專利名稱：風(fēng)力發(fā)電與太陽能溫差發(fā)電互補(bǔ)組合電網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬自然能源利用方法領(lǐng)域，是由多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其下部地表太陽能 溫差發(fā)電陣列組成的綜合統(tǒng)一電網(wǎng)。
背景技術(shù)：
全球在低碳經(jīng)濟(jì)的指引下，為了可持續(xù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，自然都關(guān)注可再生能源的充分 利用，因而都著手挖掘大自然給予人類可利用的能源。本發(fā)明人認(rèn)為最關(guān)鍵最重要的是打 破人們習(xí)慣了的傳統(tǒng)專業(yè)分割觀念，擴(kuò)大視野從資源整體高層次全方位來認(rèn)識(shí)，才能找到 新的綜合協(xié)調(diào)統(tǒng)籌利用方法，現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外科研人員很多是單一的深入研究某一項(xiàng)能源設(shè)備 效率的再提高，如研究改進(jìn)已有百年歷史的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的效率，可以說已到了山窮水盡， 潛力接近枯竭的境地，如果從高層次全方位來看風(fēng)力發(fā)電所在地大自然給予的能源資源， 則可以看到風(fēng)力是上層空氣對(duì)流所蘊(yùn)含的能量，可經(jīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，經(jīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為 電能，其實(shí)質(zhì)是相鄰大范圍內(nèi)太陽照射的光和熱所形成。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)下部周邊閑置的地 面上，無人過問的太陽光直接照射著的光和熱被浪費(fèi)掉是很可惜的，這種被人們忽視的自 然能源完全可以用另一種方法轉(zhuǎn)換成電能添加到風(fēng)力發(fā)電的電力傳送系統(tǒng)中去，可以大大 增加電力，也可以看作是大幅度提高了風(fēng)力發(fā)電的效率，而且可以在很多方面均衡互補(bǔ)相 輔相成，真正使能源開發(fā)利用進(jìn)入柳暗花明的新境界，而且這些轉(zhuǎn)換方法是可學(xué)習(xí)借鑒的 成熟的，其均衡互補(bǔ)性為(1)風(fēng)和日麗的日子風(fēng)力自然小，風(fēng)力發(fā)電量少，而這時(shí)云淡風(fēng) 輕，太陽光照充足，太陽能發(fā)電量自然會(huì)多，而陰雨天狂風(fēng)大作，正是風(fēng)力發(fā)電多的時(shí)刻，太 陽能發(fā)電則處于低潮，甚至完全不能發(fā)電，具有均衡互補(bǔ)性；( 從電力供應(yīng)需求來看，白 天用電量最多，特別是上午十時(shí)至下午三時(shí)用電高峰時(shí)段，也就是太陽光照最強(qiáng)能提供最 高發(fā)電量的時(shí)段，入夜至黎明時(shí)，太陽下山，人們也都休息，大部分工廠不開工，用電量也 少，這是自然界和人們活動(dòng)時(shí)間規(guī)律所形成的均衡互補(bǔ)性；C3)在空間整體分布利用上的 均衡互補(bǔ)性，風(fēng)力是利用上部空氣流動(dòng)的能量，只占用上部空間，溫差發(fā)電則要在地面安裝 吸收太陽能的真空集熱管陣，光伏電池也一樣是安放在地面，而溫差發(fā)電是利用溫差發(fā)電 模塊，其冷面必須不斷散熱才能維持穩(wěn)定的溫差，而其發(fā)電量是與溫差成比例的，因而利用 地表下泥土層這一熱容量接近無窮大的大散熱器是正合適又相匹配的，當(dāng)然本發(fā)明人還要 使用渠氏無機(jī)熱超導(dǎo)管導(dǎo)熱措施，使溫差發(fā)電模塊冷熱兩面，能快速高效集熱和散熱才能 充分提高其發(fā)電效率。從高層次全方位來看大自然能源，首先要對(duì)大陽能和風(fēng)能的整體有宏觀全面了 解，才能很自然的進(jìn)一步研究如何統(tǒng)籌綜合利用，特別是要關(guān)注技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、工程成本造 價(jià)、環(huán)境保護(hù)、實(shí)施難易程度。從高層次看，太陽每時(shí)每刻都在進(jìn)行著強(qiáng)烈的熱核反應(yīng)，它釋 放的能量相當(dāng)于每秒鐘爆炸910億顆一百萬噸TNT當(dāng)量的氫彈，所以太陽是一個(gè)熾熱的大 火球，它既輻射可見光也輻射紫外線和紅外線，其中紅外線占了太陽總輻射能量的一半左 右，所以要特別強(qiáng)調(diào)重視溫差發(fā)電，因?yàn)楣夥姵貙?duì)紅外線輻射不敏感而且造價(jià)高，盡管太 陽輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量的22億分之一，但已高達(dá)173000TW，也就是 說太陽每秒鐘照射到地球上的能量相當(dāng)于500萬噸煤。太陽能既是一次能源，又是可再生能源，它資源豐富，可免費(fèi)使用，無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染，相當(dāng)安全可靠。風(fēng)是地球上 的一種自然現(xiàn)象，它是由太陽輻射熱引起的，太陽能輻射到地球表面，各處受熱不同，產(chǎn)生 溫差，從而引起大氣的對(duì)流運(yùn)動(dòng)而形成風(fēng)，全球的風(fēng)能約為2.74Χ109^，其中可利用的風(fēng) 能約為2Χ IO7麗，比地球上開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。而我們對(duì)于水能的利用如 三峽大壩各地水庫(kù)，是非常重視的，但對(duì)風(fēng)能利用的重視遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。風(fēng)能與其他能源相比有 四大優(yōu)點(diǎn)蘊(yùn)量巨大，可以再生，分布廣泛，沒有污染，這是對(duì)就地能源的高層次認(rèn)識(shí)，還有 就是地下水所附能量的開發(fā)應(yīng)用，充分理解了就地的自然能源，就可考慮因地制宜的全方 位全面綜合利用?，F(xiàn)在要強(qiáng)調(diào)關(guān)注與民生息息相關(guān)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，人們一提到太陽能發(fā)電就往往 意味著硅光伏電池發(fā)電，現(xiàn)今不少地方都在發(fā)展制作高純度單晶硅，雖然光伏電池發(fā)電安 裝簡(jiǎn)單方便不用維護(hù)，有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格特高，生產(chǎn)時(shí)本身消耗能源(電)很多，特別 是單晶硅生長(zhǎng)和用區(qū)域溶化法高精度提純時(shí)所用的電特多，回收期長(zhǎng)達(dá)幾十年這是應(yīng)該充 分重視的，在一些特定場(chǎng)合，如要求小體積，結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)便是合理的，但大范圍使用是不經(jīng) 濟(jì)不合算的，現(xiàn)舉一個(gè)反面例子，號(hào)稱陽光科技園1. 6兆瓦屋頂太陽能光伏電站，國(guó)家第一 批太陽能光電建筑應(yīng)用示范項(xiàng)目，是通過財(cái)政部、建設(shè)部、科技部等部委批復(fù)的第一批光伏 電站項(xiàng)目，完全應(yīng)該將屋頂風(fēng)力發(fā)電互補(bǔ)組合全面利用，只因?yàn)檫@是人海戰(zhàn)術(shù)、錢海戰(zhàn)術(shù)， 沒有充分發(fā)揮就地能源的潛力，應(yīng)該說是一個(gè)主持人對(duì)能源資源的認(rèn)識(shí)問題，顯然不適宜 推廣。溫差發(fā)電是利用“塞貝克效應(yīng)”，將P型(74%三碲化二鋪，沈％三碲化二鉍)和N型 (80%三碲化三鉍，20%三硒化二鉍)半導(dǎo)體材料連接起來就組成一個(gè)電偶對(duì)，由電偶對(duì)可 以構(gòu)成“熱電堆”，將多個(gè)“熱電堆”組合起來，就可以得到更大的溫差，這現(xiàn)象是可逆的兩端 如通電則形成溫差，如兩端保持一定溫差則可發(fā)電。本實(shí)用新型為了溫差發(fā)電模塊的高效集熱和散熱，采用華裔美國(guó)科學(xué)家渠玉芝先 生發(fā)明的無機(jī)熱超導(dǎo)管，該熱管導(dǎo)熱能力經(jīng)美國(guó)斯坦福研究院(SRI)測(cè)試表明，其最高等 效導(dǎo)熱系數(shù)是金屬銀的32500倍，眾所周知。金屬銀是自然界中導(dǎo)熱性能最高的，故其熱阻 趨近零，因而被美稱為熱超導(dǎo)，相對(duì)于電阻趨于零而稱為電超導(dǎo)而得名，將熱超導(dǎo)管用于溫 差發(fā)電模塊兩面的集熱和散熱，使模塊兩面維持較高穩(wěn)定的溫差而提高發(fā)電效率。這一高 科技手段的引入，將使溫差發(fā)電效率顯著提高，另外超高頻無線數(shù)據(jù)傳送技術(shù)的引入，各風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組下面的逆變裝置將同時(shí)收到50ΗΖ同頻同相位的正弦同步信號(hào)，而使并網(wǎng)問題 簡(jiǎn)單解決。這是本發(fā)明實(shí)施時(shí)高效率低成本的重要獨(dú)特措施。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就是充分利用就地自然能源風(fēng)能和太陽能組成綜合互補(bǔ)的局 部電網(wǎng)，為國(guó)家為人民減輕越來越大的能源短缺的壓力，減少環(huán)境污染。因而特別關(guān)注全面 充分高效利用和工程造價(jià)等的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。至于單獨(dú)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成，生產(chǎn)制造、運(yùn)行維護(hù)等，國(guó)內(nèi)外已有很多部 門進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)近百年的研究，可以說已經(jīng)比較完善和成熟，國(guó)外如瑞典挪威等國(guó)是比較出 色的，國(guó)內(nèi)如新疆嘉盛陽光風(fēng)電科技公司，規(guī)模也比較大，已經(jīng)系列化生產(chǎn)，大到單機(jī)30千 瓦的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，其太陽能電站用的是光伏電池發(fā)電，最高達(dá)100KW，造價(jià)是極為昂貴的， 因?yàn)楣夥姵貎r(jià)格極高，例如德州生產(chǎn)的太陽能光伏電池路燈價(jià)格都超過萬元，皇明太陽 能熱水器機(jī)組部份采用了光伏電池組發(fā)電售價(jià)高達(dá)30萬元，這對(duì)推廣應(yīng)用是很不利的。[0011]本實(shí)用新型在太陽能發(fā)電上采用低價(jià)位的溫差發(fā)電，走的是與以上結(jié)構(gòu)完全不同 的技術(shù)路線，當(dāng)然溫差發(fā)電安裝會(huì)麻煩些，但一勞永逸。本發(fā)明的主要內(nèi)容為(1)為適應(yīng)更多的小風(fēng)速地區(qū)使用，采用多點(diǎn)多個(gè)小風(fēng)機(jī)分別發(fā)電，結(jié)合每個(gè)風(fēng)機(jī) 下部地面上安裝的太陽能真空集熱管陣列，將熱集中到溫差發(fā)電片熱面形成對(duì)反面冷面的 地表下泥土層不斷散熱時(shí)的較高溫差，由溫差發(fā)電片發(fā)電，這兩部分電能經(jīng)電壓適配用DC/ DC變換器及串并聯(lián)組合后，對(duì)電二重層電容器Electric double-layer condenser，或儲(chǔ)能 蓄電池充電，最后經(jīng)DC/AC逆變器轉(zhuǎn)換為220伏50周/秒交流，并網(wǎng)組成統(tǒng)一電網(wǎng)。(2)為適應(yīng)小風(fēng)速及低光照時(shí)都能有效利用來發(fā)電，而風(fēng)速和光照強(qiáng)度是隨時(shí)變 化的，變化幅度范圍很大，而對(duì)儲(chǔ)能蓄電池充電必須高于蓄電池端電壓才能充電，因此將風(fēng) 力發(fā)電的不穩(wěn)定(頻率和電壓大小)電壓先整流成直流，經(jīng)“寬輸入電壓范圍(10V-40V)同 步降壓型控制器”如TPS40050之類，輸出整定為25V以上，對(duì)M伏儲(chǔ)能膠體蓄電池充電。 太陽能真空集熱管陣列分為多組，通過熱超導(dǎo)管將熱導(dǎo)至溫差發(fā)電片熱端，而冷端通過熱 超導(dǎo)管將熱導(dǎo)至就地泥土層中的水箱擴(kuò)散至大地，而維持穩(wěn)定溫差。溫差發(fā)電片冷熱兩面 溫差低時(shí)，電壓很低，經(jīng)低輸入(1. 8V-9. 0V)多拓樸結(jié)構(gòu)型高頻PWM控制器(如TPS43000 之類)，多組串并聯(lián)同樣整定為25V以上，對(duì)同一 M伏儲(chǔ)能膠體蓄電池充電。(3)為了組成電網(wǎng)，各路直流電04V蓄電池端電壓)再經(jīng)高精度DC/DC變換器轉(zhuǎn) 換成高穩(wěn)定直流電壓，經(jīng)逆變器逆變?yōu)榉€(wěn)定的交流電壓，按超高頻無線接收機(jī)收到的統(tǒng)一 的50周/秒同步信號(hào)進(jìn)行同步。用無觸點(diǎn)過零觸發(fā)開關(guān)接通和斷開以避免大的瞬態(tài)沖擊。(4)為了維持溫差發(fā)電片兩面較高而穩(wěn)定的溫差，以便發(fā)出較多的電，真空集熱管 收集的太陽輻射(可見光和紅外熱線)的熱量，經(jīng)渠氏無機(jī)熱超導(dǎo)管無阻力無損耗的快速 轉(zhuǎn)移至溫差發(fā)電片熱面，而其冷面必須快速無阻力的散熱，才能使冷面溫升小和維持溫差 穩(wěn)定，為保持較高溫差，故在地表下設(shè)密閉散熱水箱，水箱金屬薄外壁接觸泥土層面積比較 大，便于熱最終快速消失在土層中。溫差發(fā)電片冷面的熱也經(jīng)渠氏無機(jī)熱超導(dǎo)管傳出并直 接伸入到水箱內(nèi)。
為了表述本發(fā)明所述電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成，特通過框圖對(duì)各部件相關(guān)連接作形象說 明。圖1是本發(fā)明互補(bǔ)組合電網(wǎng)的框圖，圖中僅標(biāo)示了兩組風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其下部溫差 發(fā)電陣列的組成，其中兩組的各相同部件標(biāo)號(hào)相同。圖1中，1為吸收太陽能的真空集熱管陣列；2為溫差發(fā)電片冷端對(duì)地層散熱伸至 地面水箱中的熱超導(dǎo)管；3為風(fēng)力永磁發(fā)電機(jī)；4為整流器；5為寬輸入電壓范圍(10V-40V) 同步降壓型控制器DC/DC變換器；6為低輸入(1. 8V-9. 0V)多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)型高頻PWM控制器 DC/DC變換器；7為電二重層電容器或儲(chǔ)能膠體蓄電池；8為高穩(wěn)定度精密直流變換器；9為 直流交流逆變器；10為輸出計(jì)量?jī)x表；11為當(dāng)?shù)刎?fù)載；12為超高頻無線接收機(jī)；13為小型 天線；14為統(tǒng)一電網(wǎng)。
具體實(shí)施方式
為了組成局部電網(wǎng)，首要的是選擇有風(fēng)，空閑地相鄰成片的地區(qū)，以便多設(shè)幾個(gè)風(fēng) 機(jī)，顯然這類地區(qū)大多在窮鄉(xiāng)僻野，也正是電力缺乏地區(qū)，如草原牧區(qū)，高原山區(qū)，河溪沿岸 之類。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備已有成套商品，可直接采購(gòu)，真空集熱管不能用通常太陽能熱水器所用通水的管子，因?yàn)樵谝巴?，冬夏都要工作，要防炸管和冰雹，可根?jù)當(dāng)?shù)貧夂蚣霸靸r(jià)要求， 如選用清華陽光能源公司的速樂管，真空管全部采用硼硅玻璃3. 3為原料，強(qiáng)度大，25mm冰 雹沖擊仍不損壞，特別寒冷地區(qū)也可用更優(yōu)的金剛無水管，采用特有傳熱工質(zhì)傳導(dǎo)熱量，工 質(zhì)的冰點(diǎn)低至零下40°C，真空管全封閉式無水熱循環(huán)，本發(fā)明實(shí)施的關(guān)鍵在于要將真空集 熱管所吸收的太陽光輻射轉(zhuǎn)換成熱能并快速的轉(zhuǎn)移到無機(jī)熱超導(dǎo)管，經(jīng)熱超導(dǎo)管傳至溫差 發(fā)電片熱面，其冷面的熱量又經(jīng)另一組無機(jī)熱超導(dǎo)管傳送至地表層下部水箱中內(nèi)的水中， 水溫升高的同時(shí)又將熱均勻快速傳送至水箱外壁，再由水箱金屬外壁將熱傳至地下泥土層 中。由于高效快速傳熱而維持冷面相對(duì)較低溫升，而使溫差發(fā)電片維持穩(wěn)定溫差以便發(fā)出 較高電壓。寬輸入電壓范圍(10V-40V)同步降壓型控制器及低輸入(1. 8V_9. 0V)多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 型高頻PWM控制器，可用美國(guó)Texas Instruments產(chǎn)品。本發(fā)明的構(gòu)思和實(shí)施都是充分考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，和光伏電池發(fā)電相比，發(fā)同樣 多電，其造價(jià)不到十分之一或更低，是具有前景的應(yīng)該受歡迎的。
權(quán)利要求1.風(fēng)力發(fā)電與太陽能溫差發(fā)電互補(bǔ)組合電網(wǎng)是由多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及下部溫差發(fā)電 陣列組成，其特征為(1)在各風(fēng)力發(fā)電機(jī)組下部鋪設(shè)太陽能真空集熱管陣，用溫差發(fā)電模塊發(fā)電，其模塊冷 端就地散熱至下部泥土層；(2)風(fēng)力發(fā)電的交流電整流后和溫差發(fā)電的直流輸出幅值變化較大，經(jīng)DC/DC控制器 轉(zhuǎn)換穩(wěn)定后都先存儲(chǔ)到電二重層電容器內(nèi)或儲(chǔ)能蓄電池內(nèi)；(3)電二重層電容器或儲(chǔ)能蓄電池的電壓再經(jīng)DC/DC控制器轉(zhuǎn)換為高穩(wěn)定電壓后再經(jīng) DC/AC逆變器轉(zhuǎn)換為交流電壓；(4)統(tǒng)一用各無線接收機(jī)收到的50周/秒正弦信號(hào)去同步各逆變發(fā)生器的頻率和相 位，而組成統(tǒng)一電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述風(fēng)力發(fā)電與太陽能溫差發(fā)電互補(bǔ)組合電網(wǎng)，其特征在于溫差發(fā) 電模塊的熱面和冷面均通過渠氏無機(jī)熱超導(dǎo)管集熱和散熱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述風(fēng)力發(fā)電與太陽能溫差發(fā)電互補(bǔ)組合電網(wǎng)，其特征在于各路電 力傳送是通過無觸點(diǎn)過零接通和斷開的。
專利摘要風(fēng)力發(fā)電與太陽能溫差發(fā)電互補(bǔ)組合電網(wǎng)屬能源利用方法領(lǐng)域是從資源整體全方位去挖掘綜合利用，如從高層次全面來看風(fēng)力發(fā)電所在地大自然給予的能源資源，風(fēng)力是上層空間空氣流動(dòng)所蘊(yùn)含的能量，是相鄰大范圍內(nèi)太陽照射的光和熱所形成。在其周邊閑置的局部地面上，太陽光直接照射的光和熱可用另一方式轉(zhuǎn)換成電能組合到風(fēng)力發(fā)電的電力傳送系統(tǒng)中去，可看作大幅度提高了風(fēng)力發(fā)電的效率，而且在用電時(shí)間，空間利用及各自強(qiáng)弱均衡互補(bǔ)，相輔相成，本實(shí)用新型使用了無機(jī)熱超導(dǎo)技術(shù)，電二重層電容器存儲(chǔ)技術(shù)，無線數(shù)據(jù)傳送調(diào)頻調(diào)相逆變并網(wǎng)技術(shù)，而使多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其下部溫差發(fā)電組成較大規(guī)模電網(wǎng)，為低碳經(jīng)濟(jì)可再生能源充分利用作貢獻(xiàn)。
文檔編號(hào)H02N11/00GK201839017SQ201020558370
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者彭麗娜, 彭映斌, 彭有有, 李文娟, 蔣家飛, 閆化啟 申請(qǐng)人:彭映斌, 閆化啟