太阳能热气流发电系统技术领域
本发明属于太阳能应用技术领域，尤其涉及一种可再生绿色能源的环保发电装置。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的新型可再生能源，世界能源储量最多的是太阳能，在再生资源中占99.44%。太阳每15min达到地球表面的辐射能量就能满足全世界一年的电力需求，“清洁”的太阳能即时近期急需的补充能源，又是未来能源结构的基础。
中国地处北半球欧亚大陆的东部，属太阳能资源丰富的国家之一。根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明，中国各地的太阳辐射年总量大致在3.35×103-8.40×103 Mj/m2。
太阳辐照度好的地区，也就是根据各地接受太阳总辐射量的多少，可将全国划分为五类地区。这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。尤以西藏西部最为丰富，最高达2333 KWh/ m2。新疆北部。 江西也不错，属于三类，从全国来看，我国是太阳能资源相当丰富的国家，绝大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2天以上，西藏最高达7kWh/m2。
太阳能烟囱发电技术是一项综合应用温室效应技术、烟囱技术以及风力涡轮发电技术于一体的太阳能发电新技术，是实现大规模开发和利用太阳能的一种新的途径。太阳能烟囱系统中气流的速度场和温度场的分布对系统中的能量转换、涡轮转子的输出功率有很大的影响。
太阳能热气流发电技术具有设备运行简单、运行费用低、良好的环境效应等优点，其将成为人类解决能源问题的重要手段之一。
与传统的发电方式比，新型的太阳能热气流发电系统具有结构简单、运行部件少、维修方便、运营成本低廉、无环境污染以及使用周期长等特点。同时，与太阳能光伏发电系统相比，太阳能热气流发电系统还有以下几个特点：
1、昼夜运行稳定：能量密度低、日照波动大是太阳能辐射的基本特征，同样也是人类在大规模开发和利用太阳能时难以逾越的障碍，太阳能光伏发电就是如此。太阳能热气流发电系统中集热棚底部的土壤可以吸收大量的太阳能并将其储存，白天，在太阳光照下，集热棚吸收热量，晚上，土壤储存的热量可以继续向集热棚内的空气传递热量，从而保持系统的持续稳定地发电。
2、发电技术简单：不需要先进的技术，系统的工作介质为空气，无需冷却装置。施工所需材料如玻璃、水泥、钢材等可在当地获得，这一切都大大降低了造价和结构的复杂性，也使得建成后的电站无论在运营上还是维护费用上都 具有很大的优势。
3、改善环境：太阳能热气流发电系统替代相同的火电厂可大量减少CO2、SO2以及氮氧化物的排放。
但是现有的太阳能热气流发电系统任然存在很多问题：
1、现有的太阳能热气流发电系统利用土壤介质作为蓄热层，蓄热容量不够大，因而发电效率并不高。
2、现有的太阳能热气流发电系统，热气流通过烟囱出口直接排放至高空中，一方面对环境造成一定的温室效应，造成系统对热能的利用率不高，降低了系统的发电效率。
3、现有的太阳能热气流发电系统，运行时间久了之后，集热棚表面会附着灰尘等污渍，极大的影响了集热棚清洁度，造成阳光透光率下降，从而影响系统的发电效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种新型的太阳能热气流发电系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种太阳能热气流发电系统，它包括：烟囱、风速计、温度计、余热回收管、相变蓄热材料层、涡轮发电机组和集热棚等；其中，集热棚建在地面上，集热棚底部铺设相变蓄热材料层，烟囱位于集热棚中央，涡轮发电机组安装在烟囱与集热棚的交界处，风速计和温度计固定在烟囱内，两根余热回收管的一端均与烟囱顶部相通，另一端均与集热棚相通。
进一步地，所述集热棚用金属支架支撑，其上铺盖玻璃，玻璃内外表面均通过浸渍提拉法涂覆纳米薄膜；所述纳米薄膜为掺杂铁、镧、铂的二氧化钛膜，其中，摩尔分数分别为，铁：0.2%；镧：0.3%；铂：0.3%。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明采用相变材料代替了传统的土壤作为新型蓄热材料，选用三水醋酸钠、石蜡、高密度聚乙烯/石蜡复合相变蓄热材料三种材料，这三种材料储能密度大，从而实现白天储热量增多、夜晚放热时间延长的效果，最终提高了系统的发电效率；
（2）本发明对集热棚进行了性能上的改进，在集热棚顶部的玻璃表面形成一层纳米膜：用溶胶凝胶法制备掺杂0.1%-0.3%金属元素的纳米二氧化钛溶胶，然后采用浸渍提拉法在玻璃内外表面涂覆制备薄膜。不仅使玻璃表面具有自清洁作用，使它不受空气中尘埃等污染物的影响，同时增加了集热棚对光线的吸收率，大大提高了系统发电的效率；
（3） 本发明对系统的余热进行循环利用，从而对系统发电效率的提高起到一定的辅助作用。
附图说明
图1是本发明太阳能热气流发电系统结构示意图；
图2是集热棚表面结构示意图；
图中，烟囱1、风速计2、温度计3、余热回收管4、相变蓄热材料层5、涡轮发电机组6、地面7、集热棚8、纳米薄膜9。
具体实施方式
如图1所示，本发明太阳能热气流发电系统包括：烟囱1、风速计2、温度计3、余热回收管4、相变蓄热材料层5、涡轮发电机组6和集热棚8。其中，集热棚8建在地面7上，集热棚8底部铺设相变蓄热材料层5，烟囱1位于集热棚8中央，涡轮发电机组6安装在烟囱1与集热棚8的交界处，风速计2和温度计3固定在烟囱1内，两根余热回收管4的一端均与烟囱1顶部相通，另一端均与集热棚8相通。
如图2所示，集热棚8用金属支架支撑，其上铺盖玻璃，玻璃内外表面均通过浸渍提拉法涂覆纳米薄膜9。纳米薄膜为掺杂铁、镧、铂的二氧化钛膜，其中，摩尔分数分别为，铁：0.2%；镧：0.3%；铂：0.3%。
该太阳能热气流发电系统发电原理为：太阳辐射透过集热棚8顶部的玻璃材料照射在相变蓄热材料层5表面上，从而转化为热能，使相变蓄热材料层5表面的温度升高。同时环境空气被源源不断的吸入集热棚8内，相变蓄热材料层5表面一方面与集热棚内的空气进行对流换热，形成空气循环流动，另一方面将热量传递到内部。集热棚8内空气温度升高，密度下降，小于外界环境相同高度处的空气密度，从而形成了压力差，集热棚8中央的烟囱起一个负压管的作用，加大了系统内外的压力差。由于集热棚8内的空间足够大，当集热棚8内空气以较大的速度进入烟囱1底部时，在烟囱1内形成了强烈的气流流动，强烈的上升气流推动烟囱1底部的涡轮发电机组6的涡轮转动，通过发电机最终实现将太阳能转换成电能。
烟囱1顶部安装余热回收管4，从烟囱1里出来的热空气从高空回到集热棚8进口，使系统与环境构成了一个循环过程，从而利用了多余的热量，使该系统的热发电效率更高。而在夜间，温度下降时，利用相变蓄热材料在白天储存的热量，使它在夜间充分释放出来，将热能传递给周围的空气，加热空气，使涡轮发电机组6继续发电，从而最终达到晚上也能发电的目的。面积巨大的相变蓄热材料层5能确保发电机组6一天24h期间的发电量维持相对稳定。
集热棚8建在一块覆有良好相变蓄热材料层5的土地上，集热棚8和地面7有一定间隙，可以让周围空气进入系统。集热棚8底部是用相变蓄热材料层5做成的蓄热层，可克服太阳辐射周期性和间断性的弱点，实现系统发电的连续性与稳定性。集热棚8用金属支架支撑，其上铺盖玻璃，形成一个巨大的太阳能集热器。
本发明的集热棚8由玻璃制成的棚顶和支撑结构组成，与烟囱基础相连接的棚顶与地面间距随烟囱高度增加而增加，通常为2～8 m，距地面越高，则风阻越小。
整个集热棚8实际上就是一个温室，其室内外温差最高可达30℃以上，在烟囱内的上升气流速度可达15m/s。
由于达到地球表面的太阳能辐射密度不高，且受地理位置、昼夜和季节交替等规律性变化的影响，以及受到阴、晴、云、雨等随机因素的制约，其辐射强度不断发生变化，而且具有稀薄性、非连续性和不稳定性。因此为了保证太阳能供热或发电装置稳定不间断的运行，就需要通过储热装置把多余的太阳能储存起来，在太阳能不足时在释放出来，从而满足生产、生活连续、稳定供应的需要，相变蓄热材料即是如此。本发明相变蓄热材料层5的材料可以选用三水醋酸钠、石蜡或高密度聚乙烯/石蜡复合相变蓄热材料。
1、三水醋酸钠（CH3COONa·3H2O)：无色透明晶体，熔点58℃，溶解热264J/g，是一种较好的储能相变材料，用不锈钢容器或者塑料来装。
结晶水合物是通过熔化与凝固过程中放出和吸收结晶水来储热和放热的，其优点在于适用范围广、价格便宜、导热率达、熔化潜热大、体积储能密度大、一般呈中性；缺点是：过冷和相分离现象，可通过加入成核剂与增稠剂解决。
2、石蜡：CnH2n+2，价廉的工业级石蜡没有固定的熔点，只有一个熔化温度范围。
其优点在于：熔解热大，良好的储热性能，毒性小，材料腐蚀性较小，成本低，固体状态时成型性较好，一般不容易出现过冷和相分离现象。
缺点是：相变过程中体积变化大。
3、高密度聚乙烯/石蜡复合相变蓄热材料的制备过程如下：首先采用熔融共混法制备高密度聚乙烯/石蜡相变材料，然后采用原位聚合法对高密度聚乙烯/石蜡相变材料微胶囊进行封装。具体步骤如下：
1）把石蜡和高密度聚乙烯（HDPE）的混合物放入电炉中加热到140℃左右，当混合物全部融化后，搅拌使其混合均匀，空气中降温，高密度聚乙烯首先凝固并形成网状结构，石蜡被束缚其中，这样就形成了均匀的HDPE定形石蜡。石蜡含量在70%-80%之间。
2）取一定量的环氧树脂，加入去离子水，用苯乙烯马来酸酐作为分散乳化剂，在高速分散均质机上以2000r/min的速度均质分散20min，形成O/W型乳化液；取尿素，三聚氰胺，甲醛，以物质的量之比为2：1:4混合用NaOH调节PH=8.5,70℃下反应1h的粘稠透明预聚物，将其与乳化液混合，在600r/min搅拌转速下充分搅拌使高密度聚乙烯/石蜡复合相变材料溶解于乳化液的分散介质水中，分批加入催化剂氯化铵，使体系PH逐渐减小，当相变材料开始沉积到囊芯表面后，加热至65℃，继续包覆并逐渐固化，当PH降低至2.5-3.0时加入80ml热水，保温2h，用NaOH调节PH=7.0，冷却后抽滤、丙酮洗、干燥。由此制成的微胶囊具有表面光洁，不粘连的特点，粒径大约为1.8μm。
复合相变蓄热材料具有以下优点：
（1）由于用微胶囊封装，胶囊壁薄，强化了传热性能，且不存在泄露、结霜、热性能下降等问题；
（2）减少了相变物质与外界环境的反应，提高相变蓄热材料的稳定性；
（3）复合相变蓄热材料为固-固相变，固不存在因相变过程中产生的体积变
化。
由于影响电站运行特性的因素有云遮、空气中的尘埃、集热器的清洁度、相变材料特性、环境风速、大气温度叠层、环境气温以及大棚和烟囱的结构质量。而大气红外辐射对电站的总能量平衡起很重要的作用。在阴天且太阳能为100%散射辐射时，电站仍可在低功率水平下运行。附着在大棚玻璃上的尘土会影响棚顶的清洁度，而尘土覆盖在棚顶上最大影响是降低其透过率12%左右。因此在玻璃表面涂覆具有自清功能的纳米薄膜，能够保持覆盖材料的阳光透过率，使太阳能热气流发电系统的发电效率不受尘土的影响。
本发明在烟囱1顶部安装余热回收管4，从而起到热气流循环利用，达到合理利用余热的问题，从而进一步提高了系统的发电效率。
实施例1
本发明的太阳能热气流发电系统由新型太阳能集热棚、集热型烟囱、石蜡相变蓄热材料层、涡轮发电机组、温度计、风速计、余热回收管等部件组成。
其中，相变蓄热材料层选择石蜡相变蓄热材料，新型太阳能集热棚是通过在集热棚玻璃内外表面形成一层掺有0.2%铁的二氧化钛薄膜达到自清洁效果。具体方法如下：
1、常用石蜡相变材料的熔点为-12～75.9℃，熔解热为150J／g到250J／g，本发明选用上海华申复器材有限公司的高效片石蜡，熔点为56-58℃。
2、在集热棚玻璃内外表面形成掺杂0.2%铁的纳米二氧化钛薄膜。其具体步骤如下：以钛酸四丁酯为原料，按钛酸四丁酯：EtOH:H2O:三乙醇胺 = 10:35.8:0.52:4.40,将钛酸四丁酯溶于无水乙醇，再将少量乙醇与水混合，将适量的Fe(NO3)3的溶液于剧烈搅拌下缓慢滴入上述溶液中，继续搅拌，制备得到掺杂0.2%铁的二氧化钛溶胶，用浸渍提拉法在玻璃内外表面形成厚度为10-250nm的溶胶膜，用过热蒸汽干燥2-3h,以2-4℃的升温速率，升温至在400-500℃下加温固化1-3h；进行钢化处理；用紫外灯对玻璃表面进行光固化，光固化的紫外线波长小于380nm，且照射时间为0.5-2h，光强度在4mw/cm2或以上，从而使纳米膜能长时间保持在激活状态。
实施例2
本发明的太阳能热气流发电系统由新型太阳能集热棚、集热型烟囱、三水醋酸钠相变蓄热材料层、涡轮发电机组、温度计、风速计、余热回收管等部件组成。
其中，相变蓄热材料层选择三水醋酸钠相变蓄热材料，新型太阳能集热棚是通过在集热棚玻璃的内外表面形成一层掺有0.3%镧的二氧化钛薄膜达到自清洁效果。具体方法如下：
1、蓄热材料采用三水醋酸钠，具体配方：92%的三水醋酸钠，5%的Na2HPO4 ·12H2O，3%的羧甲基纤维素(CMC)，过冷度不超过5℃，放热时间较长，是比较好的配比。
具体步骤：将三水醋酸钠、Na2HPO4 ·12H2O（成核剂）、羧甲基纤维素（增稠剂）按92:5:3的比例磨成粉末混合均匀，放入塑料容器中，并插入一根热电偶，放入恒温水浴中，在80℃恒温30min。
2、在集热棚玻璃内外表面形成掺杂0.3%的镧纳米二氧化钛薄膜。其具体步骤如下：以钛酸四丁酯为原料，按钛酸四丁酯：EtOH:H2O:三乙醇胺 = 10:35.8:0.52:4.40,将钛酸四丁酯溶于无水乙醇，再将少量乙醇与水混合，将适量的镧的硝酸盐溶液于剧烈搅拌下缓慢滴入上述溶液中，继续搅拌，制备得到掺杂镧的二氧化钛溶胶，镧的比例为0.3%，用浸渍提拉法在玻璃内外表面形成厚度为10-250nm的溶胶膜，于80℃真空干燥24h,在400-500℃下加温固化1-3h；进行钢化处理；用紫外灯对玻璃表面进行光固化，光固化的紫外线波长小于380nm，且照射时间为0.5-2h，光强度在4mw/cm2或以上，从而使纳米膜能长时间保持在激活状态。
实施例3
本发明的太阳能热气流发电系统由新型太阳能集热棚、集热型烟囱、高密度聚乙烯/石蜡复合相变蓄热材料层、涡轮发电机组、温度计、风速计、余热回收管等部件组成。
其中，相变蓄热材料层选择高密度聚乙烯/石蜡相变蓄热材料复合相变蓄热材料，新型太阳能集热棚是通过在集热棚玻璃的内外表面形成一层掺有0.3%铂的二氧化钛薄膜达到自清洁效果。具体方法如下：
1、复合相变蓄热材料：首先采用熔融共混法制备高密度聚乙烯/石蜡复合相变蓄热材料，然后采用原位聚合法对高密度聚乙烯/石蜡相变材料微胶囊进行封装。具体步骤如下：
1）把石蜡和高密度聚乙烯（HDPE）的混合物放入电炉中加热到140℃左右，当混合物全部融化后，搅拌使其混合均匀，空气中降温，高密度聚乙烯HDPE首先凝固并形成网状结构，石蜡被束缚其中，这样就形成了均匀的HDPE定形石蜡。石蜡含量在70%-80%之间。
2）取一定量的环氧树脂，加入去离子水，用苯乙烯马来酸酐作为分散乳化剂，在高速分散均质机上以2000r/min的速度均质分散20min，形成O/W型乳化液；取尿素，三聚氰胺，甲醛，以物质的量之比为2：1:4混合用NaOH调节PH=8.5,70℃下反应1h的粘稠透明预聚物，将其与乳化液混合，在600r/min搅拌转速下充分搅拌使高密度聚乙烯/石蜡复合相变材料溶解于乳化液的分散介质水中，分批加入催化剂氯化铵，使体系PH逐渐减小，当相变材料开始沉积到囊芯表面后，加热至65℃，继续包覆并逐渐固化，当PH降低至2.5-3.0时加入80ml热水，保温2h，用NaOH调节PH=7.0，冷却后抽滤、丙酮洗、干燥。由此制成的微胶囊具有表面光洁，不粘连的特点，粒径大约为1.8μm。
采用此方法制备的复合相变材料具有以下优点：
1）由于用微胶囊封装，胶囊壁薄，强化了传热性能，且不存在泄露、结霜、热性能下降等问题；
2）减少了相变物质与外界环境的反应，提高相变材料的稳定性；
3）复合相变材料为固-固相变，固不存在因相变过程中产生的体积变化。
2、在玻璃正反表面形成掺杂0.3%铂的纳米二氧化钛薄膜。其具体步骤如下：以钛酸四丁酯为原料，按钛酸四丁酯：EtOH:H2O:三乙醇胺 = 10:35.8:0.52:4.40,将钛酸四丁酯溶于无水乙醇，再将少量乙醇与水混合，将适量的铂的硝酸盐溶液于剧烈搅拌下缓慢滴入上述溶液中，继续搅拌，制备得到掺杂铂的二氧化钛溶胶，用浸渍提拉法法在玻璃内外表面形成厚度为10-250nm的溶胶膜，铂的比例为0.3%，于80℃真空干燥24h,在400-500℃下加温固化1-3h；进行钢化处理；用紫外灯对玻璃表面进行光固化，光固化的紫外线波长小于380nm，且照射时间为0.5-2h，光强度在4mw/cm2或以上，从而使纳米膜能长时间保持在激活状态。
实施例4
本发明采用的参数如下：烟囱直径为8-10m，集热棚直径为80-120m，集热棚高度为3-6m，烟囱高度为100-120m，相变蓄热材料厚度为2-4m。选用压力涡轮发电机为，功率为25KW/台，，可装置3-5台；太阳辐射照度为800-1000w/m2；涡轮机效率为70%-80%，大棚效率设为0.4%-0.6%；外界温度为295K-305K，设计温升30-40K，预期发电功率为60-120KW，通过白天储存的太阳能能量，可满足整个晚上发电。
整个集热棚实际上就是一个温室，其室内外温差最高可达30℃以上，在烟囱内的上升气流速度可达15m/s。
太阳辐射透过集热棚照射在相变蓄热材料层表面上，从而转化为热能，使相变蓄热材料层表面的温度升高。同时环境空气被源源不断的吸入集热棚内，相变蓄热材料层表面一方面与集热棚内的空气进行对流换热，形成空气循环流动，另一方面将热量传递到内部。集热棚内空气温度升高，密度下降，小于外界环境相同高度处的空气密度，从而形成了压力差，烟囱起一个负压管的作用，加大了系统内外的压力差。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内空气以较大的速度进入烟囱底部时，在烟囱内形成了强烈的气流流动，强烈的上升气流推动烟囱底部的涡轮发电机组的涡轮转动，通过发电机最终实现将太阳能转换成电能。
同时烟囱顶部的余热回收管，可将从烟囱里出来的热空气从高空回到集热棚进口，使系统与环境构成了一个循环过程，从而利用了多余的热量，使该系统的热发电效率更高。而在夜间，温度下降时，利用相变蓄热材料在白天储存的热量，使它在夜间充分释放出来，将热能传递给周围的空气，加热空气，使涡轮发电机组继续发电，从而最终达到晚上也能发电的目的。面积巨大的相变蓄热材料层能确保发电机组一天24h期间的发电量维持相对稳定。