CN102187095A - 具有受保护涡轮机的柱结构 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机系统，包括：涡轮机，所述涡轮机定位成使其叶片在叶片转动过程的至少一部分中暴露于由诸如建筑物或桥形塔的柱形结构加速的流体流的区域。保护性壳体，所述保护性壳体移动以使涡轮机叶片与流体流隔离，由此保护涡轮机不受过功率情况的影响。改装现有建筑物时可以使用上风位和下风位导流罩。涡轮机可以定位在建筑物的相对侧面上。多个涡轮机模块可以沿建筑物外围成一列设置。涡轮机可以安装在诸如浮标的水中结构上。

Description

具有受保护涡轮机的柱结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年8月22日提交的标题为“Fine Arts Innovation”’的美国临时专利申请61/189,950以及2008年11月24日提交的标题为“Column Structure with Protected Turbine”的美国临时专利申请61/193,395的优先权，两份专利申请的公开内容通过参引整体结合入本文。
背景技术
据美国能源部的记载，现代风力驱动发电机诞生于二十世纪七十年代晚期。见美国能源部2008年7月的“20％Wind Energy by 2030”。直至二十世纪七十年代早期，风能仅占有很小的市场份额，为碾磨谷物和泵水提供机械动力，以及为农用电池充电提供电力。除了电池充电器及通过较大发电机的少量实验之外，1850年和甚至1950年的风车与它们源于的原始设备区别很小。当下，风能占美国总发电量的近1％。
如图1中图示的，绝大多数现代风力涡轮机典型地具有安装在60至80米的塔12顶部处的直径为10至80米的三叶片转子10。2006年美国安装的平均涡轮机可以生产近1.6兆瓦的电能。涡轮机功率输出通过在叶片绕转子轮毂11旋转时使叶片10绕其长轴线转动以改变相对于相关风的迎角(斜度)来进行控制。涡轮机通过使机舱13绕塔转动(偏转)而指向风中。涡轮机典型地以30至150台机器的阵列(电厂)的形式安置。斜度控制器调节功率输出及转子速度以防止结构性部件过载。一般地，涡轮机将在风速为约5.36米/秒时开始发电，并在风速为约12.52至13.41米/秒(28至30英里每小时)时达到最大功率输出。在风速为约22.35米/秒(50英里每小时)时，涡轮机将使叶片倾斜或顺流以停止发电及转动。
在二十世纪八十年代，使用来自于其他工业的低成本零件生产机械的方法通常奏效，但是很笨重、维护成本高并且电网友好性差。加利福尼亚风能走廊中使用了小直径机器，大部分为密集布置的阵列，这在乡村环境中很不美观。这些密集布置的阵列通常也阻挡来自邻近涡轮机的风，给下风位机器带来大量的湍流。对由湍流引起的结构性载荷了解很少，导致重要零件的频繁失效及早期失效。结果影响可靠性及可用性。
认为风驱动电能总量的增长将主要使用集中在有利风条件区域中的当前风机发电厂的概念。另一方面，“分布风技术”(DWT)应用指电表客户端的涡轮机安装。从历史的观点说，DWT已经成为小型机的同义词。二十世纪九十年代的DWT市场集中在用于离网家庭的电池充电、远程电信站及国际村电能应用。
再次根据能源部的记载，DWT从历史的观点说成为小型机的同义词，并且使用尾翼进行被动偏转控制的三叶片设计占主导地位。收拢或用机械联动装置使机器斜向一边转向风几乎普遍用于转子超速控制。商业公司的Endurance Windpower供应一种示例性的小型风力涡轮机。根据其2008年的网站描述，收拢在99.9％的时间里是奏效的，但仍不足以保护在安装中的投资。Endurance Windpower的产品包括冗余制动钳以在某些故障及风力情况下使转子停止。此外，网站表述说风力涡轮机必须放置在任意障碍的湍流区的外部。
已经提出了各种其他设计。可以在1978年9月的《Popular Science》的V·Chase的文章《Winners or Losers？Energy Experts Evaluate 13Wind Machines》中找到一些示例。但是，根据能源部的记载，如果风能想为美国总电力需求作出更多贡献而不仅限于几个百分点，风能技术必须继续演进。
发明内容
本发明实施方式的目标是利用过去未能显著利用的可再生能源的资源。本发明的其他目标是：
(i)将发电能力集成到主要目的可能不是获取风能或水能的建筑物及其他结构中；
(ii)通过利用主要目的可能不是获取风能或水能的建筑物固有特性获得发电效率；和
(iii)通过在消费端提供发电能力而减少发电网上的载荷，以及为电网供电。
这些及其他目标通过利用围绕诸如办公室、公寓、桥梁支座、水塔、粮仓及河海船舶结构等主要目的可能不是获取风能或水能的建筑物及其他人造结构的气流及水流来实现。主要为发电而建设的当前的风机发电厂倾向于设置于在自然风很强的区域中的陆地上。相反，绝大多数人造建筑物选址在诸如城市或背风地形的获取风能的次优区域的位置处。围绕这种人造建筑物的条件可能是次优的，但它们可能允许符合可实现的及成本有效的发电。此外，这种结构还倾向于位于或靠近电力消费端，故而在这些位置处发电避免从远处(诸如传统风机发电厂、有机燃料发电厂或核电厂)至使用端的附加传输能力的成本并避免传输中的能量损失。另一方面，人造结构可以设置在诸如河流、潮汐及遭受破坏性风暴及海情的离岸船舶环境的、获取风能或水能已经认为没有吸引力的环境中。可以通过将发电能力集成到为其他目的而建造的结构中来获得额外的成本效益。已经超过其生产寿命的离岸石油平台可以提供船舶环境中的基础。无论如何，一些建造成本已经或将会发生，而边际材料成本减少至诸如风能获取设备、涡轮机、发电机及保护遮罩的发电设备。
一种示例性实施方式是具有设计成使围绕建筑物外围的主风加速的大体空气动力学形状的建筑物。相对于主风具有很大横截面的建筑物在外围提供相当的能量集中，因为其大横截面用作空气动力学障碍及改向装置。空气加速量随着建筑物进入主风的横截面而增大。围绕外围设置的一个或多个涡轮机从加速后的空气中抽取能量并驱动发电机。
过速保护对这种涡轮机提出了挑战。对相对低速的主风条件而定尺寸的涡轮机通常在强风条件下易受影响而损坏。风暴偶尔使风力涡轮机暴露于破坏性条件下，特别是在相对不受保护的船舶环境下。在一种优选的“桨轮”设计中，横向轴线涡轮机定位成部分位于在建筑物空气动力学覆盖区内的凹部中。这种涡轮机的叶片在强风条件下无法容易地被“顺流”用于保护，并且基础结构通过无法收拢以减少风力载荷。设置有可移动遮罩。在“打开”位置，遮罩允许涡轮机最大限度地暴露于绕过结构的空气。在“关闭”位置，遮罩围绕涡轮机的否则将暴露的部分形成保护性遮障。遮罩可以根据风力条件在打开和关闭位置之间移动。
附图说明
参照附图，其图示了由(一位或多位)发明者构想的本发明的优选实施方式。
图1是用于发电的现有技术风力涡轮机的图示。
图2是具有涡轮机的柱结构的立体图，该涡轮机具有处于打开位置的保护性遮罩。
图3是具有涡轮机的柱结构的立体图，该涡轮机具有处于关闭位置的保护性遮罩。
图4是在图2和3中所示的具有涡轮机的柱结构的俯视图，该涡轮机具有处于部分打开位置的保护性遮罩。
图5是在图2和3中所示的具有涡轮机的柱结构的侧视图，该涡轮机具有处于打开位置的保护性遮罩。
图6是在图2和3中所示的柱结构的侧视图，图示了可能的发电机位置。
图7是具有涡轮机的拱形建筑物的图示，涡轮机设置成相对于地面具有变化的轴线方位。
图8是涡轮机/遮罩模块的横截面侧视图。
图9a图示了具有适当的空气动力学特性但没有用于容纳涡轮机的凹部的结构的空气动力学轮廓的俯视平面图。
图9b图示了改装有涡轮机及整流装置的图9a所示的结构的俯视平面图。
具体实施方式
图2是柱结构10的立体图，该柱结构10具有两个横向轴线涡轮机12，这两个横向轴线涡轮机12具有处于打开位置的保护性遮罩(未示出)。此处的“横向轴线”的意思是涡轮机的转动轴线大体垂直于(90°角)撞击在涡轮机上的气流的方向。图示柱结构10大体为长形，并将方位确定成使其长轴线大体指向平行于主流体流14的方向。流体可以是气体(风)或液体(水)，但为了便于解释，将参照风来解释本发明，但这并不意于将本发明限制于气涡轮机。所述柱结构具有位于柱结构侧面上的两个竖向的、部分圆柱形的凹部11，该凹部11容纳横向轴线涡轮机12。柱结构10形成两个涡轮机之间的空气动力学阻碍或障碍，该空气动力学阻碍或障碍使主风14围绕该结构以及在涡轮机12上方改向并加速。加速后的空气使涡轮机12转动。涡轮机的转动可以用于进行有用的工作，优选地用于发电。
涡轮机12的形状大体为桨轮形，叶片16平行于转动轴线在两个端板18之间延伸。涡轮机12绕中心轴线20转动并部分地凹进到柱结构10中，从而叶片16仅在其转动周期的一部分过程中暴露于加速后的空气。在其转动周期的其余部分过程中，柱结构遮蔽叶片并允许叶片在减少的阻力的情况下返回至上风位置。
优选的柱结构除了它们作为空气动力学阻碍及改向装置的作用外，还用于一个或更多功能。例如，柱结构可以是桥梁支座、办公楼、公寓大楼、储水槽、谷粮仓、仓库、竖直浮标或其他具有致使捕获大于仅涡轮机横截面面积的区域的形状的建筑，但不限于此。许多现有建筑具有此特性，不过新建筑可以设计成更有效地将空气动力学功能与其他(一个或多个)功能集成在一起。结构可以是包括方形、圆形、矩形、环形、椭圆形或者甚至不规则形状的任意形状，只要结构使主风绕结构的顶部、侧部或者甚至可能底部的外围加速即可。
至少部分地取决于结构的空气动力学特性，涡轮机可以沿结构的顶部、侧部或者甚至底部的全部或部分长度延伸。对于较小的柱结构，涡轮机可以具有单个转子。对于较大的结构，可以将多个较小的转子叠放或者沿建筑物的外围定位。图7例如示出了具有外拱72的建筑。如下文进一步讨论的，一系列的涡轮机74沿拱72的外部和内部(如果有开放空间)定位。涡轮机可以放置在该结构周围风力条件有利的任意位置。
图3是具有涡轮机12的柱结构10的立体图，该涡轮机12具有处于关闭位置的保护性遮罩30。遮罩30成形为中空圆柱的一部分，诸如完整圆柱的55％。在关闭位置，遮罩30转动至柱结构10的凹部11的外部，在此遮罩30至少部分地遮蔽涡轮机12使其不经受气流。遮罩30安装于柱结构10，并在打开和关闭位置之间转动。在打开位置，遮罩转动至柱结构30的凹部11的内部，这使涡轮机暴露于加速后的空气流中。覆盖的程度将取决于涡轮机12及凹部11的具体构造，优选地围绕涡轮机12的暴露外围延伸，以与凹部11相接，或至少稍稍交叠于凹部11中。但是，覆盖的程度也应当使遮罩30在位于其打开位置时延伸至凹部外的量最小化，以使与气流的干涉最小化。覆盖程度可以小于50％。
图4是具有涡轮机12的柱结构30的俯视图，其中该涡轮机12具有处于部分打开位置的保护性遮罩30。遮罩30可以保持在全开(定位在柱结构凹部内)至全闭(定位成完全覆盖涡轮机延伸到柱结构凹部外的部分)之间的任意位置。控制系统根据风力条件对遮罩进行定位。在弱风至中等风力的情况下，控制系统将遮罩转动至打开位置，以使涡轮机完全暴露于加速后的空气流。当风力增强时，遮罩30关闭以限制涡轮机12暴露于过量风能以防止损坏。主控制模式将使能量输出最大化至限制点。控制也将具有辅助控制模式以在风暴或进行维修时关闭遮罩。
图5是保护性遮罩(未示出)处于打开位置的柱结构30的侧视图。此遮罩位置将涡轮机叶片16暴露于加速后的空气。还可以看见端板18及轴20。涡轮机叶片16优选地安装于端板18，同时在叶片16与轴20之间留有气隙52。
图6是具有涡轮机12及发电机60的柱结构30的侧视图。涡轮机12通过轴62驱动发电机60。发电机及轴的总体放置将是特定于场地的，以将发电机与柱结构的其他(一个或多个)功能集成在一起。例如，在新建办公建筑或居民建筑的情况下，发电机可以设置在建筑物的地下室或下层地下室的高度。对于水上桥梁支座，发电机可以设置在涡轮机上方以避免与防水相关联的成本。作为直接驱动的替代，传动系统可以包括齿轮系统以相对于涡轮机的转速增加或减少发电机转速。传动系统也可以包括离合器以使涡轮机与发电机脱离。
图7是具有涡轮机的拱形建筑物的图示，所述涡轮机设置成相对于地面具有不同的轴线方位。建筑物70是柱结构且具有足够的尺寸以用作空气动力学障碍，以及用于使主风围绕其外围加速。弯曲拱72围绕建筑物70的外围延伸。一系列涡轮机74围绕拱72的外围设置在凹部中，其中保护性遮罩(未示出)处于打开位置，以在加速后的空气绕建筑物70经过时从空气中抽取能量。保护性遮罩可以单独地控制，从而各涡轮机具有与其位置相适应的暴露程度。典型地，风速随着高度而增加。依据建筑物的局部环境，可能靠近建筑物顶部的保护性遮罩将具有高的关闭程度，而靠近基部的保护性遮罩将完全打开。
虽然图7的建筑物示出涡轮机沿拱的整个外围设置，但是涡轮机的构造将是特定于场地的。建筑物外围的一些部分可能没有足够的风力条件以使涡轮机经济运行，在这种情况下涡轮机可仅设置在建筑物上最有利的位置，诸如沿屋顶水平地设置或设置在上部楼层的侧部上。
图8是涡轮机/遮罩模块的横截面侧视图。部件示出为安装在较大结构81的楼层之间的凹部中。横向轴线涡轮机安装成使其叶片82在转动周期的一部分中暴露于围绕凹部80外侧的加速后的空气，而在转动周期的其他部分中被遮蔽而不受加速后的空气影响。设置在凹部80内的发电机83直接连接于涡轮机82，以在涡轮机转动的同时发电。图中示出的构造为示例性的。传动装置可以用于相对于涡轮机转速优化发电机83的转速。发电机包括推力轴承(未示出)以承受涡轮机82的轴向载荷。第二轴承87支撑涡轮机远离发电机83的端部。发电机83及第二轴承87均通过固定柱99或其他安装结构安装于柱结构81。
保护性遮罩84示出为处于关闭位置，这使保护性遮罩84定位成将凹部80隔离。保护性遮罩84连接于两个轴承85并由这两个轴承85支撑。轴承85承受由保护性遮罩84的重量施加的推力(轴向)载荷，同时允许保护性遮罩84从打开位置转动至关闭位置。轴承85还承受作用在保护性遮罩84上的风载荷引起的横向载荷。遮罩马达86通过附连于保护性遮罩84的齿轮88或其他驱动系统在打开和关闭位置之间驱动保护性遮罩。涡轮机82可以可选地包括制动系统(未示出)。
作为对马达驱动的替代，保护性遮罩(相对于主风)的前缘可以包括一个或多个凸出部98、翼板或其他空气动力学表面，它们定位成使作用在(一个或多个)凸出部98上的气流产生倾向于使保护性遮罩84从其打开位置向其关闭位置转动的力。优选地，一个涡轮机的保护性遮罩轴向地(在平行于涡轮机转动轴线的方向上)延伸以与上部楼层及下部楼层上的涡轮机遮罩相接，并且凸出部98设置在保护性遮罩84的外围部分上，从而不与作用在涡轮机82上的气流干涉。在这种实施方式中，一个或多个弹簧(未示出)将保护性遮罩84连接至较大的结构81，从而产生作用在保护性遮罩84上倾向于使保护性遮罩84向打开位置转动的力。弹簧力在与作用在(一个或多个)凸出部98上的风力相反的方向上起作用。(一个或多个)弹簧及(一个或多个)凸出部98选择成使得在风力相对较小的时期(一个或多个)弹簧将保护性遮罩84偏置到打开位置。在风力较大的时期，风作用在凸出部98上并至少部分地关闭保护性遮罩。当风力增强时，关闭的程度也增加，这使保护性遮罩84减少涡轮机82暴露于气流的程度。这又自动调节了暴露的程度并允许涡轮机82在较宽范围的风力条件下继续安全地操作。诸如流体填充或空气填充的减震器的阻尼系统抑制(一个或多个)弹簧及(一个或多个)凸出部98在保护性遮罩上的作用，以减少阵风引起的保护性遮罩84的振动。
图9a和9b图示了改装有涡轮机的现有结构。图9a图示了具有适当的空气动力学特性但没有用于容纳涡轮机的凹部的结构90的轮廓的俯视图。通过示例的方式，结构90可以是桥梁支座。图9b图示了图9a所示结构改装有涡轮机12的俯视平面图。添加了附加整流罩91、92，它们实际上扩宽了桥梁支座的横截面，并允许在新空气动力轮廓内产生凹部区域。前整流罩91提供了屏蔽区域，在该屏蔽区域中涡轮机叶片可以在(相对于没有整流罩时它们将经受的阻力)减小的阻力的情况下返回至上风位置。下风位整流罩92使下风位气流平稳顺畅，并进一步减少涡轮机12上的背压。当风向反转时，上风位整流罩与下风位整流罩92的功能调换。涡轮机12和整流罩91、92的几何形状可以针对主风向进行优化，并且针对在风力情况反转的过程中的可操作性进行平衡。
上文着重描述了风力涡轮机，但它们也可以是用于建在诸如河流、潮汐流及离岸水流的水环境中的结构中的水力涡轮机。例如，桥梁支座可以在桥梁支座使绕其外围的水流加速的地方在水线之上安装有风力涡轮机并且在水线之下安装有水力涡轮机。此外，本文描述的风力涡轮机系统可以有利地安装在船舶、或诸如已经超过其计划使用寿命的石油平台的其他水中平台、或设计成从波浪或水流获取能量的浮标上，其中建立船舶平台的至少部分成本可以归因于除了获取风能以外的功能。
上文描述的实施方式意于为说明性而非限制性的。可以进行各种修改而不脱离本发明的范围。本发明的范围不应当由上文描述限定，而应当仅根据下文权利要求及其等同方案限定。

Claims (20)

1.一种涡轮机系统，包括：
(a)涡轮机，所述涡轮机具有可转动的涡轮机叶片，所述涡轮机定位成使其涡轮机叶片在所述涡轮机叶片的至少一部分转动过程中暴露于由柱形结构加速的流体流的区域；以及
(b)保护性壳体，所述保护性壳体能够移动以使所述涡轮机叶片与所述流体流的区域隔离，由此保护所述涡轮机不受过功率情况的影响。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述柱形结构相对于主风在方位上是固定的。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述柱形结构承受超出所述涡轮机的载荷的载荷。
4.如权利要求1所述的系统，包括安装于所述柱结构的多个涡轮机。
5.如权利要求4所述的系统，其中，至少两个涡轮机大体轴向对齐地安装在所述柱结构的共同侧部上。
6.一种用于与柱结构一起使用的涡轮机系统，包括：
(a)涡轮机，所述涡轮机具有可转动的涡轮机叶片；以及
(b)保护性壳体，所述保护性壳体适于布置成与所述涡轮机成可操作的关系，并适于使所述涡轮机叶片与由柱形结构加速的流体流隔离，由此保护所述涡轮机不受过功率情况的影响。
7.如权利要求6所述的涡轮机系统，其中：
所述涡轮机能够绕第一轴线转动；而
所述保护性壳体能够绕大体与所述第一轴线对齐的轴线转动。
8.如权利要求7所述的系统，还包括用于转动所述保护性壳体的装置，所述用于转动所述保护性壳体的装置使所述保护性壳体从打开位置转动至关闭位置。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述用于转动所述保护性壳体的装置包括驱动马达，所述驱动马达适于布置成与所述保护性壳体成可操作的关系，从而使保护性遮罩绕所述第一轴线转动。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所述用于转动所述保护性壳体的装置包括空气动力学表面，所述空气动力学表面耦联于所述保护性壳体并适于被所述流体流作用。
11.如权利要求8所述的涡轮机系统，其中，所述用于转动所述保护性壳体的装置包括弹簧，所述弹簧适于布置成与所述保护性壳体成可操作的关系以转动所述保护性壳体。
12.如权利要求7所述的涡轮机系统，还包括轴承，所述轴承适于布置成与所述保护性壳体成可操作的关系，以(i)允许遮罩绕所述第一轴线转动，(ii)承受至少等于所述保护性壳体的重量的推力载荷。
13.如权利要求6所述的系统，还包括上游整流罩，所述上游整流罩构造成在安装于所述柱结构上时在所述涡轮机上游阻碍流体流流过所述涡轮机的一部分。
14.如权利要求6所述的系统，其中，所述上游整流罩构造成在安装于所述柱结构上在所述涡轮机上风位使流体相对于所述柱结构加速。
15.如权利要求6所述的系统，还包括下游整流罩，所述下游整流罩构造成在安装在所述柱结构上时在所述涡轮机下风位、在所述涡轮机叶片的转动周期的至少一部分中减小作用在所述涡轮机叶片上的背压。
16.一种涡轮机系统，包括：
(a)第一横向轴线涡轮机，所述第一横向轴线涡轮机具有可转动的涡轮机叶片，所述涡轮机由水中结构支撑并定位成使其涡轮机叶片在所述涡轮机叶片的一部分转动过程中暴露于已经相对于主流加速的流体流的区域；以及
(b)第一保护性壳体，所述第一保护性壳体能够移动以将所述第一涡轮机的涡轮机叶片与流体流的区域隔离，由此保护所述第一涡轮机不受过功率情况的影响。
17.如权利要求16所述的涡轮机系统，还包括：
(c)第二横向轴线涡轮机，所述第二横向轴线涡轮机由所述水中结构支撑，并定位成使其涡轮机叶片在所述涡轮机叶片的一部分转动过程中暴露于已经相对于主流加速的流体流的区域；以及
(d)第二保护性壳体，所述第二保护性壳体能够移动以将所述第二涡轮机的涡轮机叶片与流体流的区域隔离，由此保护所述第二涡轮机不受过功率情况的影响。
18.如权利要求17所述的涡轮机系统，其中，所述水中结构为浮标。
19.如权利要求17所述的系统，其中，所述水中结构设计成从水流中获取能量。
20.如权利要求17所述的系统，其中，所述水中结构设计成从波浪中获取能量。
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