多环境风-光-压-温联合发电装置

1.本发明涉及一种发电技术，特别涉及一种多环境风-光-压-温联合发电装置。


背景技术：

2.新能源与化石能源在总能耗中的比例将发生根本性的反转，以煤炭为主的传统能源将逐步被水电、风电、核能和光伏等绿色清洁能源所替代。然而风能、太阳能、水能等并不能连续的提供可靠发电，受实时环境因素制约，如何克服这些清洁能源的随机性、波动性等发电特点已经迫在眉睫。
3.对于风能而言，风力发电机是很好的捕能装置，我国2021年风力发电量站总发电量的比例为8.04％，风力发电占总装机容量已经超过了10％，2021年全世界风力发电增长的电量有65％来自我国新增。但是在无风或微风的环境下，显然这些设备不能充分的利用风能，将无电可发，造成设备的浪费以及电能供给的波动。
4.对于太阳能而言，光伏板是很好的集能装置，我国2021年光伏发电量站总发电量的比例为4％，中国光伏总装机量占全世界的32.7％。但是在阴天以及夜晚环境下，光伏板将失去光电转换的能力，也将无电可发，同样也造成设备的浪费以及电能供给的波动。
5.虽然已有专利给出了风能与太阳能结合的互补发电装置，对于无风或无光的时间段能有较好的互补机制，但是，并不能真正解决清洁能源发电的随机性、波动性等特征，比如夜晚无光无风条件等环境，并不真正适用于多环境因素。


技术实现要素：

6.针对多环境能源利用问题，提出了一种多环境风-光-压-温联合发电装置，利用风能、太阳能、表面压能、浅地表温差能的联合发电装置，能够在多环境中持续地提供电能，特别是在无风、微风、无光等单一补能装置无法正常工作时，满足用户供电需求以及供电可靠性，对传统电网进行补充，对用电削谷平峰提供了新的方式，具有重要的应用价值和经济价值。
7.本发明的技术方案为：一种多环境风-光-压-温联合发电装置，包括一台风力发电机和温差发电装置，温差发电装置包括位于地表的以风力发电机为圆心铺设的圆环形温差发电片阵列，风力发电机的叶片表面铺设柔性太阳能电池板。
8.优选的，所述环形温差发电片阵列中每块温差发电片下面固定连接有地下换热装置。
9.优选的，所述地下换热装置包括重力热管和多个树根状态的吸热翅片，每块温差发电片下面固定连接有埋于地下重力热管，重力热管远离温差发电片的另一端固定连接多个树根状态的吸热翅片。
10.优选的，所述风力发电机的叶片表面的柔性太阳能电池板，在柔性太阳能电池板上还铺设有透明的压电薄膜。
11.优选的，所述柔性太阳能电池板还铺设在风力机立柱外表面和轮毂表面。
12.本发明的有益效果在于：本发明多环境风-光-压-温联合发电装置，结构简单，通过风-光-压-温多能互补联合发电能够使其在任何环境下都可离网发电，满足用户的用电需求，提高能源的利用率和可再生能源发电的稳定性。
附图说明
13.图1为本发明多环境风-光-压-温联合发电装置结构示意图；
14.图2为本发明装置中柔性太阳能电池板铺设结构示意图；
15.图3为本发明装置中温差发电片的地下换热装置示意图；
16.图4为本发明上海与兰州2021全年日均风速图。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
18.如图1所示环境风-光-压-温联合发电装置结构示意图，包括一台风力发电机7和温差发电装置8，温差发电装置8包括位于地表的以风力发电机7为圆心铺设的圆环形温差发电片4阵列。风力发电机7的叶片3表面铺设柔性太阳能电池板。
19.如图2所示柔性太阳能电池板铺设结构示意图，叶片3表面的柔性太阳能电池板2，在柔性太阳能电池板2上还铺设有透明的压电薄膜1。
20.如图3所示温差发电片的地下换热装置示意图，每块温差发电片4下面固定连接有埋于地下重力热管5，重力热管5远离温差发电片4的另一端固定连接多个树根状态的吸热翅片6。重力热管5和多个树根状态的吸热翅片6构成地下换热装置。
21.1、风能发电部分
22.(1)单台风力发电机发电量测算
23.测算基于2021年上海市与兰州市全年风速数据。
24.a、风力发电机选型与参数
25.本发明选择远景能源的en141/2.5型号风力发电机进行发电量测算。跟据江西某风场数据测算，en141/2.5机型在平均风速4.7m/s应用场景下年满发小时数超过1900h，环境友好且安全性高。其主要参数如表1所示：
26.表1
[0027][0028]
b、风速曲线
[0029]
根据上海市与兰州市的2021年每日风速数据，进行数据处理即采用插值(采用的是反距离权重法插值)法，得到全国范围的逐日的平均风速栅格图，然后再基于全国地级市的行政边界数据和风速栅格图，统计出每个地级市的逐日的平均风速数值，并形成两地的每日平均风速曲线如下：
[0030]
c、全年发电量计算
[0031]
根据该风力发电机的基本参数，得到该风力发电机全年发电功率的计算算法，如表2所示风力发电机功率分段计算表：
[0032]
表2
[0033][0034]
风力发电机功率计算公式：
[0035]
p＝1/2ηρπr
2v3
[0036]
其中，η为风能利用率；ρ为空气密度，单位为kg/m3；r为发电机扇叶半径，单位为m；v为风速，单位为m/s。
[0037][0038]
其中，p为风力机实际获得的轴功率，单位为w；s为风轮的扫风面积，单位为m2；v为实际风速，单位为m/s。
[0039]
取空气密度为12.9kg/m3，发电机扇叶半径为68.6m，风轮的扫风面积为15615m2，轴
功率为2600kw。带入数据，则可得到该风力发电机的风能利用率为：
[0040][0041]
将已知数据带入风力发电机功率计算公式中可计算得理论上风力发电机每日发电功率与风速的关系式：
[0042]
p＝0.5
×
0.354
×
1.29
×
π
×
68.62×v3
[0043]
用matlab软件计算出两地的全年风力发电机发电功率。上海市2021年风力发电机全年发电功率为418170kw，兰州市2021年风力发电机全年发电功率为226930kw。
[0044]
因此上海市2021年风力发电机全年发电量为10036080kwh，兰州市发电量为5446320kwh。
[0045]
2、光伏发电部分
[0046]
(1)光伏发电量测算
[0047]
本发明拟在在风力发电机的叶片表面、立柱外侧面以及轮毂表面加装柔性太阳能板，从而实现在风力发电机发电的基础上再利用太阳能的风-光互补发电。
[0048]
a、太阳能板选型与参数
[0049]
柔性太阳能板柔软可任意弯曲，安装方便，适应性强、容易弯曲、重量轻，因此本发明采用柔性太阳能电池板。其参数如表3：
[0050]
表3
[0051][0052]
b、安装面积
[0053]
本发明拟将柔性太阳能薄膜电池板粘贴在风力机立柱外表面、轮毂表面及其叶片表面上，因此需要计算该风力发电机立柱外表面积、叶片表面机以及部分的轮毂表面积。
[0054]
根据资料可得知参考的en-141/2.5mw风力发电机采用的是空心圆锥形分片式全钢塔筒，底部直径为6m，合理估算顶部直径为5m，塔筒高度为150m，因此其外表面积可按圆台侧面积公式计算。塔筒外表面积：
[0055]
s1＝(πr1+πr1)l
[0056]
其中，r1为风力发电机底部半径，单位为m；r1为风力发电机顶部半径，单位为m；l为母线长度，单位为m。
[0057]
需要注意的是，母线长度其中h为塔筒高度。
[0058]
代入数据可得：母线长度即可直接近似为150m。则塔筒外表面积s1＝(3π+2.5π)*150＝4003.5m2。
[0059]
根据资料可知轮毂的直径为4m，将其简化为球形进行面积估算。因轮毂可利用表面积约为其外表面积的一半，所以其可利用部分表面积公式为：
[0060]
s2＝4πr
22
/2
[0061]
其中，r2为轮毂半径，单位为m。
[0062]
带入数据可得此部分面积s2＝25.12m2。
[0063]
根据资料可知叶片长度为68.6m，叶片根部宽约为5m，将叶片表面简化为一个三角形，总共三片叶片。则叶片部分的表面积为：
[0064][0065]
其中，d为叶片根部宽度，单位为m；l1为叶片长度，单位为m。
[0066]
带入数据可得叶片部分表面积s3＝514.5m2。
[0067]
将以上三部分面积累加，即可得到可安装柔性太阳能板的面积s＝4543.12m2。
[0068]
根据风力发电机的可利用表面积和柔性太阳能板的参数，可得到按理想情况全部铺设需要柔性太阳能板块数：考虑到风力机叶片不是规则图形，向下取整，则需要铺设柔性太阳能板约2000块。可得柔性太阳能电池板安装总面积sd＝2000
×
1.996
×
0.992＝3960m2。
[0069]
c、辐照量
[0070]
上海市2021年倾斜表面每月平均日太阳总辐照量(mj/m2·
日)和月日照小时数(h)整理如下表4：
[0071]
表4
[0072][0073][0074]
兰州市2021年倾斜表面每月平均日太阳总辐照量(mj/m2
·
日)和月日照小时数(h)整理如下表5：
[0075]
表5
[0076]
[0077]
由上表可知，上海地区年太阳能辐射总量为4890.115mj/m2，兰州地区年太阳能辐射总量为5725.474mj/m2。
[0078]
d、全年发电量计算
[0079]
太阳能组件发电量计算公式：
[0080]ep
＝ha×
sd×
k1×
k2[0081]
其中,ha为倾斜面太阳能总辐照量，单位为kwh/m2，1mj/m2＝0.28kwh/m2；sd为组建面积总和，单位为m2，数值为组件面积与组件数量的乘积；k1为组件转换效率，数值为组件瓦数/组件面积/10；k2为系统综合效率。
[0082]
需要注意的是，系统的综合效率是考虑了各种因素影响后的修正系数，其中包括了线损、用电等的能量折减，输电线路损失约占总发电量的3％，相应的折减修正系数取为97％。还包括逆变器的折减，逆变器的效率为95％-98％，光伏电池的效率会随着其工作时的温度变化而变化。当它们的温度升高时，光伏组件发电效率会呈降低趋势。一般而言，工作温度损耗平均值为在2.5％左右。但其并不固定，也受到环境温度和组件表面清洁度等的影响，因此，系统综合效率取为80％。
[0083]
组件转换效率k1＝130/1/10＝13％。取系统效率k2＝80％，又1mj/m2＝0.28kwh/m2。则带入数据可计算得上海地区太阳能组件年发电总量：e
sh
＝4890.115
×
0.28
×
3960
×
0.13
×
0.8＝563904.5892kwh
[0084]
兰州地区太阳能组件年发电总量：
[0085]elz
＝5725.474
×
0.28
×
3960
×
0.13
×
0.8＝660234.1794kwh。
[0086]
(2)发电量提升率
[0087]
风-光互补发电和单台风力发电机发电量进行对比，可知加装柔性太阳能板后该装置的年发电量对于兰州和上海两地分别提高了12.1％和5.6％，此提高率也取决于应用地区的风能和太阳能资源丰富程度。
[0088]
3、表面压能发电部分
[0089]
(1)风压能发电量测算
[0090]
本发明拟在柔性太阳能板上再铺设一层透明压电装置。
[0091]
a、压电装置选型与参数
[0092]
本发明拟采用pvdf压电薄膜压力传感器，pvdf薄膜是一种新型高分子压电材料，具有柔性、质量轻、柔韧度高的优点，同时还具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射性、压电性、介电性、热电性，不需要外部电源供电即可工作，产品功耗较低，对本装置来说是十分理想的压电材料。材料参数如表6：
[0093]
表6
[0094][0095]
b、安装数量
[0096]
该压电薄膜需要加装在柔性太阳能薄膜电池板的表面，因此根据所安装柔性太阳能薄膜电池板的面积，可得到按理想情况全部铺设需要pvdf压电薄膜数量：片。考虑到会有边角的损耗，向下取整，则需要铺设pvdf压电薄膜约65000片。
[0097]
c、全年发电量计算
[0098]
压力能：
[0099]
e＝mpw/ρ
[0100]
其中，m为质量，单位为kg；pw为风压，单位为pa；ρ为空气密度，单位为kg/m3。
[0101]
已知该风力发电机切入风速为3m/s，切出风速为20m/s，则在风速低于切入风速以及高于切出风速时，风机不会运转。
[0102]
标准风压公式：
[0103]wp
＝0.5gv2/g
[0104]
其中：g为空气重度，在标准状态(气压为1013hpa，温度为15度)下，空气重度为0.01225kn/m3；g为重力加速度，取9.8m/s2；v为风速，单位为m/s。
[0105]
此外还需要计算出给定截面上的风的质量，可利用风速计算出给定截面积上的空气的质量流量。质量流量计算公式如下：
[0106]
qm＝ρva
[0107]
其中：ρ为空气密度，单位为kg/m3；a为截面积，单位为m2；v为风速，单位为m/s。
[0108]
因来流风向一般都朝一个方向，风力发电机外表面仅部分受压，因此还需计算其迎风面积。因为立柱是一个锥形体，因此其迎风面积即与风速垂直的投影面积为梯形，公式如下：
[0109]s迎风
＝(d1+d2)
×
h/2
[0110]
其中，d1为风力发电机塔筒底部直径，单位为m；d2为风力发电机塔筒顶部直径，单位为m；h为风力发电机塔筒高度，单位为m。
[0111]
因此带入数据可得，s
迎风
＝(6+5)
×
150/2＝825m2。
[0112]
考虑风压损耗等原因，有风压损失：
[0113][0114]
其中，ξ为局部阻力系数；ρ为空气密度，单位为kg/m3；v为平均风速，单位为m/s。
[0115]
已知一台风力发电机叶片的典型阻力系数为0.04，则风压损失约为0.3，因此取转化系数为0.7。则：
[0116]
qm＝ρva/3
×
0.7
[0117]
则可得到压力能公式：e＝qm×
t
×wp
/ρ
[0118]
其中，t为刮风时间，单位为s；e为压力能，单位为kj，1kj＝0.0002778kwh。
[0119]
通过matlab计算可得，兰州地区全年风压能发电量约为595583kwh，上海地区全年风压能发电量约为1618916kwh。
[0120]
(2)发电量提升率
[0121]
和该风力发电机单台发电量进行对比，风-压互补发电的年发电量对于兰州和上
海两地区分别提高了10.9％和16.1％，此提高率取决于应用地区的风能和太阳能资源丰富程度。
[0122]
4、温差能发电部分
[0123]
(1)温差能发电量测算
[0124]
本发明拟采用温差发电片进行发电。
[0125]
a.装置选型与参数
[0126]
在地下安装重力热管，在其底部安装翅片以便更好的吸收热量。在地表安装温差发电片。各部分参数如表7重力热管基本参数、表8吸热翅片基本参数、表9温差发电片基本参数：
[0127]
表7
[0128][0129]
表8
[0130][0131][0132]
表9
[0133][0134]
b、换热深度
[0135]
根据上海市地温长期监测孔实测数据，地表以下至约19m为变温带；深度约19～36m范围为恒温带，地温平均为18.3℃；36m以下为增温带，增温率为3.08℃/100m。
[0136]
根据兰州市兰州市地温长期监测孔实测数据，地表一下至约12m为变温带；深度约12～23m范围为恒温带，地温平均值为15℃。
[0137]
本发明拟将装置设置在地下20m处。
[0138]
c、全年发电量测算
[0139]
已知该型号的温差发电片的输出功率和温差的关系式如下：pr＝1.459
×
10-3
(0.113δt+0.421)2[0140]
其中，pr为温差发电片的输出功率，单位为w；
△
t为冷热端温差，单位为℃。
[0141]
需要注意的是，式中的0.113为该型号温差发电片的效率系数，而0.421为该型号温差发电片的滞后系数，系数会随温差发电片型号的变化而改变。
[0142]
只考虑阳光直射处的理想情况下，取两地的全年平均温差为20摄氏度。带入公式可得温差发电片的发电功率如下所示：
[0143]
pr＝1.459
×
10-3
×
(0.113
×
20+0.421)2＝0.01w
[0144]
即温差为20摄氏度时一片温差发电片一天可发电2.4
×
10-4
kwh，则单片温差发电片一年可发电量约为0.0876kwh。
[0145]
考虑以风力发电机为圆心，在风力发电机周围以小径10m和大径30m构成的圆环区域内安装温差发电片。则此部分占地面积：s
占地
＝πr
大2-πr
小2
[0146]
其中，r
大
为圆环大径，单位为m；r
小
为圆环小径，单位为m。
[0147]
带入数据，可得到s
占地
＝900π-100π＝2512m2。则根据温差发电片的面积尺寸参数可得到所需温差发电片的片数片。考虑到温差发电片安装之间应保有间隙，因此向下取整，得到所需温差发电片的片数为1500000片。通过上文中计算得到的单片温差发电片年发电量，可得150万片温差发电片的年发电量约为131400kwh。
[0148]
(2)发电量提升率
[0149]
和该风力发电机单台发电量进行对比，风-温互补发电的年发电量对于兰州和上海两地区分别提高了2％和1％，此提高率取决于应用地区的低温能资源丰富程度。
[0150]
5、装置发电量及提升率
[0151]
表10为联合发电装置各个部份及总发电量表，表11为联合发电装置各个部份及总发电量提升率，可以看出，由于该装置加装了太阳能发电装置以及风压能发电装置，使得在太阳能资源丰富的地区和风能资源丰富的地区相较于原先的单风力发电机发电来说，发电效率都能获得较大的提升。同时由于有温差能发电装置的存在，使得在无光无风的恶劣条件下，该联合发电装置仍能有所产出。
[0152]
表10表11
[0153][0154][0155]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并
不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种多环境风-光-压-温联合发电装置，其特征在于，包括一台风力发电机和温差发电装置，温差发电装置包括位于地表的以风力发电机为圆心铺设的圆环形温差发电片阵列，风力发电机的叶片表面铺设柔性太阳能电池板。2.根据权利要求1所述多环境风-光-压-温联合发电装置，其特征在于，所述环形温差发电片阵列中每块温差发电片下面固定连接有地下换热装置。3.根据权利要求2所述多环境风-光-压-温联合发电装置，其特征在于，所述地下换热装置包括重力热管和多个树根状态的吸热翅片，每块温差发电片下面固定连接有埋于地下重力热管，重力热管远离温差发电片的另一端固定连接多个树根状态的吸热翅片。4.根据权利要求1、2或3所述多环境风-光-压-温联合发电装置，其特征在于，所述风力发电机的叶片表面的柔性太阳能电池板，在柔性太阳能电池板上还铺设有透明的压电薄膜。5.根据权利要求4所述多环境风-光-压-温联合发电装置，其特征在于，所述柔性太阳能电池板还铺设在风力机立柱外表面和轮毂表面。

技术总结
本发明涉及一种多环境风-光-压-温联合发电装置，包括一台风力发电机和温差发电装置，温差发电装置包括位于地表的以风力发电机为圆心铺设的圆环形温差发电片阵列，风力发电机的叶片表面铺设柔性太阳能电池板。所述环形温差发电片阵列中每块温差发电片下面固定连接有地下换热装置。利用风能、太阳能、表面压能、浅地表温差能的联合发电装置，能够在多环境中持续地提供电能，特别是在无风、微风、无光等单一补能装置无法正常工作时，满足用户供电需求以及供电可靠性，对传统电网进行补充，对用电削谷平峰提供了新的方式，具有重要的应用价值和经济价值。和经济价值。和经济价值。


技术研发人员：黄豪杰 张瑞 庄歆妍 卞叶
受保护的技术使用者：上海理工大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/13