基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于海洋热能利用的太阳能热气流电系统，该系统包括内涂选择性吸收涂层、离地面一定高度的集热棚，铺设在集热棚下的蓄热层，与集热棚平滑过渡连接的导流塔，安装在集热棚及导流塔连接处的风力涡轮发电机组，设置在空气风道及蓄热层中的温度传感器和风速传感器；所述分离热管均匀铺设在集热棚下，增加空气湍流度的同时将海洋热能转换为空气内能。本实用新型的显著特点是在原有太阳能热气流电站基础上加入恒温区域海洋热能利用，属于太阳热能及海洋热能利用技术中一种可再生绿色能源的发展装置，是分离热管技术和热风发电技术的综合应用。
【专利说明】基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统，它属于太阳热能及海洋热能利用技术中的一种可再生绿色能源的发电装置，是分离热管技术和热风发电技术的综合应用。具体地说是分离热管中的工质通过蒸发和冷凝相变过程，将海洋热能转换为集热棚下流动空气的内能，与此同时，太阳热能也通过辐射换热使空气内能增加，集热棚内空气在流动过程中带动风力涡轮发电机组工作，将空气内能最终转化为电能。该技术尤其适用于环境温度低、光照强度小、光照时间短的严寒季节，以弥补因太阳热能不足而造成的发电效率低等弊端。
【背景技术】
[0002]太阳能热气流发电技术是由德国斯图加特大学J.Schlaich教授于1978年提出的。太阳能热气流发电系统即太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能导流塔和涡轮机发电机组3个基本部分构成,集热棚被支撑在距离地面一定高度处，中心位置安装着高大的导流塔，在导流塔底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳辐射能，并加热土地和集热棚覆盖层之间的空气，使集热棚内空气温度升高，密度下降，在竖直导流塔内由于“烟囱作用”形成上升气流，而集热棚四周的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。太阳能热气流电站是属于非聚光型、低温类的的太阳能利用系统，主要依靠由太阳能所构造的高速高温气流发电，可以大规模开发建成大容量机组。该电站系统在发电过程中无需冷却水，不消耗任何燃料，也没有任何“三废”排放，而且经久耐用、造价低廉，是未来太阳能利用最为绿色环保的有效方式，也是解决能源紧缺、环境污染及气候变化等世界性严重问题重要途径。但卧式集热棚太阳能热气流电站系统占地面积较大，由此带来需要大量土地面积问题，所以主要建造了沙漠、戈壁、孤岛等荒芜人烟的地方。众所周知，太阳能热气流电站系统的发电效率主要受光照强度影响，炎热的夏季光照强度大且光照时间长，可保证发电系统高效运行，但严寒的冬季，环境温度低且光照强度小、光照时间短，诸多因素限制了发电系统的运行，有必要在现有太阳能热气流发电站基础上，通过外加热源方式增加集热棚内空气温度，以提高发电站系统的发电效率，而海洋热能不失为一种清洁有效的资源。
[0003]海洋是巨大的能源宝库，海洋中的可再生自然能源主要为波浪能、潮汐能、潮流能(海流能)、海水温差能和海水盐差能。地球表面积的70%是海洋，而海洋受太阳照射，把太阳辐射能转化为海洋热能。太阳注入地球表面的能量总量可达37万亿千瓦，换算为电功率约为1013kW，其中约2/3用于加热海面表层海水，因而，在热带和亚热带地区，表层海水温度可达到25?28°C。海洋热能具有可再生、清洁无污染、能量输出波动小的优点，海洋热能转换被认为是极具有开发利用价值和极具潜力的海洋能资源。目前，已被开发并利用的海洋能利用形式为海洋温差发电(简称0TEC)系统，即利用热带表层海域被太阳晒热的海水和800米深处冷海水的温差来发电。该系统实现了海洋能的大规模转化，利用海平面与海底20 0C左右的温度差，使其自身转化率达到3 %?4 %，但是其发电量的20 %?40 %电力用于泵水，总体来说，海洋温差能属低品位能源，能量密度低，其较低的循环热效率决定了它无法单独进行大规模商业化利用。
[0004]每年的11月至翌年4月，环境温度低、光照强度小且光照时间短，但海水温度却呈正梯度型分布，表现为海水温度随着深度的增加而递增，如果能将海洋热能利用与太阳能热气流发电站有效结合利用，将可大幅提高发电效果。此外，分离热管的出现实现了工质循环量少，但可远距离传递大量热，这为大距离热量输送带来诸多便利，本实用新型即在此背景下形成的。
实用新型内容
[0005]本实用新型提供了一种基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统，它结构简单，自动化程度高，容易操作，不需对海水进行抽取和回灌，对太阳热能和海洋热能进行了有效地利用，运行和维护绿色环保、成本低，有效提高冬季太阳能热气流电站的发电效率，并且可以在节能减排等方面做出实际贡献，推动循环经济的可持续发展和低碳经济、绿色经济的长足发展。
[0006]为了达到解决上述技术方案的目的，本实用新型的技术方案是一种基于海洋热能利用的太阳能热气流电系统，该系统在原有太阳能热气流发电系统的基础上增设分离热管，利用海洋热能和太阳能共同加热集热棚内空气，以提高太阳能热气流发电系统的效率。所述的太阳能热气流电站包括内涂选择性吸收涂层、离地面一定高度的集热棚，铺设在集热棚下的蓄热层，与集热棚平滑过渡连接的导流塔，安装在集热棚及导流塔连接处的风力涡轮发电机组，设置在热空气风道及蓄热层中的温度传感器和风速传感器；所述的分离热管均匀铺设在集热棚下，增加空气湍流度的同时将地热能转换为空气内能。
[0007]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的集热棚和导流塔均是内涂选择性吸收涂层的钢化玻璃构成。在集热棚及导流塔内表面喷涂选择性吸收涂层主要用途是使太阳能的可见光通过，用来收集更多的太阳热能，并阻挡系统内的热能向外界环境散失。目前具有这种功能的可选择性涂层的材料非常多，一般可用于太阳能的选择性吸收涂层均可用于本实用新型，比较常用的有渐变铝一氮/铝选择性吸收涂层，阳极氧化电解着色涂层，电镀黑铬涂层，电镀黑镍涂层，电镀黑钴涂层，硫化铝涂层，FeMoCuOx涂层，黑漆涂层，多元合金复合涂层，金属陶瓷复合膜等。
[0008]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的蓄热层包括两部分，一部分是铺设在地下部分的由相变蓄热材料组成的蓄热体，一部分是铺设在地面的由导热系统较大的无机材料或有机材料组成的蓄热层。这两部分蓄热层联合使用以补充夜晚或阴天的热能供应。
[0009]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的风力涡轮发电机组安装在集热棚及导流塔连接处，每套风力涡轮发电机组可独立工作，也可联合作用。
[0010]在本实用新型中还具有以下技术特征:在集热棚内、导流塔的热空气通道内、蓄热层内、风力涡轮发电机组的前后等位置均安装多个温度传感器、风速传感器，目的是为了更好的对系统中热气流的温度及流速进行自动监控。
[0011]在本实用新型中还具有以下技术特征:所述的分离热管可用少量的工质循环量，实现较远距离传递大量的热，其原理明了，结构简单，加工容易，安装维修方便，且具有良好的稳定性。
[0012]在本实用新型中还具有以下技术特征:其分离热管分为蒸发端、中间绝热部分和冷凝端，其中，蒸发端深入海平面25m以下区域，冷凝端置于集热棚下，中间部分为柔性软管。深入海水底层的蒸发端内的工质吸收海洋热能，温度升高汽化，蒸汽通过绝热柔性软管输送至集热棚中的冷凝端，因与集热棚中流动空气对流换热，工质放热冷凝变液体，并回流至蒸发端。分离热管直接吸收、传递并转化海洋热能，整个过程没有物质的交换与传递，无能量散失，且不影响或破坏其所在区域的海洋资源分布以及生态环境等。
[0013]本实用新型中还具有以下技术特征:其分离热管的中间绝热部分为在柔性软管外包裹酚醛泡沫绝热材料，以防止热能的散失。该绝热层材料为酚醛泡沫材料，具有轻质、防火、遇明火不燃烧、无烟、无毒、无滴落，使用温度围广(-196?+200°C )低温环境下不收缩、不脆化，由于酚醛泡沫闭孔率高，则导热系数低，隔热性能好，并具有抗水性和水蒸气渗透性，是理想的保温节能材料。
[0014]本实用新型中还具有以下技术特征:所述的分离热管以涡轮发电机为中心，沿切线均匀铺设在集热棚下，以形成螺旋渐缩型风道，不但可以扰动空气，增加空气的湍流度提高换热效果，还可以使空气切向冲刷风力涡轮发电机叶片，动能损失小，进而增加发电效率。
[0015]本实用新型由当前研究较多的太阳能热气流电站基础上改进而来，有效结合太阳热能和海洋热能，利用分离热管将恒温区域海洋热能源源不断的传递给太阳能集热棚中的气流，提高太阳能导流塔底部和顶部气流的温差、压力和流速，进而提高低温环境下太阳能热气流发电站涡轮发电机组的发电效率。同时海洋热能与太阳热能联合使用以补充夜晚或阴天的热能供应，可有效克服单独利用一种能源发电时所存在的不足，摆脱对太阳热能、气候状况以及地理环境等自然条件的制约和依赖性，实现连续稳定的发电；本实用新型结构简单，自动化程度高，容易操作，不需对海水资源进行抽取和回灌，对太阳能和海洋热能进行了有效地利用，运行和维护绿色环保、成本低，发电连续稳定效率高，并且可以在节能减排等方面做出实际的贡献，推动循环经济的可持续发展和低碳经济、绿色经济的长足发展。
[0016]基于上述技术特征所构成的技术方案的优点在于:
[0017]①.本发明结构简单，自动化程度高，有效结合太阳热能和海洋热能的利用，运用和维护绿色环保、成本低、发电连续稳定效率高，并且可以在节能减排等方面做出实际的贡献，推动循环经济的可持续发展；
[0018]②.本实用新型的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统的分离热管可直接吸收、传递并转化地热能，即整个过程仅有地热能量的吸收、传递与转化，没有物质的交换与传递，不影响或破坏其所在区域的海洋资源分布及生态环境等，因此其发电过程是清洁、绿色、环保和闻效的；
[0019]③.本实用新型的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统可有效提高低温环境下太阳能热气流电站的发电效率，即在低温环境下，尤其严寒的冬季，空气温度低、光照强度小、光照时间短，诸多因素严重影响发电站的性能。分离热管蒸发端吸收恒温海水区域热能，并将热能传递至集热棚内冷凝端，集热棚内快速流动的气流与热管冷凝端对流换热，吸收热量使温度升高，有利于提高系统内气流的温差、压力和流速，进而提高低温环境下太阳能热气流发电站涡轮发电机组的发电效率。海洋热能与太阳能联合使用可有效克服单独利用一种能源发电时所存在的不足，摆脱对太阳热能、气候状况以及地理环境等自然条件的制约和依赖性，实现连续稳定的发电；
[0020]④.本实用新型的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统中的分离热管以涡轮发电机为中心，沿切线均匀铺设在集热棚下，以形成螺旋渐缩型风道，不但可以扰动空气，增加空气的湍流度提高换热效果，还可以使空气切向冲刷风力涡轮发电机叶片，动能损失小，进而增加发电效率。
[0021]⑤.本实用新型在分离热管柔性软管的外部包裹酚醛泡沫绝热层，这样有效地降低了在传输过程中的能量损失，提高了传递效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细地描述.
[0023]图1是本实用新型的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统主视图；
[0024]图2是本实用新型的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统俯视图；
[0025]1.导流塔2.风力涡轮发电机组3.集热棚4.选择性吸收涂层5.蓄热层5_1.高导热蓄热层5-2.相变蓄热层6.分离热管7.蒸发端8.酚醛泡沫绝热层9.冷凝端10.螺旋渐缩型风道11.温度传感器12.风速传感器13.海水14.柔性软管
【具体实施方式】
[0026]本实用新型的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统包括内涂选择性吸收涂层4、离地面一定高度的集热棚3，铺设在集热棚下的蓄热层5，与集热棚平滑过渡连接的导流塔1，安装在集热棚3及导流塔1连接处的风力涡轮发电机组2，设置在热空气风道及蓄热层中的温度传感器11和风速传感器12，分离热管6均匀铺设在集热棚3下以形成螺旋渐缩型风道10，分离热管分为蒸发端7和冷凝端9，中间柔性软管14外包裹酚醛泡沫绝热层8。
[0027]本实用新型所涉及之电站的分离热管6以风力涡轮发电机组2为中心，沿切线均匀铺设在集热棚3下，形成螺旋渐缩型风道10。在外界环境温度低或光照强度弱的情况下，分离热管6的蒸发端7将恒温海水区域的热能通过绝热软管14传递至冷凝端9，将海洋热能转化了空气内能，实现了海洋热能的吸收、传递与转化。源源不断的海洋热能供应使分离热管冷凝端保持稳定的温度，进而加热集热棚内的气流，提高了系统内部气流的温差、压力和流速，在导流塔1的抽吸作用下，热气流沿着太阳能螺旋渐缩型风道10流动，温度不断升高，流速不断增大，从而推动位风力涡轮发电机组2运动并发电。而温度传感器11及风速传感器12的作用是实时采集电站系统内热空气的温度的流速，以便更好的掌握系统的运行情况。
[0028]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.一种基于海洋热能利用的太阳能热气流电站系统，该系统在原有太阳能热气流发电系统的基础上增设分离热管，利用海洋热能和太阳能共同加热集热棚内空气，以提高太阳能热气流发电系统的效率，主要应用于孤岛太阳能热气流发电站，所述的太阳能热气流电站包括内涂选择性吸收涂层、离地面一定高度的集热棚，铺设在集热棚下的蓄热层，与集热棚平滑过渡连接的导流塔，安装在集热棚及导流塔连接处的风力涡轮发电机组，设置在热空气风道及蓄热层中的温度传感器和风速传感器；所述的分离热管均匀铺设在集热棚下，增加空气湍流度的同时将海洋热能转换为空气热能，该系统适用于环境温度低、光照强度小或光照时间短的地区。
2.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流电站系统，其特征在于:所述的集热棚和导流塔由具有一定强度的钢性玻璃拼接而成，在钢性玻璃内侧喷涂选择性吸收涂层。
3.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流电站系统，其特征在于:所述的蓄热层包括两部分:一部分是铺设在地下部分的由相变蓄热材料组成的蓄热体，一部分是铺设在地面的由高导热系统的无机或有机材料构成的蓄热层。
4.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流电站系统，其特征在于:所述的风力涡轮发电机组安装在集热棚及导流塔连接处，每套风力涡轮发电机组可独立工作，也可联合作用。
5.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流电站系统，其特征在于:在集热棚内、导流塔的热空气通道内、蓄热层内、风力涡轮发电机组的前后等位置均安装多个温度传感器、风速传感器。
6.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流电站系统，其特征在于:所述的分离热管是在热管的基础上发展而来，即蒸发端和冷凝端分开布置，中间用柔性软管连接，其中，蒸发端深入海平面25米以下恒温区域，冷凝端置于集热棚下。
7.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流电站系统，其特征在于:所述的分离热管以涡轮发电机为中心，沿切线均匀铺设在集热棚下，以形成螺旋渐缩型风道。
8.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统，其特征在于:所述的分离热管工作原理如下:深入海平面恒温区域的工质吸收海洋热能，温度升高汽化，蒸汽通过绝热柔性软管输送至集热棚中的冷凝端，因与集热棚中流动空气对流换热，工质放热冷凝变液体，并回流至蒸发端。
9.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统，其特征在于:为防止热量散失，所述的分离热管中间柔性软管外包裹酚醛泡沫绝热材料。
10.根据权利要求1所述的基于海洋热能利用的太阳能热气流发电系统，其特征在于:所述的分离热管形成的螺旋渐缩通道不但可以扰动空气，增加空气的湍流度提高换热效果，还可以使空气切向冲刷风力涡轮发电机叶片，动能损失小，进而增加发电效率。
【文档编号】F03G6/06GK204099141SQ201420416790
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月26日 优先权日:2014年7月26日
【发明者】李庆领, 辛旋, 于鹏伟, 范静雯, 周艳 申请人:青岛科技大学