太陽能煙囪設備的製作方法
2023-05-23 23:52:11
專利名稱：太陽能煙囪設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能煙囪設備。
背景技術：
太陽能煙囪設備一般包括帶有相關聯的風力渦輪機的太陽能煙囪，該風力渦輪機由煙囪裡的經過太陽能加熱的上升氣流提供動力。這樣的設備對環境保護是有益的。
先有技術在公知的太陽能煙囪中，被作為上升氣流使用的空氣在一個玻璃材質的收集頂蓋下面受到太陽能的加熱。為了獲得足以維持適合商業發電規模的風力渦輪機運轉的熱空氣量，這種收集頂蓋需要覆蓋大面積的土地，並需要高昂的建造和維持費用。
法國專利第2,307,982號給出了一種帶有渦輪機的煙囪，煙囪周圍環繞著環形的水池，池面覆蓋著防止蒸發用的透明塑料薄膜。水池周圍設有塗黑的鋼筋水泥板。水池和鋼筋水泥板上由玻璃頂蓋遮蓋著。在有陽光照射的時間裡，玻璃頂蓋允許鋼筋水泥板受到加熱，這樣後者又使得在其上空的空氣受到加熱從而流向煙囪。水池起吸熱裝置的作用，在有日照時存儲熱量，而在夜間則供出熱量。
法國專利2,436,268給出了這樣一種煙囪，它設有環繞煙囪基部的太陽能板以構成空氣加熱室，從而使空氣得以正常地循環，即通過從該容器自外向內的自然吸入作用使空氣從煙囪內上升。
美國專利4,452,046給出了一種至少聯接有一個單獨的「水溫室」(hydric hothouse)的塔。各水溫室的黑色(吸熱)基部由一層高出水面的透明薄膜覆蓋著。各水溫室水面上空的熱空氣經由管道輸送到煙囪中去。
本發明的目的在於，通過提高流向渦輪機的空氣的溫度和溼度改進公知太陽能收集系統的效率。
根據本發明的一個方面，提供一種太陽能煙囪設備，該設備包括其中含有流體太陽能熱吸收器的空氣加熱器。
根據本發明的另一個方面，提供了種太陽能煙囪設備，在該設備中，太陽能煙囪聯接著一個非可蒸發區(non-evaporative area)和一個可蒸發區(evaporative avea)，該非可蒸發區具有適於禁止吸熱流體蒸發的第一覆蓋體，該可蒸發區具有適於蓋住蒸發的汽化物的第二覆蓋體，並且該太陽能煙囪還帶有一個使該第二覆蓋體與風力渦輪機的太陽能煙囪上遊相聯通的裝置。
最好是使可蒸發區和非可蒸發區圍繞著煙囪。
可蒸發區可實用地設置在有水的地槽旁，並分隔成非蒸發區(non-evaporating area)和蒸發區(evaporating area)。非蒸發區被設置成用以從陽光吸收能量，該能量被流體吸收為熱，其中部分或全部被吸收的熱於是便傳遞給蒸發區內的水。
可以增加流體吸收的熱量，其方法是通過補充流體「直接吸收」的太陽能，這如同通過「間接吸收」一樣。因此，流體可實用地裝容在由一種或多種吸熱材料製成的箱體中。在一個實施例中，通過挖掘地溝而建成一個地槽，地槽內再覆以黑聚乙烯薄膜，該薄膜既用於容納流體(例如，水)，還用於吸收陽光以便被加熱。
非蒸發區所用的覆蓋體最好漂浮在流體(例如，水)的表面上從而與其直接接觸，蒸發區所用的覆蓋體則最好定位在流體(如，水)的表面的上方，以便在該流體和該第二覆蓋體之間有一個蒸發空間。在一個優選實施例中，該第二覆蓋體由玻璃之類的材料製成，它可允許有差異地透過輻射，因而可讓可蒸發的流體接收太陽能，卻不讓所獲得的熱能通過它而耗散掉；玻璃材料可以是單一厚度或多層密封型(multi-pane sealed type)的。
第二覆蓋體可實用地設置成在可蒸發區的上空延伸，即懸垂在可蒸發區上，從而允許空氣被吸入以便作為流往太陽能煙囪的空氣的替代物；在一個可替換的實施例中，可以替換使用一個泵或類似的單向氣流裝置(One-Way air flow means)，以便提供供加熱用的空氣。
於是，以蒸發空間送來的、供從煙囪中向上流動的空氣既比外部空氣更熱，而且其密度又已降低，增強了流動特性。
槽可以是大面積的，而且較淺。在典型的設置情況下，收集頂蓋區或第二覆蓋體可完全圍繞煙囪安設，而地槽可設在煙囪之外；然而，如果空間有限，則落地的太陽能煙囪最好離開設置地點中央，並選擇其安設地點以便使地槽處在煙囪位置與例如某個特定日的中午的太陽位置之間。
本發明通過參照附圖的舉例的形式進一步進行描述，這些附圖包括
圖1是根據本發明的太陽能煙囪設備的實施例的部分剖開的側視圖；圖2是可替換的蒸發槽的部分側向剖視圖；以及圖3是可替換的實施例的部分剖開的側視圖。
垂直管道或煙囪1被安設在一個地區的中央。在本實施例中，在煙囪1之中裝有風扇2，它受煙囪中的上升氣流的作用而旋轉，從而推動渦輪機3發電。在一個可替換的實施例中，渦輪機和發電機本身都安裝在煙囪的基底之內。
在本實施例中，由玻璃材料(而非其他可替換的實施例的塑料、凱夫拉爾(Kevlar)、PVC之類)製造成的主收集頂蓋4設立在煙囪1的周圍。如圖所示，頂蓋4為雙層玻璃形式，但也可以是多層玻璃形式以便對熱耗散提供有附加的防護。
頂蓋4架設在各鋼柱20上(圖中僅僅示出其中的一個鋼柱20，另外，在可替換的實施例中，鋼柱是由鋼筋混凝土、木、或塑料柱代替)，從而頂蓋4被架設在地平面上從0.5米至200米的高度範圍，該高度選擇成小於煙囪1的高度。
頂蓋4緊緊地圍繞著煙囪1，以便防止從頂蓋與煙囪之間的熱空氣耗散(這將在下面作更為充分的說明)。頂蓋4根據方案設計者的要求和地形情況從煙囪向外延伸一段選定的短距離。
在本實施例中，還設有從主頂蓋4的周圍向外伸出的輔頂蓋5。輔頂蓋5架設在較低的地平面處，在本實施例中該輔頂蓋5是傾斜架設的，並且剛好終止在頂蓋4的下面，而在另一個實施例中，輔收集頂蓋5被配合安置在頂蓋4下方，以便提供為了避免空氣從頂蓋4下面直接流出所需的最小主頂蓋懸伸，在本實施例中，該最小主頂蓋懸伸為3米，輔收集頂蓋5由透明材料按類似方式構成，最好是採用玻璃，但也可替換地採用凱夫拉爾之類的材料，並且也是架設在由鋼筋混凝土、木、或鋼之類的材料構製成的立柱上。主頂蓋與輔頂蓋之間的空隙允許外界空氣從收集頂蓋4下面被吸入(如圖1中的箭頭A所示)，從而穿過開口16傳送到風扇2的煙囪「上遊」中。在又一個可替換的實施例中，主頂蓋可採取合適的構形，同時實用地設置供周圍空氣流入用的多個開口。
蒸發槽6的位置低於輔收集頂蓋5，並且在本實施例中它還稍低於地平面。雖然在一個實施例中槽6可以是塑料或類似材料構成的整體的槽，但是在一個實用的實施例中它也可由地面挖開的、深度最好在2.5釐米至15釐米的淺溝來構成。各個槽或溝底6覆蓋著具有吸收太陽能性能的不透水材料21，在本實施例中，使用黑聚乙烯材料。該槽可以具有整體的結構但是要易於製作，而在設置上它可包括若干個單元，這些單元中的流體可互相連通；或者，這些單元是互相獨立的。
在使用中，槽6中的聚乙烯材料21被水所覆蓋著，水通過直接吸收陽光的能量和由聚乙烯材料21間接傳遞的熱量而變熱並且可以蒸發，從而在位置B或其附近與在頂蓋4的懸伸部位下流入的空氣相混合。於是，槽6提供了一個可蒸發區並且在取決於太陽熱吸收的情況下還會提供一個輔助熱吸收區。
如下面將要較充分地說明的那樣，蒸發槽6中的水可被預熱槽7中的水預加熱，預熱槽7可能是僅有的主熱吸收區。槽7可以是裝配式的，並且可以是整體(一體化)結構，而最好是由多個單元組裝成的；然而，槽7可實用地包括一系列在地面開出的淺溝，其深度在2.5釐米至15釐米範圍，槽7內鋪上黑色聚乙烯薄膜以防止洩漏，並在槽7內充水。
與可蒸發槽6的構造相比較，非可蒸發槽7覆蓋以禁止蒸發薄膜8，這最好是一層直接漂浮在水面上並與其緊密接觸的薄膜；該薄膜允許陽光透過，在本實施例中它是一層透明聚乙烯薄膜。
在所公開的優選實施例中，將一層由聚乙烯材料構成的第二陽光透射、隔熱薄膜9支持在非蒸發薄膜8之上，並採用放置在非蒸發薄膜8上面的充氣球10來使這二層薄膜互相隔離。
在可替換的實施例中，採用硬泡沫球或泡沫聚苯乙烯球來代替充氣球，或者，為了達到同樣目的，採用別種支撐方式，如用支柱或繩索支撐第二隔熱薄膜。
雖然槽7中的水可被加熱，但是由於覆蓋著薄膜8，因而它不能蒸發和逸出。在吸收太陽能後，槽7中的水將盈餘熱能傳遞給蒸發槽6中的水，這最好是藉助使用泵23並通過熱交換器管道22來間接實現；通過向槽6補充入新鮮的水來替代蒸發物。在可替換的實施例中，槽7的水對槽6的水的直接加熱作用是通過直接用泵泵入槽6(以一定的泵入速度來維持一定的槽6水位，或者使用圖中未示出的第二個抽空泵(return pump))來實現的，或者藉助重力使水能流入槽6；在本第二實施例中，向槽7補充新鮮水以便替代蒸發物。
在使用中，太陽能投射到各槽以及頂蓋上，使蒸發槽6中的水和處在兩個頂蓋下面的空氣受到加熱。當頂蓋4下面的空氣被煙囪1吸走時，周圍的空氣就進來替代它(如箭頭A所示)，頂蓋4下面的這些空氣於是被加熱至環境溫度以上並且攜帶著從槽6中蒸發出的水蒸汽，然後便以滿載著蒸汽的低密度熱空氣的形式通過開口16進入煙囪1並從煙囪頂11輸出，這些熱空氣在流過風扇2時便對它進行驅動。
這樣，蒸發槽6能夠將非蒸發槽7中收集的太陽熱能以熱和蒸汽的形式傳遞給頂蓋4下面的空氣；輔收集頂蓋5相對於主收集頂蓋4的布局使得可將周圍的大量空氣與從一個(或多外)蒸發槽6中逸升的滿載蒸汽的熱空氣相混合。
可以理解，建造具有預定輸出量的太陽能煙囪的成本能夠顯著地下降，這是因為大部分熱收集區是由淺地溝以及相當低廉的聚乙烯材料之類構成的，其維持費用也低廉。
在一個多半能適合於風力強而風向變化的地區的可替換的實施例中，補充替代的流入空氣可藉助於泵來實現，這最好是通過由渦輪機/發電機產生的電力所驅動的泵來實現。
渦輪機和發電機可按需要而選用其規格、容量，從而產生電力供應國家標準輸電網，或者用作單獨工業單位的局部供電。
在某些可用土地受限制的場合，在建造太陽能煙囪設備時可將槽6整個地或部分地安設在頂蓋4之下，於是輔頂蓋5可以無需設置。空氣的流入也可以改變為在輔頂蓋5之下，從緊靠著槽7的上面進行抽吸。
通過一個(或多個)預熱槽7與一個(或多個)蒸發槽6的組合，提高流入到煙囪1的空氣的溼度，最好是使該空氣溼度比周圍空氣溼度至少高出2％。
通過各槽的組合可提高流入到煙囪1的空氣的溫度，最好是使該空氣溫度比周圍空氣的溫度至少高3℃。
在另一個實施例中，將預熱槽7中的水噴灑到槽6上的蒸發區中。可以順著風向進行噴灑(噴霧)以便快速蒸發；或者採取逆著風向或垂直於風向噴灑，這也有助於被預熱的水的蒸發。
在圖2的實施例中，槽26呈現波紋或波浪形狀且具有蓄水溝渠29a、29b和29c，其表面積很大以便增加蒸發量。在實用情況下，槽26是金字塔形的整體但是卻具有一些朝上的外部溝渠，而在一個可替換的實施例中(如圖3所示)，它可以具有中空的內部構造，例如這可用於容納泵30之類的太陽能煙囪的部件。
雖然在本實施例中這些溝渠是水平，但槽26也可以形成一定角度並且具有一個處在較低水平面上的外側(比溝渠內側低)，從而從非可蒸發區27輸送來的、被加熱的水可以藉助重力從較高的溝渠流向較低的溝渠(在本實施例中這是通過管道28導引的)，然後再返回到非可蒸發(主熱吸收)區，例如槽37(圖3)。在可替換的實施例中，利用泵30將一個(或多個)非可蒸發槽中的熱水從管道22中以一定的壓力噴灑出來(而不是採取滴流供給的方式)。在又一個可替換的實施例中，僅僅具有一個供水管道22，它僅給最頂端的溝渠29a供水，這個溝渠中的水於是將以薄膜的形式溢流向下一溝渠29b並依次進行下去。在溝渠頂部的水薄膜和下部的溢流薄膜中都可能發生蒸發。
在一個替換的實施例中，溝渠可以很短，且背對著僅有的煙囪11或煙囪31(在圖3的情況下)的那一側，而在又一個可替換的實施例中，採用以朝下的螺旋形式圍繞著煙囪的單一的溝渠。
在圖3的實施例中，具有標準結構(例如，由磚或鋼筋混凝土構成)的煙囪31設在玻璃制的收集頂蓋34的中央。頂蓋34的作用是輔熱收集器，同時也起著有間隔地覆蓋在由各溝渠和溢流表面構成的蒸發或熱傳遞水表面上方的覆蓋體的作用。在煙囪的進氣口安裝著標準的壓強分級風力渦輪機(pressure-staged wind turbine)32或其他類型的渦輪機。太陽輻射熱使主太陽熱吸收槽37被加熱；槽37還實用地起著儲熱器的作用，它將在陽光照射期內接收的熱能保持住相當長的時間，但是在一個可替換的、而並非優選的實施例中，泵30或(處在槽37、36之間的)其他流體輸送裝置具有使主熱吸收(非可蒸發)槽37的水每小時交換若干次的能力。
太陽能儲熱槽37覆蓋著一種或多種適於漂浮的水面上的、可穿透陽光輻射的材料(聚乙烯或類似材料)的薄膜38，用以防止從水面的蒸發和收集水中輻射的太陽熱從而起到提高水溫的作用。已加熱的水被泵入到頂蓋34下面的熱傳遞區中。
熱傳遞區不設有表面接觸薄膜，因而有助於蒸發並從而將水中的多餘熱能釋放到空氣中。在玻璃收集頂蓋34下面所收集到的空氣便變熱起來。熱空氣通過煙囪31流出，從而驅動渦輪機風扇3；渦輪機經過傳統的發電機實用地提供國家標準輸電網使用的電力。
槽36在整體上呈現金字塔的外形，它具有外部朝上的溝渠並起著熱傳遞裝置的作用。金字塔具有朝向煙囪中央的斜度，這就又起到形成一定角度的流水裝置的作用，從而能夠形成依靠重力從煙囪31的軸線朝向外部的回流，以便使水得到循環。
太陽能儲熱器或主吸收器37的底部、以及熱傳遞裝置或槽36的底部都覆蓋著黑色薄膜38，以便改善對太陽熱能的吸收作用並降低從被加熱的水中朝向底部的土壤等之中的熱耗散。這個覆蓋體將也能防止熱水洩漏。
在本實施例中，來自槽37的預熱後的水通過設在循環溝渠的岸上的管道網絡進行循環(其中，該管道網絡還起著傳輸裝置的作用，用於傳輸來自非可蒸發區27的被加熱流體)。熱水通過管道5開設的孔滴灑在循環溝渠岸的表面上(或噴灑到空氣中)。提高空氣中的水蒸汽含量顯然有助於降低空氣密度，從而增強通過葉板32的氣流以提高功率輸出。
在另一個實施例中，非蒸發薄膜8、38由一層油或其他液體、或者具備下列的所需特性的材料所代替，這些特性是(i)密度比預熱槽7、37中的水的密度低；(ii)透明或半透明，或者能讓太陽熱能透射到水中去。
在又一個實施例中，本發明是在設置在海上、湖面或其他大面積的水面上的設施中實現的，其中使用浮槽以及固定在與海床或其他水域的水底相連的支柱上的平面。
權利要求
1.一種太陽能煙囪設備，包括用於接收從太陽能熱收集器(7、27，6、26)產生出的流體的煙囪(11、31)、以及受該流體驅動的渦輪機(2、32)；其特徵在於，所述太陽熱收集器具有可蒸發區(6，26)和非可蒸發區(7、27)，所述非可蒸發區具有適於禁止吸熱流體蒸發的第一覆蓋體(8、28)，所述可蒸發區具有聯通到所述煙囪並適於容納從所述可蒸發區中的流體中蒸發的蒸汽的第二覆蓋體(4、24)；並且還具有從所述非可蒸發區的流體中將熱能輸送到所述蒸發區的流體中的裝置。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於包括傳輸裝置(22)，用於從所述非可蒸發區將熱吸收液流供到所述可蒸發區以便與已存在於該可蒸發區中的流體互相混合。
3.如權利要求1或2所述的設備，其特徵在於包括用於從所述非可蒸發區將熱吸收流體供到處在一個高於所述非可蒸發區的流體的地平面的可蒸發區中的傳輸裝置；以及設在所述可蒸發區內的形成角度的流動裝置(26、36)，用於實現流體向所述非可蒸發區的重力回流。
4.如權利要求1-3中任一項所述的設備，其特徵在於，所述第一覆蓋體適於漂浮在所述非可蒸發區內的流體的頂面上，並且所述第一覆蓋體是多層的，各層由充氣球、硬泡沫和泡沫聚苯乙烯球、支柱、或繩索中的一種隔開。
5.如權利要求1-4中任一項所述的設備，其特徵在於，所述第二覆蓋體(4)延伸到所述非可蒸發區以外並設有與其具備的各邊緣之一相鄰近的縫隙以供周圍空氣流入，並且通過一個煙囪流入開口(16)來實現所述第二覆蓋體(4)與所述煙囪之間的聯通。
6.如權利要求1-5中任一項所述的設備，其特徵在於，所述可蒸發區和所述非可蒸發區包括充以流體的槽和在地面下挖開的溝中之一。
7.如權利要求6所述的設備，其特徵在於，所述槽和溝的深度在2.5釐米至15釐米範圍。
8.如權利要求6或7所述的設備，其特徵在於，所述槽和溝布滿著吸熱材料。
9.如權利要求1-8中的任一項所述的設備，其特徵在於，所述非可蒸發區和所述可蒸發區圍繞著所述煙囪。
10.如權利要求1-9中任一項所述的設備，其特徵在於，相比於周圍的空氣而言，所述太陽熱收集器適於將可蒸發區上的空氣溼度至少提高2％，並且將所述可蒸發區上的空氣溫度至少提高3℃。
全文摘要
太陽能煙囪設備包括接收從太陽熱收集器(7、27，6、26)產生出的流體的煙囪(11，31)，以及被流體驅動的渦輪機(2，32)。太陽熱收集器具有作為吸熱區的非可蒸發區(7，27)並帶有適於禁止其中流體蒸發的第一覆蓋體(8，28)；還具有可蒸發區，它帶著適於容納從可蒸發區的流體蒸發的蒸汽的第二覆蓋體(4，24)；以及還具有將熱能從非可蒸發區的流體傳遞到可蒸發區的流體中的裝置。太陽能收集器提高流過渦輪機的空氣的溫度和溼度。
文檔編號F03D9/00GK1103747SQ94190117
公開日1995年6月14日 申請日期1994年3月11日 優先權日1993年3月11日
發明者達雅·蘭吉特·森那納雅基 申請人:達雅·蘭吉特·森那納雅基