一种并联式太阳能烟囱发电系统及方法

技术领域

本发明涉及利用太阳能发电领域，特别是涉及一种并联式太阳能烟囱发电系统及方法。

背景技术

基于太阳能烟囱进行发电的构想是由德国J.Schlaich教授首次提出。之后，在西班牙建成了世界上第一座太阳能烟囱发电站。我国也于2014年在内蒙古建成了太阳能热风发电塔试点项目。太阳能烟囱发电技术越来越受到人们的关注，并在不断开发、利用。基于太阳能烟囱进行发电的主要优点包括:(1)太阳能烟囱发电过程中不会产生污染气体，从而对环境友好；(2)太阳能烟囱发电技术是对可再生能源的开发利用，能够缓解日益严重的能源危机。开发太阳能烟囱发电技术对于加速实现我国碳达峰、碳中和的既定目标具有重要意义。

目前，在现有的太阳能热风发电系统中主要涉及到温室技术、储热技术、烟囱技术、风力透平机技术(涡轮发电机)等。通过将上述技术结合，能够构成将太阳能转化为电能的发电系统。

但是，现有的太阳能热风发电装置在实际建设和应用中也存在着诸多难以克服的缺点。例如，太阳能烟囱发电通常需要建立非常高的烟囱才能保证气流推动透平机的叶片旋转发电，要达到发电200MW的规模，集热棚直径要达到4000km，烟囱高1000km，其建设难度大和维护成本高。另外，建设超大的集热棚占用地面资源大，而超高的烟囱也对周围环境造成很大风险。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题中的至少之一，本发明的第一方面提供了一种并联式太阳能烟囱发电系统，其特征在于，包括：气体流入单元，用于导入环境中的气体，并将上述气体汇集形成气流，通过发电装置将上述气流的风能转换为电能；输风单元，用于输送上述气流，并具有与上述气体流入单元连接的输风管道以及多个输气支管；多个集热单元，分别与上述多个输气支管连接，用于将光能转换为热能，对从输气支管导入的气流进行加热；以及气流排出单元，与上述集热单元连接，用于排出在上述集热单元中加热后的气流。

通过本发明所述的发电系统，通过并联多个集热单元以及气流排出单元，能够发挥多个集热单元的协同效果，能够避免建设超大的集热棚和超高的烟囱。

在上述并联式太阳能烟囱发电系统中，上述气体流入单元包括形成为倒锥形状的进风装置，上述进风装置具有多个进风口，从上述多个进风口导入的气体在进风装置中合流。

通过上述设置，环境中的气体通过进风装置合流，能够形成高速的气流，供后续的发电装置利用。

在上述并联式太阳能烟囱发电系统中，上述发电装置设置于上述进风装置下端，为风力透平机或涡轮发电机。

通过上述设置，能够有效地利用系统中所聚集的气流的流速来进行发电，并且，不会造成因高温导致的发电装置的劣化。

在上述并联式太阳能烟囱发电系统中，上述多个集热单元以及与上述多个集热单元连接的气流排出单元的结构、尺寸相同。

通过上述设置，能够达到多个动力源并联后的协同效果，并且，由于多个集热单元和气流排出单元的结构、尺寸相同，因此能够节约设计、建设的成本。

在上述并联式太阳能烟囱发电系统中，上述集热单元包括热气流槽、集热装置以及储热器；上述储热器在外界环境有太阳光照射的情况下能够储存热量，在外界环境无太阳光照射的情况下能够释放热量。

通过上述设置，能够不依赖光照是持续地加热气流，从而能够不间断地为气流的上升提供动力。

在上述并联式太阳能烟囱发电系统中，上述热气流槽形成为随着气流方向向上倾斜，上述集热装置设置有透光板和/或太阳能面板。

通过上述设置，能够使得加热的气流更好地导入到烟囱中，并且更有效地利用太阳能。

在上述并联式太阳能烟囱发电系统中，上述气流排出单元包括：烟囱、导流装置、隔热辐射层、热风口以及底座。

通过上述设置，气流的温度不易降低，并能够保持出口与进风口导入的气流形成较大的温度差，能够保证气流的流动速率以使发电机高速运转，从而提高发电功率。

在上述并联式太阳能烟囱发电系统中，上述导流装置包括：上导流层、下导流层以及支架，上述上导流层与上述下导流层之间形成有蝶形导流空间。

通过上述设置，被排出的气流速度将加快，因此能够带动系统中的气流，提高整体的气流速度，从而提高系统的发电功率。

本发明的第二方面提供一种并联式太阳能烟囱发电方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将环境中的低温气体通过进风装置导入到发电系统内部，利用上述进风装置将低温气体汇集形成高速的气流；(2)使上述高速的气流通过发电装置，上述发电装置进行工作将风能转换为电能；(3)上述高速的气流通过输风管道被均匀地分为多股支路气流；(4)上述多股支路气流被导入到多个集热装置中，由上述多个集热装置分别对上述多股支路气流进行加热。(5)加热后的气流被多个烟囱排出到发电系统外部。

通过上述方法，能够有效地利用太阳能对气流进行加热，能够达到多个动力源并联后的协同。

在上述并联式太阳能烟囱发电方法中，上述加热后的气流在上述烟囱的出口基于伯努利原理的方式被排出到系统外部。

通过上述设置，被排出的气流速度将加快，因此能够带动系统中的气流，提高整体的气流速度，从而提高系统的发电功率。

本装置进行了优化设计，采用单元模块并联式建设布局，减少集热棚面积，降低烟囱高度，在降低技术难度的同时也大大降低了建设成本维护成本，并且根据需求结合实地情况，可以调整每个单元的规模大小和并联单元的数量，因此提高了对热能、风能的综合利用，有利于大范围推广。特别可以应用于荒漠戈壁，农村大棚，高层建筑，以及高速公路休息站等地区，不仅可以为生产生活提供清洁能源，也可以为新能源车辆提供电力，还可以直接并入国家电网，获取较好的经济和社会效益。

附图说明

图1示出本发明所涉及的太阳能烟囱发电系统整体构成的示意图。

图2示出本发明所涉及的太阳能烟囱发电系统中的气体流入单元的结构示意图。

图3示出本发明所涉及的太阳能烟囱发电系统中的集热单元的结构示意图。

图4的(a)示出本发明所涉及的太阳能烟囱发电系统中的气流排出单元的结构示意图，(b)示出气流排出单元中的导流装置的结构示意图。

图5示出本发明所涉及的并联式太阳能烟囱发电方法的流程示意图。

附图标记说明：

1太阳能烟囱发电系统；2气体流入单元；21进风口；22隔板；23锥形部；24顶壁；25底端；26输气管道；27输气支管；m发电机；

3、3’集热单元；31气体导入口；32热气流槽；33集热装置；34透光板；35储热器；36连通口；4、4’气流排出单元；41烟囱；42导流装置；421上导流层；422支架；423下导流层；43隔热辐射层；44热风口；45底座；a、b、c气流。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施方案中的各个特征可以任意组合，构成实施方案。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，结合附图所描述的实例仅是本申请一部分实例，而不是全部的实例。以下将结合附图详细描述本发明。

下面，参照附图对本发明所涉及的并联式太阳能烟囱的发电系统及方法进行详细描述。

图1示意性地示出了本发明所涉及的并联式太阳能烟囱发电系统的构成。其中，并联式太阳能烟囱发电系统1(以下简称为“发电系统1”)包括：气体流入单元2、集热单元3、气流排出单元4。在该发电系统1中，系统周围的空气通过气体流入单元2进入系统后，通过管道进入集热单元3。在集热单元3中对进入到系统的气流进行加热，随着温度升高，气流形成向上的升力。升温后的气流进入到形成为烟囱状的排出单元4，随着向上的升力，升温后的气流被排出到发电系统1外部。

接着，对系统中各单元的构成及工作方式详细地进行说明。

如图1和图2所示，气体流入单元2具有相对于地面形成为倒锥形状的进风装置、发电装置24以及输风管道25。在本实施方式中，进风装置形成为倒棱锥形状，但不限定于此，也可以为倒圆锥形状，只要是相对于地面形成为上大下小的形状即可。在进风装置的上部形成有进风口21、隔板22以及顶壁24。发电系统1周边的空气可以通过进风口21流入该进风装置中。隔板22设置于进风装置的顶壁24与锥形部23之间，用于支撑顶壁24，并分隔出进风口22。

通过将进风装置设置成倒锥形的形状，能够较好的引导发电系统1周围的气流a进入进风装置，并且，通过多个进风口22导入到进风装置后的气流经过锥形部23进行合流，利用进风气流产生的负压带动发电装置24，根据上述设置，能够提高从进风装置底端25进入到发电装置24的气体的流速。

另外，也可以在进风装置的顶壁24以及锥形部23的外表面上涂布反光涂层。由此，被导入到进风装置的气流未被加热，能够与后面所述的集热单元3中的气流形成大的温度差，从而能够提高气流的流速。

该发电装置24包括至少一个发电机m，发电机m的种类不加以限定，但优选为风力透平机、涡轮发电机。本实施方式中，通过将发电装置24设置于气体流入单元2中，能够有效地利用系统中所聚集的气流的流速来进行发电，并且，在气体流入单元2中气体尚未被加热，通过发电装置24的气体处于温度相对较低的状态，因此，相比于将发电装置24设置于集热单元3或者气流排出单元4，在本实施方式中不会造成因高温导致的发电装置24的劣化。

从进风装置导入的气流a经过发电装置24后，气流进入输气管道26。流入输气管道26的气流被分支的输气支管27分成两股气流b分别导入集热单元3、3’。在本实施方式中，气流在输气管道26中被分成了两股气流进入了两个集热单元3、3’，但是不限定于此，气流也可以被分成两股以上的气流，进入到两个以上的集热单元。

通过上述设置，气流通过多个支管27进入到并联的多个集热单元3中进行升温，之后在并联的多个排出单元4中由于向上的升力而进行排出，也就是通过将作为动力提供源的集热单元3、3’和排出单元4、4’并联起来，能够进一步提高气流的流动速度，从而提高发电装置24的发电功率。这样，能够通过设置多个并联的集热单元3和气流排出单元4，达到提高发电装置24的发电功率的效果，避免了设置超高的气流排出单元4。

在这里，优选的是，气流在输气管道26中被平均的分成多股气流，进入到多个结构、尺寸相同的集热单元3和气流排出单元4中。

通过设置为气流在管道中平均地分成多股气流进入到多个结构、尺寸相同的集热单元和气流排出单元中，能够达到多个动力源并联后的协同效果，并且，由于多个集热单元和气流排出单元的结构、尺寸相同，因此能够节约设计、建设的成本。

图3示出了本实施方式中的集热单元3的结构示意图。其中，为了方便理解，在图3中也示出了气流排出单元4的局部。

如图3所示，在集热单元3中，输气支管27与集热装置33的气体导入口31连结，从输气支管27输送来的气流经过气体导入口31而进入到集热装置33中。

集热装置33的类型不做限定，只要能够吸收太阳能对被导入的气流进行加热即可，可以是集热棚、温室、具有吸热功能的建筑物等。在该集热装置33中可以设置储热器35，该储热器35在外界环境有太阳光照射的情况下能够储存集热装置33中的热量，在外界环境无太阳光照射的情况下能够释放热量，由此，在无光照条件下通过储热器35释放热量对导入到集热装置33的气流进行加热，能够不依赖光照是持续地加热气流，从而能够不间断地为气流的上升提供动力。

在本实施方式中，集热装置33的顶部形成有随着气流方向向上倾斜的热气流槽32，并且在该热气流槽32两侧设置有透光板34。太阳光透过该透光板34照射集热装置33内部，对导入到集热装置33内部的气流进行加热。气流被加热后形成向上的升力，汇集于顶部的热气流槽32。另外，也可以是，除了在集热装置33的顶部设置透光板34之外，而在侧壁设置太阳能面板。

在集热装置33的顶部上的气流流通方向末端设置有连通口36。在集热装置33中加热后的气流，由于形成上升的动力而汇集于热气流槽32，热气流槽32中的热气流通过连通口36而被输入到气流排出单元4中。

图4的(a)示出气流排出单元4的结构示意图，(b)示出气流排出单元4的导流装置42的结构示意图。

气流排出单元4包括：烟囱41、设置于烟囱顶部的导流装置42、设置于烟囱内侧壁的隔热辐射层43、设置在对应于集热装置33的连通口36的热风口44以及用于支撑上述烟囱41的底座45。

通过集热装置33加热后的气流由连通口36被送入到气流排出单元4的热风口44，气流随着向上的升力进入竖直向上设置的烟囱41。由于烟囱41的内侧面设置有隔热辐射层43，因此气流的温度不易降低，保持与进风口21导入的气流形成较大的温度差，能够保证气流的流动速率以使发电机m高速运转，提高发电功率。

在烟囱41的顶部设置有对排出气体进行导流的导流装置42。如图4的(b)所示，导流装置42包括：形成为纺锤形状的上导流层421、形成为具有向上凸起的弧度的下导流层423、连结上导流层421与下导流层423的支架422，该支架422用于支撑上导流层。

以垂直于地面的平面剖切该导流装置42，可以观察到向下凸出一定弧度的上导流层421与向上凸出一定弧度的下导流层423之间形成蝶形导流空间。根据伯努利原理，气流在流经这种导流空间时，被排出的气流c的气流速度将加快，因此能够带动系统中的气流，提高整体的气流速度，从而提高系统的发电功率。

图5示出本发明所涉及的并联式太阳能烟囱发电方法的流程示意图。

如图5所示，首先，环境中的低温气体通过进风装置被导入到系统内部，利用进风装置将低温气体汇集形成高速的气流。

然后，使高速的气流通过发电装置，发电装置进行工作将风能转换为电能。

接着，气流通过输风管道均匀的被分为多股支路气流。

其后，多股支路气流被导入多个集热装置中，由多个集热装置分别对气流进行加热。

最后，加热后的高温气流被与多个集热装置连结的多个烟囱排出到系统外部。

在本实施方式中，太阳光照射集热装置33，对集热装置33内的气流和储热器35进行加热，气流被加热后形成向上的升力，然后通过形成为斜坡型的热气流槽32流入到烟囱41，通过烟囱效应对集热装置33中的气流产生抽力。

另外，在无光照条件下，集热装置33内的储热器33会持续散发热量，仍然可以对气流进行加热。

另外，集热装置33内的高温气流通过烟囱41而向上升腾加速流动，对集热装置33底部的气体导入口31形成负压。由于各个集热装置33通过输气支管27以并联式连通，因此各集热装置33通过所连通的输气管道26和进风装置获取补充气流。

另外，所有烟囱41顶部均设置形成有蝶形导流空间的导流装置42，气流在通过该导流装置42时会加快流动，也就是说，烟囱41内的热气流在出口也会加速流动，从而增大进风口和出风口的压力差，增加系统内的风量和风速，从而提高发电效率。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。