一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备

摘要

本发明公开了一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，包括集热棚，集热棚上端与太阳能烟囱连通，太阳能烟囱下部设置有若干风力涡轮机，风力涡轮机通过变速装置与压缩机的活塞连接，压缩机的出气口与高压储气罐的进气口连接，高压储气罐的出气口与换热器的进气口连接，集热棚上方设置有集热装置，集热装置与蓄热单元热端的进气口连接，蓄热单元热端与换热器的进气口连接，换热器的输出轴与膨胀机的进气口连接，膨胀机的功率输出轴与发电机的转子连接，换热器的出气口与集热装置的连接，通过压缩空气储能系统改善太阳能烟囱发电系统功率波动问题，可以保证太阳能烟囱发电系统全天候平稳高效的运转，提高发电效率。

权利要求

1.一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，包括集热棚(14)，集热棚(14)上端与太阳能烟囱(13)连通，太阳能烟囱(13)下部设置有若干风力涡轮机(1)，其特征在于，风力涡轮机(1)通过变速装置(2)与压缩机(3)的活塞连接，压缩机(3)的出气口与高压储气罐(5)的进气口连接，高压储气罐(5)的出气口与换热器(6)的进气口连接，集热棚(14)上方设置有集热装置(10)，集热装置(10)与蓄热单元热端(11)的进气口连接，蓄热单元热端(11)与换热器(6)的进气口连接，换热器(6)的输出轴与膨胀机(7)的进气口连接，膨胀机(7)的功率输出轴与发电机的转子连接，换热器(6)的出气口与集热装置(10)的连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，其特征在于，压缩机(3)外侧设置散热器(4)。

3.根据权利要求2所述的一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，其特征在于，散热器(4)设置在烟囱(13)外周。

4.根据权利要求1所述的一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，其特征在于，若干风力涡轮机(1)以太阳能烟囱(13)的轴线为中心环形布置。

5.根据权利要求1所述的一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，其特征在于，换热器(6)和膨胀机(7)均设置有若干个，所有换热器(6)串联连接，所有膨胀机(7)连接在同一根功率输出轴上。

6.根据权利要求1所述的一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，其特征在于，换热器(6)的出气口通过蓄热单元冷端(9)与集热装置(10)连接。

7.根据权利要求1所述的一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，其特征在于，高压储气罐(5)设置在集热棚(14)下方或者地下。

8.根据权利要求1所述的一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，其特征在于，集热装置(10)为槽式集热器。

说明书

一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备

技术领域

[0001] 本发明属于太阳能发电设备技术领域，具体涉及一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备。

背景技术

[0002] 随着科学技术的不断进步和人口不断增长，人们对能源的利用需求越来越大，石油、煤炭、天然气等常规能源不仅储量是有限而且利用后还存在严重的环境污染，加之能源
危机的频繁出没，必然需要清洁可再生的能源来满足人们的生产生活需要。目前大规模开
发利用的清洁可再生能源主要包括太阳能、风能、生物质能，而每秒照射到地球的太阳能可
达五百万吨标准煤所释放的能量，每四十分钟照射到地球的太阳能就可供全球一年的能源
消耗。可以说，太阳能的能源开发利用潜力非常大。

[0003] 温室效应是指大气中的温室气体对地球的保温作用，可以使室内外存在一定的温差。烟囱效应是指户内空气沿着有垂直坡度的空间向上升或下降，造成空气加强对流的现
象。

[0004] 太阳能烟囱发电设备主是利用了温室效应和烟囱效应进行发电。德国J·Schlaich教授于1978年提出了太阳能烟囱发电技术，具体原理如下：

[0005] 当太阳可见光(短波辐射)穿过集热棚的透明玻璃，棚内空气被加热，加热后的空气从周围径向向中心流动，并通过烟囱迅速排出，从而驱动集热棚出口处的风力涡轮发电
机发电。

[0006] 对于太阳能烟囱发电设备的发电效率，受烟囱效应的强度和温室效应的强度影响较大，导致全天各时段功率波动较大，特别是晚间无太阳光照射或者阴雨天，仅仅依靠土地
的保温作用所具有的热量很难直接驱动风力涡轮发电机进行发电。而且就目前技术来看，
太阳能烟囱发电技术存在发电效率较低的问题。

发明内容

[0007] 为了解决上述问题，本发明提供了一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备，本发明设计合理，其通过压缩空气储能系统改善太阳能烟囱发电系统功率波动问题，
保证太阳能烟囱发电系统平稳高效的运转，提高发电效率。

[0008] 为达到上述目的，本发明所述一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备包括集热棚，集热棚上端与太阳能烟囱连通，太阳能烟囱下部设置有若干风力涡轮机，风力
涡轮机通过变速装置与压缩机的活塞连接，压缩机的出气口与高压储气罐的进气口连接，
高压储气罐的出气口与换热器的进气口连接，集热棚上方设置有集热装置，集热装置与蓄
热单元热端的进气口连接，蓄热单元热端与换热器的进气口连接，换热器的输出轴与膨胀
机的进气口连接，膨胀机的功率输出轴与发电机的转子连接，换热器的出气口与集热装置
的连接。

[0009] 进一步的，压缩机外侧设置散热器。

[0010] 进一步的，散热器设置在烟囱外周。

[0011] 进一步的，若干风力涡轮机以太阳能烟囱的轴线为中心环形布置。

[0012] 进一步的，换热器和膨胀机均设置有若干个，所有换热器串联连接，所有膨胀机连接在同一根功率输出轴上。

[0013] 进一步的，换热器的出气口通过蓄热单元冷端与集热装置的连接。

[0014] 进一步的，高压储气罐设置在集热棚下方或者地下。

[0015] 进一步的，集热装置为槽式集热器。

[0016] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，综合考虑太阳能烟囱发电系统功率波动问题，采用压缩空气储能系统来削峰填谷，上升热空气不直接通过涡轮发
电机，而经过压缩机压缩空气储能，再通过槽式集热系统为高压空气加热，最后在经膨胀机
做功带动发电机发电，其中，存储在高压储气罐内的高压空气通过控制高压储气罐的阀门
进行流量调控，与槽式集热器所集热量经蓄热单元调控后混合成高温高压气体。通过对高
温高压空气进行流量调控，能够在晚上对白天富余的能量加以利用，即使在夜间也能运行
一段时间，增强该设备的发电能力，提高太阳能烟囱发电效率。

[0017] 进一步的，压缩机与高压储气罐之间设置散热器，散热器布置在烟囱外周散热器散发出来的热量用于加热太阳能烟囱的气体，实现热能的重复利用，同时对压缩机进行冷
却。

[0018] 进一步的，所有风力涡轮机以太阳能烟囱的轴线为中心环形布置，将涡轮环形布局有利于对风能的采集，增大能量的捕获。

[0019] 进一步的，换热器和膨胀机均设置有若干个，所有换热器串联连接，所有膨胀机连接在同一根功率输出轴上，同轴方便连接，结构简单，减少中间损失，尽大可能提高效率。

[0020] 进一步的，换热器的出气口通过蓄热单元冷端与集热装置的连接，将换热介质通过蓄热单元冷端传递至集热装置，重复利用。

[0021] 进一步的，高压储气罐设置在集热棚下方或者地下，不会有额外的占地需求。

[0022] 进一步的，集热装置为槽式集热器。所需面积较小，布置在集热棚靠近烟囱附近，对集热棚的集热效果基本不影响。

附图说明

[0023] 图1为本发明工作原理示意图；

[0024] 附图中：1-风力涡轮机，2-变速装置，3-压缩机，4-散热器，5-高压储气罐，6-换热器，7-膨胀机，8-发电机，9-蓄热单元冷端，10-集热装置，11-蓄热单元热端，12-泵，13-太阳能烟囱，14-集热棚。

具体实施方式

[0025] 下面将结合说明书附图及实施例，对本发明做进一步详细说明，使本发明的目的、技术方案以及优点更加清晰。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。

[0026] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含
义是两个或两个以上。

[0027] 参照图1，一种采用压缩空气储能系统的太阳能烟囱发电设备包括太阳能烟囱13、集热棚14、风力涡轮1、变速装置2、压缩机3、高压储气罐5、散热器4、换热器6、膨胀机7、集热装置10、蓄热单元热端11和蓄热单元冷端9和泵12，压缩空气储能系统包括风力涡轮1、变速
装置2、压缩机3、高压储气罐5和散热器4。

[0028] 其中：集热棚14上端与太阳能烟囱13连通，若干风力涡轮机1呈环形布置在太阳能烟囱底部集热棚14出口附近，集热棚14上方设置有集热装置10，变速装置2为变速箱，风力
涡轮机1的输出轴与变速箱的输入轴连接，变速箱的输出轴与压缩机3的活塞连接，压缩机3
的出气口与与高压储气罐5的进气口连接，高压储气罐5的出气口与换热器6的进气口连接，
换热器6的输出轴与膨胀机7的进气口连接，膨胀机7的功率输出轴与发电机的转子连接，膨
胀机7的出气口连接有废气回收装置，换热器6的出气口与蓄热单元冷端9连接，蓄热单元冷
端9与集热装置10的连接，集热装置10与蓄热单元热端11的进气口连接，蓄热单元热端11的
出气口与泵12的入口连接，泵12的出口与换热器6的进气口连接。散热器4布置在烟囱13外
周。其中散热器4的作用是给压缩机3降温，保证压缩机3的正常运行，蓄热单元冷端9和蓄热
单元热端11均为蓄热器。

[0029] 优选的，换热器6和膨胀机7均设置有3个，3个换热器6串联连接，3个膨胀机7连接在同一根功率输出轴上。

[0030] 优选的，风力涡轮机1经变速箱2驱动压缩机3，省去发电设备和电动机。

[0031] 优选的，若干压缩机3串联布置在集热棚14出口附近，采用中间冷却的方式冷却，冷却过程中所产生的热量直接用于加热太阳能烟囱13内的空气。压缩机3从集热棚14外的
环境吸入空气，不同于棚内温度较高的空气，环境空气温度较低，易压缩。

[0032] 高压储气罐5用于储存压缩后的高压空气，设置在集热棚14下方或者地下，不会有额外的占地需求。

[0033] 槽式集热系统由集热装置10、蓄热单元热端11和蓄热单元冷端9组成，通过该集热系统将热量传给高压空气，使高压空气进入膨胀机做功。集热装置10为槽式集热器，所需面
积较小，布置在集热棚14靠近烟囱附近，对集热棚14的集热效果基本不影响。

[0034] 本发明的工作原理如下：

[0035] 本发明采用了压缩空气储能系统对空气进行高压储存和槽式集热系统对高压空气进行加热，所产生的高压高温空气进入膨胀机7做功，进而带动发电机8发电，所产生的尾
气通过太阳能烟囱排出，可进一步回收能量。具体为：

[0036] 压缩空气储能系统由太阳能烟囱底部集热棚出口附近的风力涡轮直接驱动，太阳光穿透集热棚14的透明盖板，使棚内空气被加热，加热后的空气径向向中心流动，进入太阳
能烟囱13，通过集热棚14出口时，在烟囱效应的作用下空气加速上升，带动太阳能烟囱13底
部的风力涡轮机1旋转，经变速装置2直接驱动空气压缩机3，压缩机3吸入环境空气进行压
缩，压缩过程所产生的换热经散热器4直接用于加热太阳能烟囱13内的空气，经压缩机3压
缩后的高压空气将储存在高压储气罐5。

[0037] 太阳光照射在槽式集热装置10上，收集热量后的空气储存在蓄热单元热端11，通过泵12抽出经换热器6与上述高压储气罐5内的高压空气换热后，所产生的高温高压气体进
入膨胀机7做功，从而驱动发电机8发电。其中，高压储气罐5位于地下不会有额外的占地需
求；压缩机3串联，采用中间冷却；经换热器6后的换热介质通过蓄热单元冷端9又回到槽式
集热装置10；高温高压空气经膨胀机7完成做工后，所产生的尾气通过太阳能烟囱13排出，
可进一步回收尾气的余热和动能。

[0038] 到了夜晚或者阴雨天气，集热装置10加热后的空气经过换热器6和高压储气罐5中存储的没有用完的高压空气换热，形成高压高温气体，高温高压气体进入膨胀机7做功，从
而驱动发电机8发电。由于夜间或者阴雨天气集热装置收集到的热量有限，但仍然可和高压
储气罐5中存储的高压空气换热，继续发电，提高发电效率。