的預留一個發電機安裝孔51，閣樓的南北兩側還設有南集水槽14和北集水槽15，在南坡面框架和屋脊平面框架上還均勻的預留好固定安裝螺孔16。如圖4和圖5所示，在閣樓隔牆上方屋脊安裝孔的屋脊框架上，建造一個管嘴式煙囪17，管嘴式煙囪由三部分構成底部為設有通風孔的煙囪進口段18，高度為Ill，中間為煙囪方變圓錐形段19，高度為Ii2，頂部為煙囪圓柱段20，內徑為D1,高度為t!3，管嘴式煙囪出口 21，從底面到煙囪頂面22的總高為H1，其中煙囪方變圓錐形段的錐角為Q1J1S^，在煙囪方變圓錐形段東西兩面的側壁上還開設有軸承安裝孔23。如圖6、圖7、圖8和圖9所示，在管嘴式煙囪內進口中心的屋脊框架上，安裝導流裝置對，導流裝置是由葉片式導流底座25和導流圓柱筒四兩個部件組成，用螺栓通過導流裝置連接螺孔30固定成一體，其中葉片式導流底座是由對稱布置的四個葉片式導流柱沈和半拋物體形的導流錐觀焊接成一體的，用螺栓將導流裝置固定在屋脊框架的導流柱固定螺孔27上，使熱氣流向上的流動順暢，在導流裝置的中心設有鉛直向軸孔31，以便於鉛直向安裝熱氣流發電工作系統中的傳動軸、從動錐齒輪72等部件，導流圓柱筒的東西向兩個側壁上還設有對稱的兩個導流裝置水平向軸孔32，是準備插入安裝風力發電工作系統中的主動錐齒輪117而預留的。如
圖10、
圖11和
圖12所示，在管嘴式煙囪的東西兩側的一定距離，即閣樓東西兩個牆上面的屋脊框架上，各安裝一個斷面為流線型橋墩式的南北嚮導流墩33，以調整來風的風向，施工時，要將導流墩底面35與屋脊框架牢固的澆注成一體。如
圖13、
圖14和
圖15所示，將按建築模數加工生產的太陽能空氣集熱器產品36 建築一體化地鋪設並固定在樓屋頂南坡面的框架上，方法是用螺栓經過樓屋頂南坡面框架上的螺栓固定孔把集熱器邊框37牢靠的固定，確保南坡面的可靠密封，並使太陽能空氣集熱器底部進口 38和閣樓相通。如
圖16、
圖17和
圖18所示，將按建築模數加工生產的太陽能儲熱箱產品40建築一體化地鋪設並固定在屋脊平面框架上，方法是用螺栓經過屋脊框架上的螺栓固定孔把儲熱箱邊框41牢靠的固定，並使太陽能儲熱箱進口 42與集熱器出口 39以及儲熱箱出口 43 與管嘴式煙 進口段嚴格對接，確保屋脊頂面的可靠密封。如
圖19和圖20所示，在引風板44的底板45上預留一圓形的引風板安裝孔47，將引風板安裝孔套裝在管嘴式煙 圓柱段和煙 方變圓錐形段的界面位置，同時使東西兩邊的引風板底面置於導流墩頂面34上，確保引風板與管嘴式煙囪和導流墩牢靠地固定並密封，引風板中兩個翹起的引風板翼板46安裝角θ2<30°。如圖21、圖22和圖23所示，風力發電的文丘裡管風力孔口 49是由屋脊上的太陽能儲熱箱、管嘴式煙 、導流墩和引風板底板合圍而成的，連通建築的南北坡面和引風板翼板一起，整體形成了一個文丘裡管引風流道50，以便於在該引風流道中安裝風力發電的工作系統。如圖24、圖25、圖26、圖27、圖28、圖29、圖30、圖31、圖32、圖33、圖34、圖35、圖
36、圖37、圖38、圖39、圖40、圖41、圖42、圖43和圖44所示，是熱氣流發電工作系統中的主要部件及各部件的裝配示意圖，其中該系統中的核心部件是立軸螺旋式熱氣流渦輪52， 圖24、圖25是該熱氣流渦輪結構尺寸的縱剖面圖和橫斷面圖，材質選用非金屬複合材料， 熱氣流螺旋葉片53的斷面形狀為拋物線，葉片數為4-6片，螺旋角36. 5° -55.5°，螺旋固定在熱氣流渦輪空心軸M上，在熱氣流渦輪軸上連接口 55處依次向上裝配傳動軸I 57、軸承I 60、軸承盒I 62和遮雨傘66，在熱氣流渦輪軸下連接口 56處依次向下裝配傳動軸II 69、從動錐齒輪72、傳動軸11178、軸承II 81、軸承盒II 83和發電機87，便形成了太陽能熱氣流發電的工作系統，系統中各部件的裝配結構如圖45所示。如圖46所示，將太陽能熱氣流發電的工作系統和遮雨傘66、遮雨傘立柱68—起裝配在管嘴式煙囪和導流裝置內，便形成了完整的太陽能熱氣流發電系統。如圖47、圖48、圖49、圖50、圖51、圖52、圖53、圖54、圖55、圖56、圖57、圖58、圖 59、圖60、圖61、圖62、圖63和圖64所示，是風力發電工作系統中的主要部件及各部件的裝配示意圖，其中該工作系統中的核心部件是臥軸螺旋式風力渦輪90，圖47、圖48是該風力渦輪結構尺寸的縱剖面圖和橫斷面圖，材質選用非金屬複合材料，風力渦輪葉片91的斷面形狀為拋物線，葉片數為4-6片，螺旋角36. 5° -55.5°，螺旋固定在風力渦輪空心軸92 上，在風力渦輪的左連接口 93處依次向左裝配傳動軸IV95、軸承III98和軸承盒111100， 在風力渦輪右連接口 94處依次向右裝配傳動軸V105、限速控制器108、軸承IV110、軸承盒 IV112和主動錐齒輪117，便形成了風力發電的工作系統，系統中各部件的裝配結構如圖65 所示。如圖66所示，將風力發電的工作系統裝配在風力發電文丘裡管引風孔口中，左端的軸承盒IIIlOO固定裝配在導流墩壁面軸承安裝孔48內，右端的軸承盒IV112安裝並固定在管嘴式煙囪的側壁面上，最右端懸臂的傳動軸和主動錐齒輪則穿過煙囪壁面軸承安裝孔23進入管嘴式煙囪內，與太陽能熱氣流發電工作系統中的從動錐齒輪72嚙合，從而形成了太陽能熱氣流和風力聯合發電系統。如圖67、圖68、圖69和圖70所示，圖67是住宅式建築一梯兩戶單元房建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統與建築一體化安裝後的俯視圖，圖68A-A剖面圖、圖 69B-B剖面圖和圖70C-C剖面圖則清晰地反映了整個系統所有部件的詳細裝配結構和發電工作原理，該聯合發電系統是以東西兩戶的閣樓隔牆12的中心線與屋脊安裝孔13的法線、 管嘴式煙@ 17和導流裝置M的鉛垂中心線(也是立軸螺旋式熱氣流渦輪和各傳動軸的中心線)為中心的全對稱結構，太陽能熱氣流發電的工作系統是由建築物的南坡面及南坡面上的太陽能空氣集熱器產品、屋脊及屋脊平面上的太陽能儲熱箱產品、北坡面、閣樓、管嘴式煙@、導流裝置、立軸螺旋式熱氣流渦輪、傳動軸、軸承、從動錐齒輪、發電機和煙囪頂部的遮雨傘等部件構成，白天，在太陽輻射下，太陽能空氣集熱器產品產生高溫的熱氣流， 進入太陽能儲熱箱，經換熱、儲熱後，輸出溫度較低的熱氣流，進入管嘴式煙 底部，在煙囪的虹吸作用和導流裝置的導流作用下，在導流圓柱筒和管嘴式煙囪之間的環形斷面上逐漸加速向上流動，直接衝擊立軸螺旋式熱氣流渦輪上半徑較大的螺旋葉片，產生較大的渦輪轉速，由於4-6組葉片被連續衝擊，能量利用係數較高，而拋物線葉片間葉槽內的流動阻力小，動能損失小，故熱氣流的能量得到較為充分的利用，熱氣流渦輪的高速旋轉，驅動發電機發出更多的電能；因為閣樓和管嘴式煙囪的底部相同，在運行過程中，閣樓內頂部的熱空氣也將在煙囪的虹吸作用下產生向上的流動，形成匯合流動，流量增大，發電效率更高；當太陽輻射結束後，或者陰雨天時，儲存在儲熱箱中的熱量將通過換熱而產生熱氣流，連同閣樓內的熱空氣，進入管嘴式煙囪，共同推動熱氣流渦輪旋轉，驅動發電機繼續發電；風力發電系統是由建築物的南坡面、北屋脊、北坡面、引風板、導流墩、管嘴式煙囪、臥軸螺旋式風力渦輪、傳動軸、軸承和主動錐齒輪等部件構成，當風速> 1. 6米/秒時，氣流經文丘裡管引風流道流動，風速將隨著文丘裡管引風流道上遊過流斷面的逐漸減小而增大，形成較高的風速，驅動臥軸式風力渦輪旋轉，通過主動錐齒輪和從動錐齒輪的嚙合傳遞動力，使發電機增加發電量，實現了風力和太陽能熱氣流的聯合發電；當風力很小或無風時，臥軸螺旋式風力渦輪和主動錐齒輪停止旋轉，由於從動錐齒輪中的棘輪原理，並不影響太陽能熱氣流的獨立發電；在風力發電系統中單獨配置另外的發電機，形成風力發電和太陽能熱氣流發電兩個獨立系統，可以節省一對錐齒輪和相應的傳動軸等部件，有利於系統傳動結構的簡化。如圖71和圖72所示，在風力資源較好、建築承載能力較強時，可以增加導流墩和管嘴式煙囪的高度，採用兩個或兩個以上的臥軸螺旋式風力發電渦輪並聯運行方式，以增大發電量；如圖73和圖74所示，在風力資源很差的情況下，將風力發電系統中的相關部件捨去不用，就形成了建築屋頂式太陽能熱氣流發電的獨立系統。如圖75所示，對於太陽能資源很差的地區，可捨去太陽能熱氣流發電系統，只採用風力發電的獨立系統，此時的發電機應採用雙向軸的發電機。本實用新型的技術方案有三種1、在當地太陽能資源和風力資源均較好時，按太陽能熱氣流和風力聯合發電系統的技術方案實施，系統結構如圖67、圖68、圖69、圖70和圖71所示；2、在當地的太陽能資源較好而風力資源較差時，按獨立太陽能熱氣流發電系統的技術方案實施，系統結構如圖73和圖74所示；3、當地的太陽能資源很差而風力資源很好時，採用風力發電的獨立系統，系統結構如圖75所示。本實用新型的有益效果是1、以建築為載體，充分利用了建築屋頂上的太陽能資源、風力資源和降水資源，實現就近發電、就近使用電和向市電網售電，具有較好的經濟適用價值。2、本實用新型的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統與實用新型「太陽能採暖、降溫空調和熱水建築一體化的應用系統」(ZL200920005003. 9)共同組成了具有太陽能採暖、降溫空調、熱水和發電四種功能的建築一體化綜合應用系統，即，太陽能呼吸式建築的新鮮空氣採暖、降溫空調、熱水、發電四聯供應用系統，實現了完整意義的「產能型太陽能建築」或「綠色建築」，在此基礎上可進一步實現最佳模式的「綠色小區」和「綠色城市」， 為更加有效的大規模生產能源和治理環境汙染，為我國太陽能、建築和相關行業的技術革命和健康發展提出了一條可行的技術道路。3、利用建築的基礎和高度，提高了資源的有效利用率，投資成本也減小，採用成本低、效率高和經久耐用的太陽能空氣集熱器和太陽能儲熱箱產品替代了大面積的樓屋頂建築材料，快速安全的工業化裝配節省建築施工費用，因此該應用系統的成本更低，經濟性更好；[0073]4、管嘴式煙囪的高度比傳統煙囪低得多，成本低，易施工，流體性能好，有利於高效率發電；5、引風板和建築屋脊、南北坡面之間形成了文丘裡管式流道，流動阻力小，流體性能好，有利於風速增加和發電效率提高，對於風力資源較差的地區可穩定使用，市場應用範圍擴大；6、立軸螺旋式熱氣流渦輪和臥軸螺旋式風力渦輪，均採用非金屬複合材料，重量輕，強度大，耐腐蝕，抗打擊，易製造，成本低，葉片採用拋物線型，採用最佳螺旋角範圍，動量作用大，啟動性能好，能量利用率大，發電效率高，性能價格比好；7、產品和系統採用空氣介質，為常壓直流運行，不消耗水資源，不怕凍、無洩漏、無結垢、無汙染，安全可靠性高，適用性強，維護管理等可操作性好，經久耐用，使用壽命長；8、本實用新型不僅適用於各種建築的商業化市場推廣應用，而且還可以複製性的推廣應用於高速鐵路、公路、礦山、油田等各種大型工程設施，也可以應用於更大面積的荒地、山坡、沙漠等。9、引導並推動我國的太陽能、建築和諸多相關行業的技術革命、健康發展和持續繁榮。10、實現大規模生產能源，為國民經濟發展提供強勁的能源動力，為有效治理環境汙染做出顯著貢獻，最終改善人民的生活質量和提高健康水平。
權利要求1.建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，是在建築樓屋頂面的框架基礎上， 由太陽能熱氣流發電系統和風力發電系統建築一體化的安裝而成，其特徵是太陽能熱氣流發電系統是由太陽能空氣集熱器、太陽能儲熱箱、管嘴式煙 、導流裝置、立軸螺旋式熱氣流渦輪、傳動軸、軸承、從動錐齒輪、發電機和屋頂閣樓所組成，而風力發電系統是由建築南坡面、屋脊平面、北坡面、導流墩、管嘴式煙囪、引風板、臥軸螺旋式風力渦輪、傳動軸、軸承、限速控制器和主動錐齒輪所組成。
2.根據權利要求1所述的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，其特徵是 聯合發電系統中的立軸螺旋式熱氣流渦輪和臥軸螺旋式風力渦輪均採用非金屬複合材料製造，中間軸為空心軸，螺旋葉片為4-6組，斷面形狀均為拋物線型，螺旋角為36. 5°至 55. 5 ο
3.根據權利要求1所述的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，其特徵是 管嘴式煙囪安裝在屋脊平面的安裝孔上，由底部進口方形段、中間方變圓錐形段和頂部圓柱段組成，煙囪高度和出口內直徑比為3-4之間，錐形段的錐角Q1均小於或等於30°。
4.根據權利要求1所述的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，其特徵是 安裝在導流墩頂面上的引風板是由水平的底板和兩個翼板所構成，引風板的橫斷面為倒八字形，翼板和水平面之間的夾角θ 2均小於或等於30°。
5.根據權利要求1所述的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，其特徵是 聯合發電系統是通過風力發電系統中工作系統端頭的主動錐齒輪和太陽能熱氣流發電系統中工作系統的從動錐齒輪相互嚙合共同驅動發電機而實現聯合發電的。
6.根據權利要求1所述的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，其特徵是 在實施地點年平均風速小於1. 6米/秒時，不安裝風力發電系統，形成獨立的太陽能熱氣流發電系統。
7.根據權利要求1所述的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，其特徵是 在實施地點不安裝太陽能熱氣流發電系統，形成獨立的風力發電系統。
8.根據權利要求1或7所述的建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，其特徵是風力發電系統中的臥軸螺旋式風力渦輪可以是兩個或兩個以上，渦輪間的裝配方式為並聯或串聯。
專利摘要建築屋頂式太陽能熱氣流和風力聯合發電系統，是在建築坡屋頂面的框架基礎上建築一體化地安裝太陽能空氣集熱器、太陽能儲熱箱、管嘴式煙囪、熱氣流發電渦輪、導流裝置、引風板、風力發電渦輪和發電機，通過錐齒輪嚙合而組成的一種聯合發電系統，該系統充分地利用了屋頂面的太陽輻射能、風能和建築內排出的熱能，兩個發電渦輪均採用最佳葉片型、螺旋角和葉片組數，故啟動性能好、扭矩大、功率大、發電效率高，和同類技術相比，性價比高，運行時間長，發電量多，具有明顯的可比性，適用於各種建築、鐵路、公路、礦山、油田等工程設施，以及荒地、山坡、沙漠等，能實現大規模生產能源和有效治理環境汙染，商業化市場推廣應用前景廣闊。
文檔編號E04F17/02GK202125405SQ20112002944
公開日2012年1月25日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者趙貴 申請人:趙貴