(10)授权公告号 (45)授权公告日 2014.12.03
C N 203978724
U (21)申请号 201420416623.2
(22)申请日 2014.07.26
F03D 9/00(2006.01)
F03G 6/06(2006.01)
F03G 4/00(2006.01)
(73)专利权人青岛科技大学
地址266000 山东省青岛市崂山区松岭路
99号
(72)发明人李庆领 辛旋 于鹏伟
周艳
(54)实用新型名称
(57)摘要
本实用新型提供了一种基于地热利用的太阳
能热气流电系统，该系统包括内涂选择性吸收涂
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。本实用新型的显著特点是在原有太阳能热气
流电站基础上加入地下浅层地热能利用，属于太
阳热能及地热能利用技术中的一种可再生绿能
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。该发明结构简单，自动化程度高，发
电连续稳定效率高，并可在节能减排等方面做出
实际贡献。
(51)Int.Cl.
权利要求书1页 说明书5页 附图2页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书5页 附图2页(10)授权公告号CN 203978724 U
1.一种基于地热利用的太阳能热气流发电系统，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，利用地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，该系统由其适用于环境温度低、光照强度小或光照时间短的地区。
2.根据权利要求1所述的基于地热利用的太阳能热气流发电系统，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所述的基于地热利用的太阳能热气流发电系统，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所述的基于地热利用的太阳能热气流发电系统，其特征在于：所述的风力涡轮发电机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所述的基于地热利用的太阳能热气流发电系统，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所述的基于地热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，蒸发端深入地下浅层，冷凝端置于集热棚下。
7.根据权利要求1所述的基于地热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所述的基于地热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：深入地下浅层蒸发端内的工质吸收地热能，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所述的基于地热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所述的基于地热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。
基于地热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地热利用的太阳能热气流发电系统，它属于太阳热能及地热能利用技术中的一种可再生绿能源的发电装置，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，将地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，而地热能不失为一种清洁有效的资源。
[0003] 按照行业标准《浅层地热能勘查评价技术规范》(征求意见第二稿)定义，“浅层地热能(Shallow Geothermal Energy)”是指地表下一定深度范围(一般指恒温带至200m 埋深)温度低于25℃，在当前技术经济条件下具备开发利用的地球的内部热能资源。浅层地热能是地热资源的一部分。浅层地热能就是一
种新型、可再生的优质清洁能源，具有可再生、储量大、清洁环保和可用性强等特点。它是地球浅表层数百米内(<200m)的土壤岩石和地下水中所蕴藏的一种低温热能，其能量主要来源于太阳辐射和地球梯度增温。与深层地热相比，浅层地热能分布广泛、储量巨大、再生迅速、采集方便、开发利用价值更大。浅层地热能就是一种新型、可再生的优质清洁能源，具有可再生、储量大、清洁环保和可用性强等特点。
[0004] 中国专利200710019125.9公开了一种地热能和太阳能互补的热气流发电系统，它包括烟囱，烟囱底部设有涡轮发电机，烟囱下方有采集太阳能的集热棚，集热棚内布置有
盘管散热器，盘管散热器与地热井连接，有效的解决了太阳能热气流电站运行的连续、稳定性问题，提高了电站的调峰能力。存在的问题是：虽然该系统利用了地热资源和太阳能互补发电，但其能量损失大、发电效率不高，由于该系统自身和地热资源有过多的直接接触，因而地热资源中所含的矿物质或杂质对系统自身，例如管路、蓄热池和盘管散热器等，就会产生一定的腐蚀或破坏作用，不利于系统的长期稳定运行，并且该系统自身的正常运行也会消耗较多的能量，如循环泵消耗的电能等。同时，不断抽取和回灌地热井的地热资源还会影响或破坏其所在区域的地热分布、地质状况以及生态环境等。
[0005] 热管因其优良的传热性能，越来越广泛应用于工程中，分离热管是在热管的基础上发展而来的，可用于少量的工质循环量，实现较远距离传递大量的热。针对以上所述内容，提出一种基于地热利用的
太阳能热气流发电系统，它属于太阳热能及地热能利用技术中的一种可再生绿能源的发电装置。在原有太阳能热气流发电系统的基础上增设分离热管，利用地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。
实用新型内容
[0006] 本实用新型提供了一种基于地热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，不需对地热资源进行抽取和回灌，对太阳热能和地热能进行了有效地利用，运行和维护绿环保、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、绿经济的长足发展。
[0007] 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地热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，利用地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。
[0008] 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－氮/铝选择性吸收涂层，阳极氧化电解着涂层，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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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，蒸发端深入地下浅层，冷凝端置于集热棚下，中间部分为柔性软管。深入地下浅层蒸发端内的工质吸收地热能，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、传递并转化地热能，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地热资源分布、地质结构状况以及生态环境等。
[0014] 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℃)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。
[0015] 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。
[0016] 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浅层地热能，利用分离热管将浅层地热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。同时地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，不需对地热资源进行抽取和回灌，对太阳能和地热能进行了有效地利用，运行和维护绿环保、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、绿经济的长足发展。
[0017] 基于上述技术特征所构成的技术方案的优点在于：
[0018] ①.本发明结构简单，自动化程度高，有效结合太阳热能和地热能的利用，运用和维护绿环保、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；
[0019] ②.本实用新型的基于地热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地热资源分布、地质结构状况以及生态环境等，因此其发电过程是清洁、绿、环保和高效的；
[0020] ③.本实用新型的基于地热利用的太阳能热气流发电系统可有效提高低温环境
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