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风能与地热能协同发电系统

阅读：743发布：2020-11-15

IPRDB可以提供风能与地热能协同发电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种由风能发电系统和地热能热管发电系统构成的风能与地热能协同发电系统，地热能热管发电系统置于风能发电系统筒塔的下部，风能发电系统由叶轮、机舱、筒塔和涡轮发电机组构成，地热能热管发电系统由地热能热管和涡轮发电系统构成，地热能热管是由热管的蒸发段、绝热段和冷凝段组成的真空密闭装置，涡轮发电系统由多级叶片、转轴、磁流体密封装置和发电机组构成。它不用抽取和回灌地热资源，对风能和地热能均进行了有效地利用，运维绿色环保成本低、发电连续稳定效率高，并且可以在新能源开发利用以及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。，下面是风能与地热能协同发电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.风能与地热能协同发电系统，包括风能发电系统和地热能热管发电系统，所述的风能发电系统由叶轮、机舱(15)、筒塔(12)和涡轮发电机组(18)构成；所述的地热能热管发电系统由地热能热管和涡轮发电系统构成，所述的风能发电系统的叶轮由叶片(14)和轮毂(13)构成，叶片(14)设置在轮毂(13)上；机舱(15)内部设置有传动系统(16)和发电机组(11-2)，叶轮的轮毂(13)通过机舱(15)内的传动系统(16)与发电机组(11-2)相连接；机舱(15)的下部与筒塔(12)的上部相连接，筒塔(12)的内表面为光滑内壁，筒塔(12)的上部对称设置有出气口(17)，筒塔(12)的底部对称设置有进气门(24)，筒塔(12)的内部设置有涡轮发电机组(18)，整个筒塔(12)设置于地平面上，所述的地热能热管是由热管的蒸发段、绝热段和冷凝段组成的真空密闭装置，地热能热管的底部为蒸发段，地热能热管的上部为冷凝段，地热能热管的中部为绝热段，地热能热管底部的蒸发段的内腔为蒸发腔(1)，蒸发腔(1)内填充有工质(4)，地热能热管上部的冷凝段的内腔为冷凝腔(20)，地热能热管中部的绝热段的内腔包括渐缩型管腔(26)、突放型管腔(22)和喷口(7)，由蒸发腔(1)到喷口(7)的地热能热管的内腔为横截面积逐渐减小的渐缩型管腔(26)；由喷口(7)到冷凝腔(20)的地热能热管的内腔为横截面积逐渐增大的突放型管腔(22)；渐缩型管腔(26)与突放型管腔(22)的平滑连接段为地热能热管的喷口(7)，在地热能热管的绝热段的外管壁(25)的外部设置有真空绝热腔(6)，所述的涡轮发电系统由多级叶片(23)、支撑机构(8)、轴承(21)、转轴(10)、磁流体密封装置(19)和发电机组(11-1)构成，在绝热段的突放型管腔(22)内水平设置有多级叶片(23)，冷凝腔内水平设置有支撑机构(8)，支撑机构(8)的中部设置有与转轴(10)相匹配的轴承(21)，多级叶片(23)与转轴(10)的一端相连接，转轴(10)的另一端穿过轴承(21)和磁流体密封装置(19)与设置在冷凝腔(20)上部的发电机组(11-1)相连接，磁流体密封装置(19)设置在冷凝腔(20)上部的外管壁(25)上，涡轮发电系统的转轴(10)的轴心线与喷口(7)的中心线重合。

2.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：风能发电系统的筒塔(12)为由底部至顶部截面逐渐变小的圆台型筒塔。

3.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：风能发电系统的筒塔(12)内的涡轮发电机组(18)可以是单台涡轮发电机组，也可以是多台呈环形布置的涡轮发电机组。

4.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：风能发电系统的筒塔(12)下部的进气门(24)的高度低于地热能热管发电系统绝热段与冷凝段交界处所在平面的高度。

5.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：地热能热管的蒸发段置于地热井的地热资源中；绝热段的渐缩型管腔(26)置于地热井中；绝热段的突放型管腔(22)和喷口(7)以及整个冷凝段置于地平面以上，且位于风能发电系统的筒塔(12)的下部。

6.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：地热能热管的外管壁(25)的内表面设置有体积、表面积和渗透率均较大以及毛细孔有效半径小的吸液芯(2)。

7.根据权利要求6所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：在地热能热管的绝热段的吸液芯(2)的内表面设置有一层薄且光滑的内管壁(5)。

8.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：地热能热管的冷凝腔(20)内水平设置有支撑机构(8)，支撑机构(8)的中部设置有与转轴(10)相匹配的轴承(21)。

9.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：地热能热管在蒸发腔(1)腔体的外管壁(25)和吸液芯(2)上设置有热管吸热鳍片(3)；在冷凝腔(20)腔体的外管壁(25)和吸液芯(2)上设置有热管散热鳍片(9)。

10.根据权利要求1所述的风能与地热能协同发电系统，其特征在于：涡轮发电系统的多级叶片(23)的直径小于其所在平面与突放型管腔(22)相交处内管壁(5)的直径。

说明书全文

风能与地热能协同发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种风能发电系统，也涉及一种地热能发电系统，特别是一种风能与地热能协同发电系统。

背景技术

[0002] 据国家发展和改革委员会公布的《可再生能源中长期发展规划》了解到，“能源是经济和社会发展的重要物质基础。工业革命以来，世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长。增加能源供应、保障能源安全、保护生态环境、促进经济和社会的可持续发展，是我国经济和社会发展的一项重大战略任务。”

[0003] 当今无论从世界还是从我国来看，一次化石能源都是有限的，我国的一次化石能源储量远远低于世界平均水平，大约只有世界总储量的10％。从长远来看，新能源必将是未来人类的主要能源来源。可再生能源资源潜力大，环境污染低，可永续利用，是有利于人与自然和谐发展的重要能源。上世纪70年代以来，可持续发展思想逐步成为国际社会共识，可再生能源开发利用受到世界各国高度重视，许多国家将开发利用可再生能源作为能源战略的重要组成部分，提出了明确的可再生能源发展目标，制定了鼓励可再生能源发展的法律和政策，可再生能源得到迅速发展。当人类为化石能源的日渐枯竭和生态环境的不断恶化而忧心忡忡的时候，新能源让我们看到了未来能源的希望之光。加大新能源的开发和利用，建设资源节约型社会已经成为全人类的共识。

[0004] 可再生能源中的太阳能、风能和地热能就在新能源领域扮演着重要的角色，发挥着积极、重要的作用。我国太阳能资源十分丰富，据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐8
射能约为1.47×10 亿kWh，相当于4.9万亿吨标准煤，我国的西藏、云南、青海、新疆、甘肃、内蒙古等地区的太阳辐射能量较大，属于太阳能利用条件较好的地区。我国风能资源具有良好的开发前景，发展潜力巨大，据最新风能资源普查初步统计成果，我国陆上离地10m高度风能资源总储量约为43.5亿kW，居世界第1位。其中，技术可开发量为2.5亿kW，技术
2
可开发面积约20万km，此外，还有潜在技术可开发量约为7900万kW。全国10m高度可开发和利用的风能储量超过10亿kW，仅次于美国、俄罗斯居世界第3位，主要分布在西藏、新疆、青海、内蒙古、甘肃及沿海等地区。另据初步勘探，我国地热资源丰富，主要分布在藏南、川西、滇西地区，可装机潜力约为600万千瓦。初步估算，全国可采地热资源量约为33亿吨标准煤。

[0005] 在地热能的开采利用方面，20世纪70年代初，在国家科委的支持下，我国各地涌现出大量的地热能电站，然而这些电站所在地区的地热水温度低、水量小，运行效果并不理想。建于1977年的西藏羊八井地热电站位于我国目前已探明的最大高温地热的西藏羊八井地热田，羊八井海拔4300米，其地热田地下深200米，地热蒸汽温度高达172℃。自1977年羊八井电站第一台机组投入运行，到1986年装机容量已达到1.3万千瓦。它由5眼地热井供水，单井产量为75～160立方米/小时，水温为145～170℃。每年二、三季度水量丰富时靠水力发电，一、四季度靠水热发电，能源互补。自1977年9月建成试验发电以来，目前装机容量已达25.15MW，占拉萨电网总装机容量的41.5％，在冬季枯水季节，地热发电出力占拉萨电网的60.0％，成为其主力电网之一。近几年随着能源的紧缺，羊八井电站开始发挥越来越重要的作用。从世界范围来看，地热开发利用的步伐从20世纪70年代初开始加快，1975～1995年的20年间，全球范围内地热发电每年大约以9％的速率增长，若以此增长速率来测算，到2020年全球地热发电量将达到318kWh/a。

[0006] 地热能电站要想利用地下热能，首先需要有合适的载热体将地下的热能带到地面上来。目前，能够被地热能电站利用的载热体，主要是地下的天然蒸汽和热水。但是，地热能电站在利用地下天然蒸汽和热水的过程中，地热资源中所含的矿物质或杂质等就会对与其直接接触的相关设备产生一定的腐蚀和破坏作用，不利于设备的长期稳定运行，并且不断抽取和回灌地热资源，还会影响和破坏其所在区域的地热资源分布、地质结构状况以及生态环境等，造成系列的问题。另一方面，随着地下水资源保护的不断加强，地热水资源的直接利用也将会受到更多的限制。

发明内容

[0007] 本发明提供一种风能与地热能协同发电系统，它结构简单、自动化程度高、抗外界干扰性强、操控难度系数低，不用抽取和回灌地热资源，对风能和地热能均进行了有效地利用，运维绿色环保成本低、发电连续稳定效率高，并且可以在新能源开发利用以及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。

[0008] 本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

[0009] 风能与地热能协同发电系统，包括风能发电系统和地热能热管发电系统。所述的风能发电系统由叶轮、机舱、筒塔和涡轮发电机组构成；所述的地热能热管发电系统由地热能热管和涡轮发电系统构成。

[0010] 所述的风能发电系统的叶轮由叶片和轮毂构成，叶片设置在轮毂上；机舱内部设置有传动系统和发电机组，叶轮的轮毂通过机舱内的传动系统与发电机组相连接；机舱的下部与筒塔的上部相连接，筒塔的内表面为光滑内壁，筒塔的上部对称设置有出气口，筒塔的底部对称设置有进气门，筒塔的内部设置有涡轮发电机组，整个筒塔设置于地平面上。

[0011] 所述的地热能热管是由热管的蒸发段、绝热段和冷凝段组成的真空密闭装置，地热能热管的底部为蒸发段，地热能热管的上部为冷凝段，地热能热管的中部为绝热段。地热能热管底部的蒸发段的内腔为蒸发腔，蒸发腔内填充有工质，地热能热管上部的冷凝段的内腔为冷凝腔，地热能热管中部的绝热段的内腔包括渐缩型管腔、突放型管腔和喷口。由蒸发腔到喷口的地热能热管的内腔为横截面积逐渐减小的渐缩型管腔；由喷口到冷凝腔的地热能热管的内腔为横截面积逐渐增大的突放型管腔；渐缩型管腔与突放型管腔的平滑连接段为地热能热管的喷口。在地热能热管的绝热段的外管壁的外部设置有真空绝热腔。

[0012] 所述的涡轮发电系统由多级叶片、支撑机构、轴承、转轴、磁流体密封装置和发电机组构成。在绝热段的突放型管腔内水平设置有多级叶片，冷凝腔内水平设置有支撑机构，支撑机构的中部设置有与转轴相匹配的轴承，多级叶片与转轴的一端相连接，转轴的另一端穿过轴承和磁流体密封装置与设置在冷凝腔上部的发电机组相连接，磁流体密封装置设置在冷凝腔上部的外管壁上，涡轮发电系统的转轴的轴心线与喷口的中心线重合。

[0013] 本发明的目的还可以通过下述的技术措施来实现：

[0014] 本发明的风能发电系统的筒塔为由底部至顶部截面逐渐变小的圆台型筒塔。

[0015] 本发明的风能发电系统的筒塔内的涡轮发电机组可以是单台涡轮发电机组，也可以是多台呈环形布置的涡轮发电机组。

[0016] 本发明的风能发电系统的筒塔下部的进气门的高度低于地热能热管发电系统绝热段与冷凝段交界处所在平面的高度。

[0017] 本发明的地热能热管的蒸发段置于地热井的地热资源中；绝热段的渐缩型管腔置于地热井中；绝热段的突放型管腔和喷口以及整个冷凝段置于地平面以上，且位于风能发电系统的筒塔的下部。

[0018] 本发明的地热能热管的外管壁的内表面设置有体积、表面积和渗透率均较大以及毛细孔有效半径较小的吸液芯。

[0019] 本发明在地热能热管的绝热段的吸液芯的内表面设置有一层薄且光滑的内管壁。

[0020] 本发明的地热能热管的冷凝腔内水平设置有支撑机构，支撑机构的中部设置有与转轴相匹配的轴承。

[0021] 本发明的地热能热管在蒸发腔腔体的外管壁和吸液芯上设置有热管吸热鳍片，在冷凝腔腔体的外管壁和吸液芯上设置有热管散热鳍片。

[0022] 本发明的涡轮发电系统的多级叶片的直径略小于其所在平面与突放型管腔相交处内管壁的直径。

[0023] 本发明所产生的有益效果主要体现在以下两个方面：

[0024] 首先，本发明的地热能热管发电系统的地热能热管可直接吸收、传递并转化地热能，即地热能热管发电系统的发电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地热资源分布、地质结构状况以及生态环境等，因此本发明的发电过程是清洁、绿色、环保和高效的。

[0025] 其次，本发明的风能发电系统和地热能热管发电系统之间为协同发电的关系，即风能发电系统筒塔内气流的快速流动可迅速带走地热能热管发电系统冷凝腔的外管壁和热管散热鳍片所散发的潜热，进而提高地热能热管发电系统发电机组的发电效率；同时，地热能热管发电系统冷凝腔的外管壁和热管散热鳍片所散发的潜热又可加热风能发电系统筒塔下部的气流，有利于提高筒塔底部至顶部气流的温差、压力和流速，进而提高风能发电系统筒塔内涡轮发电机组的发电效率。这两种发电系统的有机结合、协同发电，可有效克服其各自单独发电时所存在的不足，摆脱对自然风能、气候状况以及地理环境等自然条件的制约和依赖性，实现连续稳定的高效发电。

附图说明

[0026] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0027] 附图是本发明风能与地热能协同发电系统的结构示意图。

具体实施方式

[0028] 附图所示：风能与地热能协同发电系统，包括风能发电系统和地热能热管发电系统。所述的风能发电系统由叶轮、机舱15、筒塔12和涡轮发电机组18构成；所述的地热能热管发电系统由地热能热管和涡轮发电系统构成。所述的风能发电系统的叶轮由叶片14和轮毂13构成，叶片14设置在轮毂13上；机舱15内部设置有传动系统16和发电机组
11-2，叶轮的轮毂13通过机舱15内的传动系统16与发电机组11-2相连接；机舱15的下部与筒塔12的上部相连接，风能发电系统的筒塔12为由底部至顶部截面逐渐变小的圆台型筒塔，筒塔12的内表面为光滑内壁，筒塔12的上部对称设置有出气口17，筒塔12的底部对称设置有进气门24，进气门24的高度低于地热能热管发电系统绝热段与冷凝段交界处所在平面的高度。筒塔12的内部设置有涡轮发电机组18，涡轮发电机组18可以是单台涡轮发电机组，也可以是多台呈环形布置的涡轮发电机组，整个筒塔12设置于地平面上。

[0029] 所述的地热能热管是由热管的蒸发段、绝热段和冷凝段组成的真空密闭装置，地热能热管的底部为蒸发段，地热能热管的上部为冷凝段，地热能热管的中部为绝热段。地热能热管底部的蒸发段的内腔为蒸发腔1，蒸发腔1内填充有工质4，地热能热管上部的冷凝段的内腔为冷凝腔20，地热能热管中部的绝热段的内腔包括渐缩型管腔26、突放型管腔22和喷口7。由蒸发腔1到喷口7的地热能热管的内腔为横截面积逐渐减小的渐缩型管腔
26，是地热能快速高效传输的通道；由喷口7到冷凝腔20的地热能热管的内腔为横截面积逐渐增大的突放型管腔22，是地热能快速高效转化的通道；渐缩型管腔26与突放型管腔22的平滑连接段为地热能热管的喷口7。地热能热管的外管壁25的内表面设置有体积、表面积和渗透率均较大以及毛细孔有效半径较小的吸液芯2。在地热能热管的绝热段的吸液芯
2的内表面设置有一层薄且光滑的内管壁5。地热能热管在蒸发腔1腔体的外管壁25和吸液芯2上设置有热管吸热鳍片3，在冷凝腔20腔体的外管壁25和吸液芯2上设置有热管散热鳍片9。在地热能热管的绝热段的外管壁25的外部设置有真空绝热腔6。

[0030] 所述的涡轮发电系统由多级叶片23、支撑机构8、轴承21、转轴10、磁流体密封装置19和发电机组11-1构成。在绝热段的突放型管腔22内水平设置有多级叶片23，冷凝腔内水平设置有支撑机构8，支撑机构8的中部设置有与转轴10相匹配的轴承21，多级叶片23与转轴10的一端相连接，转轴10的另一端穿过轴承21和磁流体密封装置19与设置在冷凝腔20上部的发电机组11-1相连接，磁流体密封装置19设置在冷凝腔20上部的外管壁25上，磁流体密封装置19具有保持不变的零泄漏特性、不存在污染和停车失效问题，还可以使穿过它的转轴10处于“悬浮”的状态，从而大大减小转轴10在转动过程中存在的摩擦，以保证其传动效率并长期可靠的工作。涡轮发电系统的转轴10的轴心线与喷口7的中心线重合。涡轮发电系统的多级叶片23的直径小于其所在平面与突放型管腔22相交处内管壁5的直径。地热能热管的蒸发段置于地热井的地热资源中；绝热段的渐缩型管腔26置于地热井中；绝热段的突放型管腔22和喷口7以及整个冷凝段置于地平面以上，且位于风能发电系统的筒塔12的下部，地热能热管冷凝段的热管散热鳍片9放出潜热的散热过程也即是对风能发电系统的筒塔12内气流的加热过程，有利于提高涡轮发电机组18的发电效率。

[0031] 本发明的地热能热管发电系统的地热能热管可直接吸收、传递并转化地热能，即地热能热管发电系统的发电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地热资源分布、地质结构状况以及生态环境等，因此本发明的发电过程是清洁、绿色、环保和高效的。

[0032] 本发明结构简单、自动化程度高、抗外界干扰性强、操控难度系数低，不用抽取和回灌地热资源，对风能和地热能均进行了有效地利用，运维绿色环保成本低、发电连续稳定效率高，并且可以在新能源开发利用以及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。

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