技术领域
[0001] 本实用新型属于新
能源发电技术领域，具体涉及一种联合太阳能烟囱发电、
通风机和H型垂直轴风力机的发电装置。
背景技术
[0002] 随着全球经济的迅速发展，化石
燃料的供应日益紧张，又由于
化石燃料会排放大量有害气体，对生态环境和人们的身体健康产生严重的影响，因此太阳能和
风能作为一种清洁的
可再生能源来利用越来越受到重视。
[0003] 目前已有的单一的太阳能烟囱发电技术由于太阳能的转换效率一般不到1％,而且受
气候和天气影响很大，这种单一的太阳能烟囱发电技术很难大规模商业化，因此将太阳能烟囱发电技术与其他的发电形式相结合是必然的趋势。
[0004] 在现有的风电项目中，由于风的随机性和不可操控性，在风过大或者过小时都无法有效利用，导致现有的风力发电设备年发电小时数低，风能的利用效率不高。因此如何才能获得稳定的风能，是提高风力发电设备效率的关键。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于克服
现有技术中的不足，提供了一种联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置，综合利用太阳能和风能发电，并利用通风机在烟囱内产生
负压，从而提高
太阳能烟囱电站的输出功率，极大地提高了总的发电量。
[0006] 为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置，其特征是，包括集热棚、烟囱、
涡轮机、通风机和风力机，所述集热棚包括盖板、
支架和蓄
热层，位于上层的盖板与位于下层的蓄热层之间通过支架
支撑，盖板与蓄热层形成喇叭状的导流腔，导流腔的外环为其进口，内环为其出口，所述烟囱为竖直中空圆筒，导流腔的出口与烟囱的下端口连通，且在其出口中心处设有所述
涡轮机，烟囱的上端口中心处设有通风机，通风机的上方设有所述风力机，涡轮机、通风机和风力机的旋转中
心轴与烟囱中心轴重合，风力机的
叶片与通风机的叶片连接以带动通风机的叶片转动。
[0007] 进一步的，所述导流腔包括
水平段和过渡段，水平段与过渡段连通成喇叭状的导流腔，过渡段的流道从下往上逐渐变窄，过渡段的上端口与烟囱的下端口连通。
[0008] 进一步的，所述涡轮机为轴流式压力级涡轮发
电机。
[0009] 进一步的，所述通风机为轴流式通风机，所述风力机为H型
垂直轴风力发电机。
[0010] 进一步的，所述风力机的中心
主轴底部与烟囱壁连接，通风机的叶片沿中心轴的圆周均匀分布，风力机的叶片与通风机的叶片刚性连接。
[0011] 进一步的，风力机的叶片数量与通风机的叶片数量相等。
[0012] 与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果是：本实用新型利用集热棚吸收太阳能，通过
对流换热持续加热气流，气流速度增大，利用烟囱效应产生压差，涡轮机利用压差能做功。由于高空中风速较大，顶端垂直轴风力机利用高空自然来风发电，并且带动通风机旋转，通风机能增大烟囱内负压，提高涡轮机输出功率。本实用新型实现太阳能和风能的综合利用，能极大提高总发电量，具有广阔的应用前景。
附图说明
[0013] 图1是本实用新型发电装置的结构示意图。
[0014] 图2是本实用新型发电装置中风力机的俯视图。
[0015] 图3是本实用新型发电装置中涡轮机的俯视图。
[0016] 附图标记：1、集热棚；11、盖板；12、支架；13、蓄热层；2、涡轮机；21、涡轮机
叶轮；22、涡轮机
轮毂；3、烟囱；4、风力机；41、中心主轴；42、风力机叶片；43、
连杆；44、风力机发电组；45、导叶；5、通风机；51、通风机轮毂；52、通风机叶片。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下
实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
[0018] 如图1所示，本实用新型的一种联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置，其特征是，包括集热棚1、烟囱3、涡轮机2、通风机5和风力机4，所述集热棚1包括盖板11、支架12和蓄热层13，位于上层的盖板11与位于下层的蓄热层13之间通过支架12支撑，盖板11与蓄热层13形成喇叭状的导流腔，导流腔的外环为其进口，内环为其出口，所述烟囱3为竖直中空圆筒，导流腔的出口与烟囱3的下端口连通，且在其出口中心处设有所述涡轮机2，烟囱
3的上端口中心处设有通风机5，通风机5的上方设有所述风力机4，涡轮机2、通风机5和风力机4的旋转中心轴与烟囱3中心轴重合，风力机4的叶片与通风机5的叶片连接以带动通风机
5的叶片转动。
[0019] 蓄热层13的材质为蓄热材料，盖板11的材质为透光材料，可以选用玻璃、透光性好的
薄膜，位于上层的盖板11与位于下层的蓄热层13之间通过支架12支撑，集热棚1从外围进口到内侧出口向上倾斜形成喇叭状，即盖板11与蓄热层13形成喇叭状的导流腔，导流腔包括水平段和过渡段，水平段与过渡段连通成喇叭状的导流腔，过渡段的流道从下往上逐渐变窄，过渡段的两侧采用
流体力学求
流线的方法设计。过渡段的上端口与烟囱3的下端口连通，热气流由水平段的入口流入经过渡段的出口流出后，进入烟囱3。
[0020] 涡轮机2为轴流式压力级
涡轮发电机，涡轮机2设置在过渡段的出口中心处，如图1和图3所示，涡轮机2设有6个涡轮机叶轮21，涡轮机叶轮21与烟囱壁之间留有空隙，在安装时，涡轮机轮毂22与烟囱3中心轴重合，以使涡轮机2的旋转中心轴与烟囱3中心轴重合。
[0021] 风力机4为H型垂直轴风力发电机，如图1和图2所示，风力机4包括中心主轴41、风力机叶片42、连杆43和风力机发电组44，中心主轴41的中心线与烟囱3中心线重合，中心主轴41向烟囱3内部延伸通过导叶45与烟囱壁固定，导叶45有导流作用，风力机4包括5个风力机叶片42，沿中心主轴41圆周均匀分布，风力机叶片42的旋转半径与烟囱3半径相同，连杆43与风力机叶片42刚性连接，风力机发电组44安装在中心主轴41的下端。
[0022] 通风机5为轴流式通风机，通风机5包括通风机叶片51和通风机轮毂52，通风机轮毂52设置在中心主轴41的下端，风力机发电组44放置在通风机轮毂52中，通风机轮毂52与中心主轴41一体设置；通风机叶片51数量为5个，通风机叶片51与风力机叶片42一一对应刚性连接，同时作为风力机叶片42下端的连杆，以使通风机叶片51与风力机叶片42一同旋转。
[0023] 本实用新型发电装置的工作原理为，外界空气经集热棚进口流入集热棚1。在白天，集热棚1底部蓄热层13吸收
太阳辐射，
温度大幅升高，流入集热棚1的气流与温度很高的蓄热层13进行对流换热，使气流的温度也逐渐上升。由于集热棚1的半径较大，气流具有较长的加热时间。随着气流温度升高，气流的
密度下降，气流的流速也会随之加快，使外界空气经集热棚进口更快地源源不断地补充进来。到晚上，由于蓄热层13有很强的保温能力，仍能保证装置的继续运行。由于高大的空心圆柱体烟囱3的存在，高大的烟囱3会产生烟囱效应，在烟囱3的底部形成较大的相对压差，因此热气流进入过渡段后会产生明显的压降。再加上过渡段中两侧气流流道急剧变窄，使气流的速度有很明显的加大，在过渡段出口(即烟囱进口)处热气流的速度和压降都达到一个较大的值，所以在此处设置轴流式压力级涡轮机2。上升气流推动涡轮机2的叶片旋转，并带动涡轮机2相应的发电机进行发电。
[0024] 流过涡轮机2的热气流继续沿着烟囱5上升，上升过程中气流的温度逐渐降低，
焓降转
化成为重力
势能，气流的速度稍有下降。然后气流流入轴流式通风机5中，轴流式通风机5向外
加速排出气流。
[0025] 由于高空中风速较大，高空自然风推动烟囱3上方的H型垂直轴风力机4的风力机叶片42旋转，并带动相应风力发电组44进行发电。
[0026] 由于H型垂直轴风力机4的风力机叶片42与通风机5的通风机叶片51刚性连接，在风力机叶片42旋转时带动通风机叶片51一起旋转，使得通风机5正常工作。在通风机5正常工作时能够向外加速排出气流，使烟囱3内部的气压下降，在烟囱3内部形成更大的负压，使得涡轮发电机2的输出功率得到极大提高。
[0027] 下面采用西班牙太阳能电站的
原型尺寸，来对比单一的太阳能烟囱电站和本实用新型联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置的总输出功率。
[0028] 取西班牙原型电站的数据：烟囱高度Hch＝194.6m，烟囱半径Rch＝5.08m，集热棚半径Rcoll＝122m，集热棚入口高度hcoll＝1.85m。
[0029] 同时在对比中取相同的气象条件，平均太阳辐射强度I＝1000W/m2，外界空气温度Ta＝288.15K。下面公式中，ηc为集热棚效率；Cp为空气
比热容，Cp＝1000J/(kg·℃)；ρ为空气密度，假设为定值ρ＝1.225kg/m3；g为
重力加速度，g＝9.81m/s2；η为气流转化效率，取η＝0.4。
[0030] 单一的太阳能烟囱电站的相关数据如下：
[0031] 从集热棚入口到出口温升 其中m为
质量流量，
[0032] 质量流量m＝ρπRch2v，其中v为空气流速，
[0033] 空气流速
[0034] 将上述数据代入以上3个方程，联立以上的方程可解得：
[0035] 温升ΔT＝11.965K,质量流量m＝1249.89kg/s，空气流速v＝12.5915m/s，[0036] 涡轮机处相对压差
[0037] 气流功率P＝ΔP×m/ρa＝95.176kW，
[0038] 输出功率N＝η×P＝38.071kW。
[0039] 本实用新型联合太阳能烟囱、通风机和风力机的发电装置的相关数据如下：
[0040] H型垂直轴风力机有如下设计参数：叶轮直径d＝10m，叶片长l＝15m，额定风速v＝15m/s，额定转速n＝200rpm，
风能利用系数Cp＝0.15。
[0041] 风功率
[0042] H型垂直轴风力机输出功率N′＝CpPw＝37.21kW，
[0043] 轴流式通风机转速与H型垂直轴风机相同n′＝n＝200rpm，风轮直径d′＝d＝10m。6 3
在质量流量m＝1249.89kg/s为一定值的前提下，即风量V＝m×3600/ρa＝3.67×10m/h、n′＝200rpm、d′＝10m的条件下，选取某一种型号的垂直轴轴流式通风机，所得到的负压在
30Pa-40Pa之间，在这里，取负压ΔP′＝35Pa。
[0044] 则输出功率N″＝ηm×(ΔP+ΔP′)/ρa＝52.334kW，相比较单一的太阳能烟囱电站输出功率，提升了14.263kW，提升幅度为37.5％。而发电装置总输出功率Nall＝N′+N″＝89.54kW。
[0045] 由以上数据可以看出本实用新型发电装置极大地提升了太阳能烟囱电站的输出功率，通过太阳能和风能的综合利用，使装置总的发电量得到极大提高。
[0046] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
