[发明专利]大气梯度温差与人造旋风综合发电的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种可再生能源发电装置，特别涉及一种利用大气对流层梯度温差、梯度压差与人造旋风综合风力发电的装置。

背景技术

当今，利用自然风力发电技术已经比较成熟，在有条件的地区，自然风力发电的机组正在逐年增加，而且已取得可喜的效绩。但是，自然风力发电存在的三大缺陷，即“能量密度低，强度不稳定，地区差别大”，尚未得到有效解决，这就影响了自然风力发电的发展和普及。

那么能否从大气梯度温差与大气梯度压差造成的纵向空气流动过程中获取能量呢？

众所周知，地球表面笼罩着一层厚重的大气，叫做地球大气层。人们根据地球大气运动状况，将其分为5层，其中离地面高度8000m～18000m以内者被称为对流层。对流层大气是如何运动的呢？资料表明：“由于温度的差异，引起地面暖空气上升，高层冷空气下沉，结果形成有组织的垂直(有的地方气团上升，有的地方气团下降)运动，这种现象叫做对流。我们可以设想一个盛水的容器，从底部加热，当水面和水底的温差达到一个临界值时，水中就出现了有组织的升、降运动，即产生了对流。这时，可以把水面看成是由许多等边六边形组成，在每个六边形中，中心的水上升，边沿的水下降。每个六边形圆柱体，称为对流单体，它们是对流体中最基本的单元，许多更复杂的对流运动是由它们组成的。这种形式的对流又叫贝纳(H.Benard)对流。大气中的对流虽然情况更为复杂，但与贝纳对流也有许多相似之处。”(摘自：《航空气象学》---大气对流)

对流层大气运动的主要特点：一是大气温度随高度增加而降低，垂直高度每增加100m，大气温度降低约0.65℃，越往高处，温度越低。二是对流层内空气具有强烈的垂直对流运动，即地面空气因受太阳辐射而加热，体积膨胀，密度相对减小，处于上升状态；而上升到对流层中、上部的空气逐渐变冷，体积减小，密度相对增加，总是处于下降趋势。三是对流层空气密度大，地球大气3/4的空气集中在此层，故风、霜、冰、雪、云、雾、雨、露等发生于这层。

由于大气温差与大气压差的存在，对流层大气随时处于运动状态中。但是一般情况下空气对流的速度很小，上升或下降每秒仅数厘米至十数厘米，达不到获取能量的状态。不过，人们根据大气对流现象发明了烟囱及总结出了“烟囱效应”，这为人类利用对流层大气纵向运动的能源开创了先河并提出了相应的理论。

所谓“烟囱效应”(Stack effect)是指在有共享中庭、竖向通风风道、楼梯间等具有类似烟囱特征——即从底部到顶部具有通畅的流通空间的建筑物、构筑物中，空气靠密度差(温差、压差)的作用，沿着通道很快进行扩散或排出建筑物的现象，即为烟囱效应；或是指户内空气沿着有垂直坡度的空间上升或下降，造成空气加强对流的现象。

目前，利用烟囱效应设计高层建筑、公路隧道等自然通风的实例和相关研究非常之多，是今后绿色环保建筑的发展趋势。但是，利用大气对流产生的烟囱效应获能发电者还为数不多。受德国研究与技术部资助，德国的设计者和建造工程公司Schlaich Bergermann and Partner联同西班牙政府在西班牙马德里南部150km处的Manzanares附近的La Mancha沙漠地区建立了世界上第一座发电功率为50kW的太阳能烟囱实验性电站。电站主要由太阳能烟囱、集热棚和空气涡轮机三部分组成，该电站的烟囱高195m，直径10m，与烟囱相连的集热棚直径240m，其边缘处距地面约2m，中间处距地面8m。该电站自1982年建成投运，至1989年在一场暴风中烟囱被吹垮而停运，共运行了7年。结果表明：发电成本可控制在0.1马克/kW，可靠率超过95％。实验研究结果验证了这种风道式太阳能烟囱发电的构想是可行的，过程中取得的数据为下一步扩大规模的设计提供了依据。