一種利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝置的製作方法

2023-06-02 21:23:41

專利名稱：一種利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用太陽能進行發電和進行海水淡化的技術領域。
背景技術：
太陽能煙囪發電系統主要有太陽能煙囪、集熱棚、蓄熱層和渦輪發電 才幾組等四部分構成。由透明面蓋和支架組成的集熱棚以太陽能煙囪為中心， 呈圓周狀分布，並與地表蓄熱層有一定距離。透光隔熱集熱棚相當於一個 巨大的玻璃溫室，其內的地表蓄熱層吸收太陽短波輻射後溫度升高，並加 熱棚內的空氣，空氣吸收熱量，溫度升高，密度降低，與外部組境形成密 度差，從而形成了壓力差。起負壓管作用的煙囪加大了系統內外的壓力差，
形成強大的上升氣流驅動置於煙自底部中央的單臺空氣渦4侖發電機或呈組 形排列的多臺小型空氣渦輪發電機組發電。由於蓄熱層白天吸收了大量的 太陽輻射能，夜間仍會不斷釋放熱量，可實現連續發電。
由於太陽能煙囪發電系統固有的發電特性，即晝夜波動，使它缺少火 電和水電所特有的適應負荷變化和穩定系統的品質。從熱力學角度而言， 太陽能煙自發電技術實際上仍是太陽能熱動力發電，太陽能集熱棚只是溫 度很低的熱源，這就決定了太陽能煙囪發電系統單純用於電力生產的效率 很難提高，即使在很理想的情況下也較難取得大於1%的轉換效率。同時， 太陽能煙自發電系統佔地較大，土地利用率較低。
利用太陽能進行海水的淡化，其能量利用方式有兩種。 一是利用太陽 能產生的熱能來驅動的海水相變過程，即為蒸餾過程；二是利用太陽能發 電來驅動的電滲析過程。太陽能蒸餾技術是指利用從太陽能採集的熱量， 加熱海水，使海水蒸發產生相變過程形成水蒸汽，再^f吏水蒸汽冷凝收集淡 水。
傳統太陽能蒸餾裝置產水量都比較低，有三點原因 一是蒸汽的凝結潛 熱未被重新利用，而是通過蓋板散失到大氣中去了。 二是傳統太陽能蒸餾 裝置中自然對流的換熱模式，大大限制了蒸餾裝置熱性能的提高。三是傳 統太陽能蒸餾裝置中待蒸發的海水熱容量太大，限制了運行溫度的提高， 從而減弱了蒸發的驅動力。因此，要提高太陽能蒸餾系統的產水量，必須 克服上述三個缺陷。同時，太陽能蒸餾裝置佔地較大，土地利用率較低。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對單純用於電力生產的太陽能煙囪 發電系統及單純淡水生產的太陽能蒸餾裝置的缺點與不足，提高太陽能綜 合利用效率，提高土地資源的綜合利用效率，同時變向降低了每個產品的 成本，比如電力、蓄熱量、淡水等。
本發明為實現上述目的，採用如下的技術方案
本發明包括太陽能煙自、透明集熱棚、太陽能蒸餾池、渦輪發電機組， 透明集熱棚覆蓋在支撐組上，位於太陽能煙自與透明集熱棚連接處的太陽 能煙自內設置渦輪發電機組；位於透明集熱棚的下方設置太陽能蒸餾池和 巖石蓄熱層，太陽能蒸餾池的上端斜向設置透明蓋板，太陽能蒸餾池的下 端分別連接海水輸入管、鹽水輸出管、淡水輸出管。
比較好的是，本發明的太陽能蒸餾池為環形設置，太陽能蒸餾池的徑 向等間距布置多組支撐組，相鄰兩組支撐組的上端斜向設置透明蓋板，靠 近巖石蓄熱層的支撐組與巖石蓄熱層的上端斜向設置透明蓋板。
比較好的是，本發明的每組支撐組包括支墩、支架，支架設置在支墩 上端的一側，支架上固定設置斜向透明集熱棚，支墩上固定設置斜向透明蓋板。
比較好的是，本發明的各支墩的上端設置水平環形淡水收集槽，各支 墩內分別設置垂直淡水引流管，垂直淡水引流管的兩端分別水平環形淡水 收集槽、淡水輸出管連通。
比較好的是，本發明的利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝置， 其特徵在於上述渦輪發電機組的下方與集熱棚近中心處下方設置巖石蓄
熱層，巖石蓄熱層的外圍設置太陽能蒸餾池。
比較好的是，本發明的利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝置，
其特徵在於上述巖石蓄熱層的下端設置保溫層。
比較好的是，本發明的利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝置， 其特徵在於上述太陽能蒸餾池與海水輸入管、鹽水輸出管、淡水輸出管 之間設置保溫層。
本發明在工作時由透明面蓋和支架組成的透明集熱棚以太陽能煙自 為中心，呈圓周狀分布，並與太陽能蒸餾池的透明蓋板間有一定距離，煙 囪底部裝有渦輪發電機組。透過透明集熱棚和蒸餾池透明蓋板的太陽輻射， 一部分從水面反射，其餘的通過盛水槽中黑色襯裡被水體吸收，使海水溫 度升高，並使部分水蒸發。由於蓋板吸收的太陽能很少，且直接向集熱棚 與透明蓋板間的氣流散熱，故透明蓋板的溫度低於盤中的水溫，因此在蒸 餾池內部空間中產生對流，在水面和透明蓋板之間將會通過輻射、對流和 蒸發進行熱交換，使溼空氣與透明蓋板冷凝面接觸。於是，由槽中水蒸發 的水蒸氣會在透明蓋板的下表面凝結而放出汽化潛熱。只要透明蓋板有一 合適的傾角，凝結水就會在重力的作用下順透明蓋板流下，匯集在集水槽 中，再通過裝置的洩水孔流出蒸餾器外成為成品淡水。受熱的海水蓄熱層 以及水蒸氣凝結放出的汽化潛熱加熱集熱棚與太陽能蒸餾池透明蓋板間的 空氣。透過透明集熱棚的太陽輻射同時坤皮巖石蓄熱層吸收，來進一步加熱 棚內的空氣，空氣吸收熱量，溫度升高，密度降低，與外部環境形成密度 差，從而形成了壓力差。起負壓管作用的煙囪加大了系統內外的壓力差， 形成強大的上升氣流驅動置於煙囪底部中央的單臺空氣渦輪發電機或呈環 形排列的多臺小型空氣渦輪發電機組發電，同時，透明集熱棚周圍的冷空 氣進入棚內，形成持續不斷的空氣循環流動。另一方面，棚內氣流速度的 增加反過來有利於透明蓋板的散熱，從而相對地提高了蓋板與海水蒸發麵 的溫差，提高淡水產量。研究指出，當風速從0增加到2. 15m/s時，裝置 產水量約有11. 5%的增加。/人2. 15m/s增加到8. 81m/s時，裝置產水量增 加僅為l. 5%。這說明，微風有利於產水量的增加，而強風則使產水量增加 不明顯。這正是將海水蓄熱層布置在外側、巖石蓄熱層布置在內側的原因。
外側海水蓄熱層與內側巖石蓄熱層設置比例需根據最佳收益來確定。由於 海水與巖石蓄熱層白天吸收了大量的太陽輻射能，在夜間仍會不斷釋放熱
量，可實現連續發電，生產淡水。
本發明的技術方案與現有技術相比，具有如下的有益效果
1、 利用本發明的結構，海水在蒸發凝結過程中釋放的凝結潛熱被用於 加熱綜合系統中的氣流，氣流的流動又會促進海水的蒸發，增大淡水的產 量。顯著提高了太陽能利用效率。
2、 本發明將太陽能發電和太陽能海水淡化裝置組合在一起，其建造成 本低於同容量單目標太陽能煙自發電與太陽能海水淡化蒸餾裝置的建造成 本之和，所佔用的土地資源也大大低於同容量單目標太陽能煙自發電與太 陽能海水淡化蒸餾裝置的土地資源之和。由此可知，此綜合系統在改善太 陽能的綜合轉化效率的同時，提高土地資源的綜合利用效率，另外還可以 從另一個角度變向降低了每個產品(電力、蓄熱量、淡水)的成本。
3、 本發明在兼顧起蓄熱作用的太陽能海水淡化裝置的中心設置巖石蓄 熱層，從而使得在夜晚沒有太陽的情況下，也能夠完成連續發電和海水的 淡化，增強了本發明的使用範圍。
4、 我國西部太陽能資源十分豐富，平均年日照時間高達2800 3300 小時，又有大量可供選址使用的荒地、戈壁灘和沙漠，因而特別適合於建 造大型太陽能煙囪電站。再者，基於西部許多地區同時擁有豐富的苦鹹水 資源，若能實施太陽能煙囪發電與海水淡化的聯合開發，勢必產生更加巨 大的資源利用效益，並提高供電供水質量、供電供水能力，前景十分廣闊。
5、 本發明的太陽能煙自電站的建設成本不高，製造技術相對成熟，電 站建成後的運行成本和維護費用低；不侵佔耕地，不破壞資源，只是利用 荒漠的土地；大面積的集熱溫室進行太陽能海水淡化、原鹽生產等綜合利 用，不僅沒有汙染，而且可望改善缺水缺電、生態脆弱的西部環境。這些 都十分適合我國的國情以及西部的地域和經濟條件，同時，也是可能部分 替代化石能源的極好途徑，若能獲得應用，將具有十分巨大的經濟、社會 和生態效益，具有廣闊的應用前景。


圖1是本發明的一種結構示意圖。
圖2是本發明支撐組的一種結構示意圖。
圖中1、太陽能煙囪；2、渦輪發電機組；3、透明集熱棚；4、支 架；5、透明蓋板；6、支撐組；61、支墩；7、冷空氣；8、淡水收集 槽；9、淡水引流管；10、太陽能蒸餾池；11、巖石蓄熱層；12、絕熱 保溫層；13、海水輸入管；14、鹽水輸出管；15、淡水輸出管；16、海水 (或苦鹹水)。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明
如圖1所示，本發明包括太陽能煙自1、透明集熱棚3、太陽能蒸餾池 10、渦輪發電機組2，透明集熱棚3覆蓋在支撐組6上，位於太陽能煙自1 與透明集熱棚3連接處的太陽能煙自1內設置渦輪發電機組2;位於透明 集熱棚3的下方設置太陽能蒸餾池10和巖石蓄熱層11，太陽能蒸餾池10 設置在巖石蓄熱層11的外周；太陽能蒸餾池10的上端斜向設置透明蓋板 5,太陽能蒸餾池10的下端分別連接海水輸入管13、鹽水輸出管14、淡水 輸出管15。太陽能蒸餾池中是海水16或苦鹹水。
比較好的是，本發明的太陽能蒸餾池10為環形設置，太陽能蒸餾池 10的徑向等間距布置多組支撐組6，相鄰兩組支撐組6的上端斜向設置透 明蓋板5，靠近巖石蓄熱層11的支撐組6與巖石蓄熱層11的上端斜向設 置透明蓋板5。
比較好的是，本發明的每組支撐組6包括支墩61、支架4,支架4設 置在支墩61上端的一側，支架4上固定設置斜向透明集熱棚3,支墩61 上固定"i殳置斜向透明蓋4反5。
比較好的是，本發明的各支墩61的上端設置水平環形淡水收集槽8, 各支墩61內分別設置垂直淡水引流管9,垂直淡水引流管9的兩端分別與 水平環形淡水收集槽8、淡水輸出管15連通。
比較好的是，本發明的巖石蓄熱層11的下端設置保溫層12。
比較好的是，本發明的太陽能蒸餾池10與海水輸入管13、鹽水輸出
管14、淡水輸出管15之間設置保溫層12。
下面通過一組數據來對比獨立的太陽能煙自發電系統與太陽能煙囪發
電海水淡化綜合系統對太陽能的利用率
為了計算上的統一，，li殳集熱棚直徑為A。,250m,巖石蓄熱層直徑為 Z^二40m,煙自直徑為Z^d0.3m,高度為/^-200m,集熱棚入口處高度為 L = 2 m ,海水層厚度為/fw = 0.05m 。
同時在分析中取穩定氣象條件平均太陽輻射強度為/^800 W/m2,平均 環境溫度為~=27.2 。C。下面公式中^為渦輪機和發電機組的功率，單位是 w;為煙囪入口處空氣溫度，單位是K; 為煙自入口處空氣密度， 單位是K; ^為從水面到凝結面的熱量傳輸速率，單位是W/m" \為水的 氣化潛熱，單位是J/kg。
1. 獨立太陽能煙自發電系統 太陽能煙囪發電系統的發電功率為
formula see original document page 8太陽能利用效率為
formula see original document page 82. 太陽能煙囪發電-蓄熱層-海水淡化綜合系統 太陽能煙自發電系統的發電功率為
formula see original document page 8產水量附'e = 《e = 1.8 4 2 x 1 0 — 4 kg/(m2-s)
綜合系統太陽能利用效率為formula see original document page 9
從上面的數據可以看出，同時具有太陽能煙囪發電和海水淡化功能的 太陽能利用率更高。
權利要求
1、一種利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝置，其特徵在於包括太陽能煙囪(1)、透明集熱棚(3)、太陽能蒸餾池(10)、渦輪發電機組(2)，透明集熱棚(3)覆蓋在支撐組(6)上，位於太陽能煙囪(1)與透明集熱棚(3)連接處的太陽能煙囪(1)內設置渦輪發電機組(2)；位於透明集熱棚(3)的下方設置太陽能蒸餾池(10)和巖石蓄熱層(11)，太陽能蒸餾池(10)設置在巖石蓄熱層(11)的外周；太陽能蒸餾池(10)的上端斜向設置透明蓋板(5)，太陽能蒸餾池(10)的下端分別連接海水輸入管(13)、鹽水輸出管(14)、淡水輸出管(15)。
2、 根據權利要求1所述的利用太陽能進行煙自發電及海水淡化的裝 置，其特徵在於上述太陽能蒸餾池(10)為環形設置，太陽能蒸餾池(IO) 的徑向等間距布置多組支撐組(6 ),相鄰兩組支撐組(6 )的上端4+向i殳置 透明蓋板(5)，靠近巖石蓄熱層(11)的支撐組(6)與巖石蓄熱層(11) 的上端斜向設置透明蓋板(5 )。
3、 根據權利要求2所述的利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝 置，其特徵在於上述每個支撐組(6)包括支墩(61)、支架(4)，支架(4 )設置在支墩(61)上端的一側，支架(4 )上固定設置斜向透明集熱 棚(3 ),支墩(61)上固定設置斜向透明蓋板(5 )。
4、 根據權利要求2所述的利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝 置，其特徵在於上述各支墩(61)的上端設置水平環形淡水收集槽(8 ), 各支墩(61)內分別設置垂直淡水引流管(9)，垂直淡水引流管(9)的兩 端分別水平環形淡水收集槽(8)、淡水輸出管(15)連通。
5、 根據權利要求3所述的利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝 置，其特徵在於上述巖石蓄熱層(11)的下端設置保溫層(12)。
6、 根據權利要求1所述的利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝 置，其特徵在於上述太陽能蒸餾池(10)與海水輸入管(13)、鹽水輸出 管(IO、淡水輸出管(l5)之間設置保溫層(l2)。
全文摘要
一種利用太陽能進行煙囪發電及海水淡化的裝置，涉及利用太陽能進行發電和進行海水淡化的技術領域。本發明包括太陽能煙囪、透明集熱棚、太陽能蒸餾池、渦輪發電機組，透明集熱棚覆蓋在支撐組上，位於太陽能煙囪與透明集熱棚連接處的太陽能煙囪內設置渦輪發電機組；位於透明集熱棚的下方設置太陽能蒸餾池和巖石蓄熱層，太陽能蒸餾池的上端斜向設置透明蓋板，太陽能蒸餾池的下端分別連接海水輸入管、鹽水輸出管、淡水輸出管。本發明提高太陽能綜合利用效率，提高土地資源的綜合利用效率，同時變向降低了每個產品的成本，比如電力、蓄熱量、淡水等。
文檔編號F03D9/00GK101358578SQ20081002160
公開日2009年2月4日 申請日期2008年8月5日 優先權日2008年8月5日
發明者波 屈, 潞 左, 沙玉俊, 袁博融, 源 鄭, 魯華永 申請人:河海大學