太陽能熱氣流發電系統的製作方法

2023-10-09 17:59:04 2

專利名稱：太陽能熱氣流發電系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於太陽能應用技術領域，尤其涉及一種可再生綠色能源的環保發電裝置。
背景技術：
太陽能是一種取之不盡、用之不竭的新型可再生能源，世界能源儲量最多的是太陽能，在再生資源中佔99. 44%。太陽每15min達到地球表面的輻射能量就能滿足全世界一年的電力需求，「清潔」的太陽能即時近期急需的補充能源，又是未來能源結構的基礎。中國地處北半球歐亞大陸的東部，屬太陽能資源豐富的國家之一。根據全國700多個氣象臺站長期觀測積累的資料表明，中國各地的太陽輻射年總量大致在 3. 35X 103-8. 40 X IO3 MjVm20太陽輻照度好的地區，也就是根據各地接受太陽總輻射量的多少，可將全國劃分為五類地區。這些地區包括寧夏北部、甘肅北部、新疆東部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最為豐富，最高達2333 Kffh/ m2。新疆北部。江西也不錯，屬於三類，從全國來看，我國是太陽能資源相當豐富的國家，絕大多數地區年平均日輻射量在4kWh/m2天以上， 西藏最高達7kWh/m2。太陽能煙囪發電技術是一項綜合應用溫室效應技術、煙囪技術以及風力渦輪發電技術於一體的太陽能發電新技術，是實現大規模開發和利用太陽能的一種新的途徑。太陽能煙囪系統中氣流的速度場和溫度場的分布對系統中的能量轉換、渦輪轉子的輸出功率有很大的影響。太陽能熱氣流發電技術具有設備運行簡單、運行費用低、良好的環境效應等優點， 其將成為人類解決能源問題的重要手段之一。與傳統的發電方式比，新型的太陽能熱氣流發電系統具有結構簡單、運行部件少、 維修方便、運營成本低廉、無環境汙染以及使用周期長等特點。同時，與太陽能光伏發電系統相比，太陽能熱氣流發電系統還有以下幾個特點
1、晝夜運行穩定能量密度低、日照波動大是太陽能輻射的基本特徵，同樣也是人類在大規模開發和利用太陽能時難以逾越的障礙，太陽能光伏發電就是如此。太陽能熱氣流發電系統中集熱棚底部的土壤可以吸收大量的太陽能並將其儲存，白天，在太陽光照下，集熱棚吸收熱量，晚上，土壤儲存的熱量可以繼續向集熱棚內的空氣傳遞熱量，從而保持系統的持續穩定地發電。2、發電技術簡單不需要先進的技術，系統的工作介質為空氣，無需冷卻裝置。施工所需材料如玻璃、水泥、鋼材等可在當地獲得，這一切都大大降低了造價和結構的複雜性，也使得建成後的電站無論在運營上還是維護費用上都具有很大的優勢。3、改善環境太陽能熱氣流發電系統替代相同的火電廠可大量減少C02、SO2以及氮氧化物的排放。但是現有的太陽能熱氣流發電系統任然存在很多問題
31、現有的太陽能熱氣流發電系統利用土壤介質作為蓄熱層，蓄熱容量不夠大，因而發電效率並不高。2、現有的太陽能熱氣流發電系統，熱氣流通過煙囪出口直接排放至高空中，一方面對環境造成一定的溫室效應，造成系統對熱能的利用率不高，降低了系統的發電效率。3、現有的太陽能熱氣流發電系統，運行時間久了之後，集熱棚表面會附著灰塵等汙漬，極大的影響了集熱棚清潔度，造成陽光透光率下降，從而影響系統的發電效率。

發明內容
本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供了一種新型的太陽能熱氣流發電系統。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種太陽能熱氣流發電系統，它包括煙@、風速計、溫度計、餘熱回收管、相變蓄熱材料層、渦輪發電機組和集熱棚等；其中， 集熱棚建在地面上，集熱棚底部鋪設相變蓄熱材料層，煙 位於集熱棚中央，渦輪發電機組安裝在煙囪與集熱棚的交界處，風速計和溫度計固定在煙囪內，兩根餘熱回收管的一端均與煙囪頂部相通，另一端均與集熱棚相通。進一步地，所述集熱棚用金屬支架支撐，其上鋪蓋玻璃，玻璃內外表面均通過浸漬提拉法塗覆納米薄膜；所述納米薄膜為摻雜鐵、鑭、鉬的二氧化鈦膜，其中，摩爾分數分別為，鐵0. 2% ；鑭0. 3% ；鉬0. 3%O本發明的有益效果如下
(1)本發明採用相變材料代替了傳統的土壤作為新型蓄熱材料，選用三水醋酸鈉、石蠟、高密度聚乙烯/石蠟複合相變蓄熱材料三種材料，這三種材料儲能密度大，從而實現白天儲熱量增多、夜晚放熱時間延長的效果，最終提高了系統的發電效率；
(2)本發明對集熱棚進行了性能上的改進，在集熱棚頂部的玻璃表面形成一層納米膜 用溶膠凝膠法製備摻雜0. 1%-0. 3%金屬元素的納米二氧化鈦溶膠，然後採用浸漬提拉法在玻璃內外表面塗覆製備薄膜。不僅使玻璃表面具有自清潔作用，使它不受空氣中塵埃等汙染物的影響，同時增加了集熱棚對光線的吸收率，大大提高了系統發電的效率；
(3)本發明對系統的餘熱進行循環利用，從而對系統發電效率的提高起到一定的輔助作用。


圖1是本發明太陽能熱氣流發電系統結構示意圖； 圖2是集熱棚表面結構示意圖中，煙囪1、風速計2、溫度計3、餘熱回收管4、相變蓄熱材料層5、渦輪發電機組6、地面7、集熱棚8、納米薄膜9。
具體實施例方式如圖1所示，本發明太陽能熱氣流發電系統包括煙囪1、風速計2、溫度計3、餘熱回收管4、相變蓄熱材料層5、渦輪發電機組6和集熱棚8。其中，集熱棚8建在地面7上，集熱棚8底部鋪設相變蓄熱材料層5，煙囪1位於集熱棚8中央，渦輪發電機組6安裝在煙囪1與集熱棚8的交界處，風速計2和溫度計3固定在煙囪1內，兩根餘熱回收管4的一端均與煙囪1頂部相通，另一端均與集熱棚8相通。如圖2所示，集熱棚8用金屬支架支撐，其上鋪蓋玻璃，玻璃內外表面均通過浸漬提拉法塗覆納米薄膜9。納米薄膜為摻雜鐵、鑭、鉬的二氧化鈦膜，其中，摩爾分數分別為， 鐵0. 2% ；鑭0. 3% ；鉬0. 3%ο該太陽能熱氣流發電系統發電原理為太陽輻射透過集熱棚8頂部的玻璃材料照射在相變蓄熱材料層5表面上，從而轉化為熱能，使相變蓄熱材料層5表面的溫度升高。同時環境空氣被源源不斷的吸入集熱棚8內，相變蓄熱材料層5表面一方面與集熱棚內的空氣進行對流換熱，形成空氣循環流動，另一方面將熱量傳遞到內部。集熱棚8內空氣溫度升高，密度下降，小於外界環境相同高度處的空氣密度，從而形成了壓力差，集熱棚8中央的煙囪起一個負壓管的作用，加大了系統內外的壓力差。由於集熱棚8內的空間足夠大，當集熱棚8內空氣以較大的速度進入煙囪1底部時，在煙囪1內形成了強烈的氣流流動，強烈的上升氣流推動煙 1底部的渦輪發電機組6的渦輪轉動，通過發電機最終實現將太陽能轉換成電能。煙囪1頂部安裝餘熱回收管4，從煙囪1裡出來的熱空氣從高空回到集熱棚8進口，使系統與環境構成了一個循環過程，從而利用了多餘的熱量，使該系統的熱發電效率更高。而在夜間，溫度下降時，利用相變蓄熱材料在白天儲存的熱量，使它在夜間充分釋放出來，將熱能傳遞給周圍的空氣，加熱空氣，使渦輪發電機組6繼續發電，從而最終達到晚上也能發電的目的。面積巨大的相變蓄熱材料層5能確保發電機組6 —天24h期間的發電量維持相對穩定。集熱棚8建在一塊覆有良好相變蓄熱材料層5的土地上，集熱棚8和地面7有一定間隙，可以讓周圍空氣進入系統。集熱棚8底部是用相變蓄熱材料層5做成的蓄熱層，可克服太陽輻射周期性和間斷性的弱點，實現系統發電的連續性與穩定性。集熱棚8用金屬支架支撐，其上鋪蓋玻璃，形成一個巨大的太陽能集熱器。本發明的集熱棚8由玻璃製成的棚頂和支撐結構組成，與煙囪基礎相連接的棚頂與地面間距隨煙囪高度增加而增加，通常為2 8 m，距地面越高，則風阻越小。整個集熱棚8實際上就是一個溫室，其室內外溫差最高可達30°C以上，在煙囪內的上升氣流速度可達15m/s。由於達到地球表面的太陽能輻射密度不高，且受地理位置、晝夜和季節交替等規律性變化的影響，以及受到陰、晴、雲、雨等隨機因素的制約，其輻射強度不斷發生變化，而且具有稀薄性、非連續性和不穩定性。因此為了保證太陽能供熱或發電裝置穩定不間斷的運行，就需要通過儲熱裝置把多餘的太陽能儲存起來，在太陽能不足時在釋放出來，從而滿足生產、生活連續、穩定供應的需要，相變蓄熱材料即是如此。本發明相變蓄熱材料層5的材料可以選用三水醋酸鈉、石蠟或高密度聚乙烯/石蠟複合相變蓄熱材料。1、三水醋酸鈉(CH3COONa · 3H20)無色透明晶體，熔點58°C，溶解熱264J/g，是一種較好的儲能相變材料，用不鏽鋼容器或者塑料來裝。結晶水合物是通過熔化與凝固過程中放出和吸收結晶水來儲熱和放熱的，其優點在於適用範圍廣、價格便宜、導熱率達、熔化潛熱大、體積儲能密度大、一般呈中性；缺點是 過冷和相分離現象，可通過加入成核劑與增稠劑解決。
2、石蠟CnH2n+2，價廉的工業級石蠟沒有固定的熔點，只有一個熔化溫度範圍。 其優點在於熔解熱大，良好的儲熱性能，毒性小，材料腐蝕性較小，成本低，固體狀態
時成型性較好，一般不容易出現過冷和相分離現象。缺點是相變過程中體積變化大。3、高密度聚乙烯/石蠟複合相變蓄熱材料的製備過程如下首先採用熔融共混法製備高密度聚乙烯/石蠟相變材料，然後採用原位聚合法對高密度聚乙烯/石蠟相變材料微膠囊進行封裝。具體步驟如下
1)把石蠟和高密度聚乙烯(HDPE)的混合物放入電爐中加熱到140°C左右，當混合物全部融化後，攪拌使其混合均勻，空氣中降溫，高密度聚乙烯首先凝固並形成網狀結構，石蠟被束縛其中，這樣就形成了均勻的HDPE定形石蠟。石蠟含量在70%-80%之間。2)取一定量的環氧樹脂，加入去離子水，用苯乙烯馬來酸酐作為分散乳化劑，在高速分散均質機上以2000r/min的速度均質分散20min，形成0/W型乳化液；取尿素，三聚氰胺，甲醛，以物質的量之比為2 :1:4混合用NaOH調節PH=8. 5，70°C下反應Ih的粘稠透明預聚物，將其與乳化液混合，在600r/min攪拌轉速下充分攪拌使高密度聚乙烯/石蠟複合相變材料溶解於乳化液的分散介質水中，分批加入催化劑氯化銨，使體系PH逐漸減小，當相變材料開始沉積到囊芯表面後，加熱至65°C，繼續包覆並逐漸固化，當PH降低至2. 5-3. 0時加入80ml熱水，保溫池，用NaOH調節PH=7. 0，冷卻後抽濾、丙酮洗、乾燥。由此製成的微膠囊具有表面光潔，不粘連的特點，粒徑大約為1.8μπι。複合相變蓄熱材料具有以下優點
(1)由於用微膠囊封裝，膠囊壁薄，強化了傳熱性能，且不存在洩露、結霜、熱性能下降等問題；
(2)減少了相變物質與外界環境的反應，提高相變蓄熱材料的穩定性；
(3)複合相變蓄熱材料為固-固相變，固不存在因相變過程中產生的體積變化。由於影響電站運行特性的因素有雲遮、空氣中的塵埃、集熱器的清潔度、相變材料特性、環境風速、大氣溫度疊層、環境氣溫以及大棚和煙 的結構質量。而大氣紅外輻射對電站的總能量平衡起很重要的作用。在陰天且太陽能為100%散射輻射時，電站仍可在低功率水平下運行。附著在大棚玻璃上的塵土會影響棚頂的清潔度，而塵土覆蓋在棚頂上最大影響是降低其透過率1 左右。因此在玻璃表面塗覆具有自清功能的納米薄膜，能夠保持覆蓋材料的陽光透過率，使太陽能熱氣流發電系統的發電效率不受塵土的影響。本發明在煙囪1頂部安裝餘熱回收管4，從而起到熱氣流循環利用，達到合理利用餘熱的問題，從而進一步提高了系統的發電效率。實施例1
本發明的太陽能熱氣流發電系統由新型太陽能集熱棚、集熱型煙 、石蠟相變蓄熱材料層、渦輪發電機組、溫度計、風速計、餘熱回收管等部件組成。其中，相變蓄熱材料層選擇石蠟相變蓄熱材料，新型太陽能集熱棚是通過在集熱棚玻璃內外表面形成一層摻有0. 2%鐵的二氧化鈦薄膜達到自清潔效果。具體方法如下
1、常用石蠟相變材料的熔點為-12 75.9°C，熔解熱為150J / g到250J / g，本發明選用上海華申復器材有限公司的高效片石蠟，熔點為56-58°C。
2、在集熱棚玻璃內外表面形成摻雜0. 2%鐵的納米二氧化鈦薄膜。其具體步驟如下以鈦酸四丁酯為原料，按鈦酸四丁酯疋t0H:H20:三乙醇胺=10:35.8:0.52:4.40，將鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，再將少量乙醇與水混合，將適量的 ^(Ν03)3的溶液於劇烈攪拌下緩慢滴入上述溶液中，繼續攪拌，製備得到摻雜0. 2%鐵的二氧化鈦溶膠，用浸漬提拉法在玻璃內外表面形成厚度為10-250nm的溶膠膜，用過熱蒸汽乾燥2-池，以2_4°C的升溫速率，升溫至在400-500°C下加溫固化1- ；進行鋼化處理；用紫外燈對玻璃表面進行光固化，光固化的紫外線波長小於380nm，且照射時間為0. 5_池，光強度在4mW/cm2或以上，從而使納米膜能長時間保持在激活狀態。實施例2
本發明的太陽能熱氣流發電系統由新型太陽能集熱棚、集熱型煙 、三水醋酸鈉相變蓄熱材料層、渦輪發電機組、溫度計、風速計、餘熱回收管等部件組成。其中，相變蓄熱材料層選擇三水醋酸鈉相變蓄熱材料，新型太陽能集熱棚是通過在集熱棚玻璃的內外表面形成一層摻有0.3%鑭的二氧化鈦薄膜達到自清潔效果。具體方法如下
1、蓄熱材料採用三水醋酸鈉，具體配方擬％的三水醋酸鈉，5%的Na2HPO4 · 12H20，3%的羧甲基纖維素(CMC)，過冷度不超過5°C，放熱時間較長，是比較好的配比。具體步驟將三水醋酸鈉、Na2HPO4 · 12H20 (成核劑)、羧甲基纖維素(增稠劑)按 92 5 3的比例磨成粉末混合均勻，放入塑料容器中，並插入一根熱電偶，放入恆溫水浴中， 在 80°C恆溫 30min。2、在集熱棚玻璃內外表面形成摻雜0.3%的鑭納米二氧化鈦薄膜。其具體步驟如下以鈦酸四丁酯為原料，按鈦酸四丁酯疋tOH:H20:三乙醇胺=10:35.8:0. 52:4. 40, 將鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，再將少量乙醇與水混合，將適量的鑭的硝酸鹽溶液於劇烈攪拌下緩慢滴入上述溶液中，繼續攪拌，製備得到摻雜鑭的二氧化鈦溶膠，鑭的比例為0. 3%， 用浸漬提拉法在玻璃內外表面形成厚度為10-250nm的溶膠膜，於80°C真空乾燥Mh，在 400-500°C下加溫固化1- ；進行鋼化處理；用紫外燈對玻璃表面進行光固化，光固化的紫外線波長小於380nm，且照射時間為0. 5_2h，光強度在4mW/cm2或以上，從而使納米膜能長時間保持在激活狀態。實施例3
本發明的太陽能熱氣流發電系統由新型太陽能集熱棚、集熱型煙囪、高密度聚乙烯/ 石蠟複合相變蓄熱材料層、渦輪發電機組、溫度計、風速計、餘熱回收管等部件組成。其中，相變蓄熱材料層選擇高密度聚乙烯/石蠟相變蓄熱材料複合相變蓄熱材料，新型太陽能集熱棚是通過在集熱棚玻璃的內外表面形成一層摻有0. 3%鉬的二氧化鈦薄膜達到自清潔效果。具體方法如下
1、複合相變蓄熱材料首先採用熔融共混法製備高密度聚乙烯/石蠟複合相變蓄熱材料，然後採用原位聚合法對高密度聚乙烯/石蠟相變材料微膠囊進行封裝。具體步驟如下 1)把石蠟和高密度聚乙烯(HDPE)的混合物放入電爐中加熱到140°C左右，當混合物全部融化後，攪拌使其混合均勻，空氣中降溫，高密度聚乙烯HDPE首先凝固並形成網狀結構， 石蠟被束縛其中，這樣就形成了均勻的HDPE定形石蠟。石蠟含量在70%-80%之間。2)取一定量的環氧樹脂，加入去離子水，用苯乙烯馬來酸酐作為分散乳化劑，在高速分散均質機上以2000r/min的速度均質分散20min，形成0/W型乳化液；取尿素，三聚氰胺，甲醛，以物質的量之比為2 :1:4混合用NaOH調節PH=8. 5，70°C下反應Ih的粘稠透明預聚物，將其與乳化液混合，在600r/min攪拌轉速下充分攪拌使高密度聚乙烯/石蠟複合相變材料溶解於乳化液的分散介質水中，分批加入催化劑氯化銨，使體系PH逐漸減小，當相變材料開始沉積到囊芯表面後，加熱至65°C，繼續包覆並逐漸固化，當PH降低至2. 5-3. 0時加入80ml熱水，保溫池，用NaOH調節PH=7. 0，冷卻後抽濾、丙酮洗、乾燥。由此製成的微膠囊具有表面光潔，不粘連的特點，粒徑大約為1.8μπι。採用此方法製備的複合相變材料具有以下優點
1)由於用微膠囊封裝，膠囊壁薄，強化了傳熱性能，且不存在洩露、結霜、熱性能下降等問題；
2)減少了相變物質與外界環境的反應，提高相變材料的穩定性；
3)複合相變材料為固-固相變，固不存在因相變過程中產生的體積變化。2、在玻璃正反表面形成摻雜0. 3%鉬的納米二氧化鈦薄膜。其具體步驟如下以鈦酸四丁酯為原料，按鈦酸四丁酯疋tOH:H20:三乙醇胺=10:35.8:0.52:4.40，將鈦酸四丁酯溶於無水乙醇，再將少量乙醇與水混合，將適量的鉬的硝酸鹽溶液於劇烈攪拌下緩慢滴入上述溶液中，繼續攪拌，製備得到摻雜鉬的二氧化鈦溶膠，用浸漬提拉法法在玻璃內外表面形成厚度為10-250nm的溶膠膜，鉬的比例為0. 3%，於80°C真空乾燥Mh，在400-500°C下加溫固化1- ；進行鋼化處理；用紫外燈對玻璃表面進行光固化，光固化的紫外線波長小於380nm，且照射時間為0. 5_2h，光強度在4mW/cm2或以上，從而使納米膜能長時間保持在激活狀態。實施例4
本發明採用的參數如下煙囪直徑為8-10m，集熱棚直徑為80-120m，集熱棚高度為 3-6m，煙囪高度為100-120m，相變蓄熱材料厚度為2-細。選用壓力渦輪發電機為，功率為 25KW/臺，，可裝置3-5臺；太陽輻射照度為800-1000w/m2 ；渦輪機效率為70%_80%，大棚效率設為0. 4%-0. 6% ；外界溫度為四漲-3051(，設計溫升30-40K，預期發電功率為60-120KW，通過白天儲存的太陽能能量，可滿足整個晚上發電。整個集熱棚實際上就是一個溫室，其室內外溫差最高可達30°C以上，在煙囪內的上升氣流速度可達15m/s。太陽輻射透過集熱棚照射在相變蓄熱材料層表面上，從而轉化為熱能，使相變蓄熱材料層表面的溫度升高。同時環境空氣被源源不斷的吸入集熱棚內，相變蓄熱材料層表面一方面與集熱棚內的空氣進行對流換熱，形成空氣循環流動，另一方面將熱量傳遞到內部。集熱棚內空氣溫度升高，密度下降，小於外界環境相同高度處的空氣密度，從而形成了壓力差，煙囪起一個負壓管的作用，加大了系統內外的壓力差。由於集熱棚內的空間足夠大，當集熱棚內空氣以較大的速度進入煙囪底部時，在煙囪內形成了強烈的氣流流動，強烈的上升氣流推動煙 底部的渦輪發電機組的渦輪轉動，通過發電機最終實現將太陽能轉換成電能。同時煙囪頂部的餘熱回收管，可將從煙囪裡出來的熱空氣從高空回到集熱棚進口，使系統與環境構成了一個循環過程，從而利用了多餘的熱量，使該系統的熱發電效率更高。而在夜間，溫度下降時，利用相變蓄熱材料在白天儲存的熱量，使它在夜間充分釋放出來，將熱能傳遞給周圍的空氣，加熱空氣，使渦輪發電機組繼續發電，從而最終達到晚上也能發電的目的。面積巨大的相變蓄熱材料層能確保發電機組一天24h期間的發電量維持相對穩定。
權利要求
1.一種太陽能熱氣流發電系統，其特徵在於，它包括煙囪(1)、風速計(2)、溫度計 (3)、餘熱回收管(4)、相變蓄熱材料層(5)、渦輪發電機組(6)和集熱棚(8)等；其中，集熱棚 (8 )建在地面(7 )上，集熱棚(8 )底部鋪設相變蓄熱材料層(5 )，煙 (1)位於集熱棚(8 )中央，渦輪發電機組(6)安裝在煙囪(1)與集熱棚(8)的交界處，風速計(2)和溫度計(3)固定在煙囪(1)內，兩根餘熱回收管(4)的一端均與煙囪(1)頂部相通，另一端均與集熱棚(8) 相通。
2.根據權利要求1所述太陽能熱氣流發電系統，其特徵在於，所述集熱棚(8)用金屬支架支撐，其上鋪蓋玻璃，玻璃內外表面均通過浸漬提拉法塗覆納米薄膜(9 )。
3.根據權利要求1或2所述太陽能熱氣流發電系統，其特徵在於，所述納米薄膜為摻雜鐵、鑭、鉬的二氧化鈦膜，其中，摩爾分數分別為，鐵0. 2% ；鑭0. 3% ；鉬0. 3%。
全文摘要
本發明公開了一種太陽能熱氣流發電系統，它包括煙囪、風速計、溫度計、餘熱回收管、相變蓄熱材料層、渦輪發電機組和集熱棚；其中，集熱棚建在地面上，集熱棚底部鋪設相變蓄熱材料層，煙囪位於集熱棚中央，渦輪發電機組安裝在煙囪與集熱棚的交界處，風速計和溫度計固定在煙囪內，兩根餘熱回收管的一端均與煙囪頂部相通，另一端均與集熱棚相通；本發明採用相變材料代替了傳統的土壤作為蓄熱材料，實現白天儲熱量增多、夜晚放熱時間延長的效果，最終提高了系統的發電效率；在集熱棚頂部的玻璃表面形成一層納米膜不僅使玻璃表面具有自清潔作用，使它不受空氣中塵埃等汙染物的影響，同時增加了集熱棚對光線的吸收率，大大提高了系統發電的效率。
文檔編號F03G6/06GK102338052SQ20111028956
公開日2012年2月1日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者陸飛飛 申請人:陸飛飛