風力發電與太陽能溫差發電互補組合電網的製作方法

2023-06-18 08:49:36 1

專利名稱：風力發電與太陽能溫差發電互補組合電網的製作方法
技術領域：
本發明屬自然能源利用方法領域，是由多個風力發電機及其下部地表 太陽能溫差發電陣列組成的綜合統一電網。
背景技術：
全球在低碳經濟的指引下，為了可持續長遠發展，自然都關注可再生能 源的充分利用，因而都著手挖掘大自然給予人類可利用的能源。本發明人認為最關鍵最重 要的是打破人們習慣了的傳統專業分割觀念，擴大視野從資源整體高層次全方位來認識， 才能找到新的綜合協調統籌利用方法，現今國內外科研人員很多是單一的深入研究某一項 能源設備效率的再提高，如研究改進已有百年歷史的風力發電設備的效率，可以說已到了 山窮水盡，潛力接近枯竭的境地，如果從高層次全方位來看風力發電所在地大自然給予的 能源資源，則可以看到風力是上層空氣對流所蘊含的能量，可經風機轉換為機械能，經發電 機轉換為電能，其實質是相鄰大範圍內太陽照射的光和熱所形成。在風力發電機下部周邊 閒置的地面上，無人過問的太陽光直接照射著的光和熱被浪費掉是很可惜的，這種被人們 忽視的自然能源完全可以用另一種方法轉換成電能添加到風力發電的電力傳送系統中去， 可以大大增加電力，也可以看作是大幅度提高了風力發電的效率，而且可以在很多方面均 衡互補相輔相成，真正使能源開發利用進入柳暗花明的新境界，而且這些轉換方法是可學 習借鑑的成熟的，其均衡互補性為(1)風和日麗的日子風力自然小，風力發電量少，而這 時雲淡風輕，太陽光照充足，太陽能發電量自然會多，而陰雨天狂風大作，正是風力發電多 的時刻，太陽能發電則處於低潮，甚至完全不能發電，具有均衡互補性；(2)從電力供應需 求來看，白天用電量最多，特別是上午十時至下午三時用電尖峰時段，也就是太陽光照最強 能提供最高發電量的時段，入夜至黎明時，太陽下山，人們也都休息，大部分工廠不開工，用 電量也少，這是自然界和人們活動時間規律所形成的均衡互補性；(3)在空間整體分布利 用上的均衡互補性，風力是利用上部空氣流動的能量，只佔用上部空間，溫差發電則要在地 面安裝吸收太陽能的真空集熱管陣，光伏電池也一樣是安放在地面，而溫差發電是利用溫 差發電模塊，其冷麵必須不斷散熱才能維持穩定的溫差，而其發電量是與溫差成比例的，因 而利用地表下泥土層這一熱容量接近無窮大的大散熱器是正合適又相匹配的，當然本發明 人還要使用渠氏無機熱超導管導熱措施，使溫差發電模塊冷熱兩面，能快速高效集熱和散 熱才能充分提高其發電效率。從高層次全方位來看大自然能源，首先要對大陽能和風能的整體有宏觀全面了 解，才能很自然的進一步研究如何統籌綜合利用，特別是要關注技術經濟指標、工程成本造 價、環境保護、實施難易程度。從高層次看，太陽每時每刻都在進行著強烈的熱核反應，它釋 放的能量相當於每秒鐘爆炸910億顆一百萬噸TNT當量的氫彈，所以太陽是一個熾熱的大 火球，它既輻射可見光也輻射紫外線和紅外線，其中紅外線佔了太陽總輻射能量的一半左 右，所以要特別強調重視溫差發電，因為光伏電池對紅外線輻射不敏感而且造價高，儘管太 陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億分之一，但已高達173000TW，也就是 說太陽每秒鐘照射到地球上的能量相當於500萬噸煤。太陽能既是一次能源，又是可再生 能源，它資源豐富，可免費使用，無需運輸，對環境無任何汙染，相當安全可靠。風是地球上 的一種自然現象，它是由太陽輻射熱引起的，太陽能輻射到地球表面，各處受熱不同，產生溫差，從而引起大氣的對流運動而形成風，全球的風能約為2. 74X 109MW，其中可利用的風 能約為2 X IO7MW,比地球上開發利用的水能總量還要大10倍。而我們對於水能的利用如三 峽大壩各地水庫，是非常重視的，但對風能利用的重視遠遠不夠。風能與其他能源相比有四 大優點蘊量巨大，可以再生，分布廣泛，沒有汙染，這是對就地能源的高層次認識，還有就 是地下水所附能量的開發應用，充分理解了就地的自然能源，就可考慮因地制宜的全方位 全面綜合利用。現在要強調關注與民生息息相關的技術經濟指標，人們一提到太陽能發電就往往 意味著矽光伏電池發電，現今不少地方都在發展製作高純度單晶矽，雖然光伏電池發電安 裝簡單方便不用維護，有其獨特優點，但價格特高，生產時本身消耗能源(電)很多，特別 是單晶矽生長和用區域溶化法高精度提純時所用的電特多，回收期長達幾十年這是應該充 分重視的，在一些特定場合，如要求小體積，結構安裝簡便是合理的，但大範圍使用是不經 濟不合算的，現舉一個反面例子，號稱陽光科技園1. 6兆瓦屋頂太陽能光伏電站，國家第一 批太陽能光電建築應用示範項目，是通過財政部、建設部、科技部等部委批覆的第一批光伏 電站項目，完全應該將屋頂風力發電互補組合全面利用，只因為這是人海戰術、錢海戰術， 沒有充分發揮就地能源的潛力，應該說是一個主持人對能源資源的認識問題，顯然不適宜 推廣。溫差發電是利用「塞貝克效應」，將P型(74%三碲化二銻，26%三碲化二鉍)和N型 (80%三碲化三鉍，20%三硒化二鉍)半導體材料連接起來就組成一個電偶對，由電偶對可 以構成「熱電堆」，將多個「熱電堆」組合起來，就可以得到更大的溫差，這現象是可逆的兩端 如通電則形成溫差，如兩端保持一定溫差則可發電。本發明為了溫差發電模塊的高效集熱和散熱，採用華裔美國科學家渠玉芝先生發 明的無機熱超導管，該熱管導熱能力經美國斯坦福研究院(SRI)測試表明，其最高等效導 熱係數是金屬銀的32500倍，眾所周知。金屬銀是自然界中導熱性能最高的，故其熱阻趨近 零，因而被美稱為熱超導，相對於電阻趨於零而稱為電超導而得名，將熱超導管用於溫差發 電模塊兩面的集熱和散熱，使模塊兩面維持較高穩定的溫差而提高發電效率。這一高科技 手段的引入，將使溫差發電效率顯著提高，另外超高頻無線數據傳送技術的引入，各風力發 電機組下面的逆變裝置將同時收到50HZ同頻同相位的正弦同步信號，而使併網問題簡單 解決。這是本發明實施時高效率低成本的重要獨特措施。

發明內容
本發明的目的就是充分利用就地自然能源風能和太陽能組成綜合互補 的局部電網，為國家為人民減輕越來越大的能源短缺的壓力，減少環境汙染。因而特別關注 全面充分高效利用和工程造價等的技術經濟指標。至於單獨的風力發電設備的結構組成，生產製造、運行維護等，國內外已有很多部 門進行了長達近百年的研究，可以說已經比較完善和成熟，國外如瑞典挪威等國是比較出 色的，國內如新疆嘉盛陽光風電科技公司，規模也比較大，已經系列化生產，大到單機30千 瓦的風力發電設備，其太陽能電站用的是光伏電池發電，最高達100KW，造價是極為昂貴的， 因為光伏電池價格極高，例如德州生產的太陽能光伏電池路燈價格都超過萬元，皇明太陽 能熱水器機組部份採用了光伏電池組發電售價高達30萬元，這對推廣應用是很不利的。本發明在太陽能發電上採用低價位的溫差發電，走的是與以上結構完全不同的技 術路線，當然溫差發電安裝會麻煩些，但一勞永逸。本發明的主要內容為(1)為適應更多的小風速地區使用，採用多點多個小風機分別發電，結合每個風機
4下部地面上安裝的太陽能真空集熱管陣列，將熱集中到溫差發電片熱面形成對反面冷麵的 地表下泥土層不斷散熱時的較高溫差，由溫差發電片發電，這兩部分電能經電壓適配用DC/ DC變換器及串並聯組合後，對電二重層電容器Electric double-layer condenser，或儲能 蓄電池充電，最後經DC/AC逆變器轉換為220伏50周/秒交流，併網組成統一電網。(2)為適應小風速及低光照時都能有效利用來發電，而風速和光照強度是隨時變 化的，變化幅度範圍很大，而對儲能蓄電池充電必須高於蓄電池端電壓才能充電，因此將風 力發電的不穩定(頻率和電壓大小)電壓先整流成直流，經「寬輸入電壓範圍(10V-40V)同 步降壓型控制器」如TPS40050之類，輸出整定為25V以上，對24伏儲能膠體蓄電池充電。 太陽能真空集熱管陣列分為多組，通過熱超導管將熱導至溫差發電片熱端，而冷端通過熱 超導管將熱導至就地泥土層中的水箱擴散至大地，而維持穩定溫差。溫差發電片冷熱兩面 溫差低時，電壓很低，經低輸入(1. 8V-9. 0V)多拓樸結構型高頻PWM控制器(如TPS43000 之類)，多組串並聯同樣整定為25V以上，對同一 24伏儲能膠體蓄電池充電。(3)為了組成電網，各路直流電(24V蓄電池端電壓)再經高精度DC/DC變換器轉 換成高穩定直流電壓，經逆變器逆變為穩定的交流電壓，按超高頻無線接收機收到的統一 的50周/秒同步信號進行同步。用無觸點過零觸發開關接通和斷開以避免大的瞬態衝擊。(4)為了維持溫差發電片兩面較高而穩定的溫差，以便發出較多的電，真空集熱管 收集的太陽輻射(可見光和紅外熱線)的熱量，經渠氏無機熱超導管無阻力無損耗的快速 轉移至溫差發電片熱面，而其冷麵必須快速無阻力的散熱，才能使冷麵溫升小和維持溫差 穩定，為保持較高溫差，故在地表下設密閉散熱水箱，水箱金屬薄外壁接觸泥土層面積比較 大，便於熱最終快速消失在土層中。溫差發電片冷麵的熱也經渠氏無機熱超導管傳出並直 接伸入到水箱內。


為了表述本發明所述電網的結構組成，特通過框圖對各部件相關連接 作形象說明。圖1是本發明互補組合電網的框圖，圖中僅標示了兩組風力發電機及其下部 溫差發電陣列的組成，其中兩組的各相同部件標號相同。圖1中，1為吸收太陽能的真空集熱管陣列；2為溫差發電片冷端對地層散熱伸至 地面水箱中的熱超導管；3為風力永磁發電機；4為整流器；5為寬輸入電壓範圍(10V-40V) 同步降壓型控制器DC/DC變換器；6為低輸入(1.8V-9.0V)多拓撲結構型高頻PWM控制器 DC/DC變換器；7為電二重層電容器或儲能膠體蓄電池；8為高穩定度精密直流變換器；9為 直流交流逆變器；10為輸出計量儀表；11為當地負載；12為超高頻無線接收機；13為小型 天線；14為統一電網。
具體實施例方式為了組成局部電網，首要的是選擇有風，空閒地相鄰成片的地區， 以便多設幾個風機，顯然這類地區大多在窮鄉僻野，也正是電力缺乏地區，如草原牧區，高 原山區，河溪沿岸之類。風力發電設備已有成套商品，可直接採購，真空集熱管不能用通常 太陽能熱水器所用通水的管子，因為在野外，冬夏都要工作，要防炸管和冰雹，可根據當地 氣候及造價要求，如選用清華陽光能源公司的速樂管，真空管全部採用硼矽玻璃3. 3為原 料，強度大，25mm冰雹衝擊仍不損壞，特別寒冷地區也可用更優的金剛無水管，採用特有傳 熱工質傳導熱量，工質的冰點低至零下40°C，真空管全封閉式無水熱循環，本發明實施的關 鍵在於要將真空集熱管所吸收的太陽光輻射轉換成熱能並快速的轉移到無機熱超導管，經 熱超導管傳至溫差發電片熱面，其冷麵的熱量又經另一組無機熱超導管傳送至地表層下部水箱中內的水中，水溫升高的同時又將熱均勻快速傳送至水箱外壁，再由水箱金屬外壁將 熱傳至地下泥土層中。由於高效快速傳熱而準持冷面相對較低溫升，而使溫差發電片維持 穩定溫差以便發出較高電壓。寬輸入電壓範圍(10V-40V)同步降壓型控制器及低輸入(1. 8V-9. 0V)多拓撲結構 型高頻PWM控制器，可用美國Texas Instruments產品。本發明的構思和實施都是充分考慮技術經濟指標，和光伏電池發電相比，發同樣 多電，其造價不到十分之一或更低，是具有前景的應該受歡迎的。
權利要求
風力發電與太陽能溫差發電互補組合電網是由多個風力發電機組及下部溫差發電陣列組成，其特徵為(1)在各風力發電機組下部鋪設太陽能真空集熱管陣，用溫差發電模塊發電，其模塊冷端就地散熱至下部泥土層；(2)風力發電的交流電整流後和溫差發電的直流輸出幅值變化較大，經DC/DC控制器轉換穩定後都先存儲到電二重層電容器內或儲能蓄電池內；(3)電二重層電容器或儲能蓄電池的電壓再經DC/DC控制器轉換為高穩定電壓後再經DC/AC逆變器轉換為交流電壓；(4)統一用各無線接收機收到的50周/秒正弦信號去同步各逆變發生器的頻率和相位，而組成統一電網。
2.根據權利要求1所述風力發電與太陽能溫差發電互補組合電網其特徵在於溫差發 電模塊的熱面和冷麵均通過渠氏無機熱超導管集熱和散熱。
3.根據權利要求1所述風力發電與太陽能溫差發電互補組合電網，其特徵在於各路電 力傳送是通過無觸點過零接通和斷開的。
全文摘要
風力發電與太陽能溫差發電互補組合電網屬能源利用方法領域，是從資源整體全方位去挖掘合理利用，如從高層次全面來看風力發電所在地大自然給予的能源資源，風力是上層空間空氣流動所蘊含的能量，是相鄰大範圍內太陽照射的光和熱所形成。在其周邊閒置的局部地面上，太陽光直接照射的光和熱可用另一方式轉換成電能組合到風力發電的電力傳送系統中去，可看作大幅度提高了風力發電的效率，而且在用電時間，空間利用及各自強弱均衡互補，相輔相成，本發明使用了無機熱超導技術，電二重層電容器存儲技術，無線數據傳送調頻調相逆變併網技術，而使多個風力發電機及其下部溫差發電組成較大規模電網，為低碳經濟可再生能源充分利用作貢獻。
文檔編號H02N11/00GK101958556SQ201010504659
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月13日 優先權日2010年10月13日
發明者彭麗娜, 彭映斌, 彭有有, 李文娟, 蔣家飛, 閆化啟 申請人:彭映斌;閆化啟