CN104169577A - 具有外部竖轴式风力涡轮机的太阳能烟囱 - Google Patents

具有外部竖轴式风力涡轮机的太阳能烟囱 Download PDF

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Abstract

本发明的太阳能烟囱包括具有入口端和出口端的长型腔室，所述腔室限定用于流体例如空气的从入口到出口的路径。腔室中的上升气流驱动连接到发电机或者其它的设备的内部涡轮机。腔室具有大致沙漏构型；腔室的直径随着远离入口端逐渐变小，直到所述直径抵达最小值，然后向着出口端变得逐渐增大。布置在腔室内的是用于通过太阳能和/或风能加热腔室中的空气的一个或多个装置。

Description

具有外部竖轴式风力涡轮机的太阳能烟囱
技术领域
本发明涉及具有外部竖轴式风力涡轮机的太阳能烟囱领域，所述太阳能烟囱具有一组叶片(vane)，该叶片附连到太阳能烟囱的入口下方一点的基底(ground)以捕获(enmesh)环境空气。叶片有助于向着入口导引被捕获的环境空气。
背景技术
现有技术中的太阳能烟囱包括附连到基底的基部。该基部包括允许环境空气流入基部的开口。在基部上方是长型腔室，来自基部的气流通过腔室向上运动。该长型腔室随着远离它的底部而向内倾斜，从而使得向着腔室的出口部分向上流动的风速更高。
向上流动通过烟囱的空气驱动布置在腔室内部的涡轮机。
涡轮机连接到安装在烟囱内部的齿轮箱和发电机。齿轮箱包含连接涡轮机到发电机的齿轮，其中锋利涡轮机的转动产生电力。
布置在腔室内的是用于通过太阳能加热腔室内的空气的装置。位于烟囱中的热交换器通过传热导管连接到位于烟囱外部的太阳能收集器，其中太阳能收集器将热传递到热交换器。
同样位于烟囱中的另一热交换器从腔室外部接收太阳直接辐射。该热交换器接收由透镜收集并通过太阳能烟囱的壁中的开口并碰撞到热交换器上的太阳能。该热交换器用作太阳能收集器和热交换器二者。它接收太阳辐射并将其转变为电力。
辅助燃烧器是非太阳能的热源，其用于太阳能不足的情形。燃烧器可以是气体燃烧器，或者一些其它的传统的热源，其代替太阳能/热交换器将烟囱中的空气加热。
现有技术中的太阳能烟囱包括风能存储系统，其中安装在腔室的出口附近的竖轴式风力涡轮机连接到空气压缩机，其中竖轴式风力涡轮机的转动使得空气压缩机操作，并且其中空气压缩机连接来驱动空气驱动的电机，该电机连接来操作在烟囱内部的在出口端附近的排风涡轮机。
长型腔室的上半部随着远离腔室的最窄部分而向外倾斜，其中风从最窄部分向着腔室顶部的出口端流动。
现有技术的太阳能烟囱如上所述，其中基部包括仅允许环境空气流入基部的开口。但是，在本发明中，太阳能烟囱包括在入口或者基部下面的一组叶片，其中叶片有助于将捕获的环境空气向着入口导引并在烟囱中螺旋向上流动。
发明内容
本发明的太阳能烟囱同样包括在烟囱的出口端的轮环，从而产生对向上流动通过烟囱的空气的额外的抽吸。
本发明的太阳能烟囱进一步包括具有一组叶片的外部环形圆柱罩，其围绕外部竖轴风力涡轮机并形成一系列管，从而导致甚至更高的压力以及风力涡轮机更快的转动。
本发明的太阳能烟囱能够通过将流体用作相变材料而专门存储多余能量。
本发明的具有外部竖轴式风力涡轮机的太阳能烟囱具有一组叶片，该叶片附连到太阳能烟囱的入口下方一点的基底以捕获环境空气。叶片有助于向着入口导引被捕获的环境空气。
太阳能烟囱还优选地包括无轴的外部竖轴式风力涡轮机，其安装来相对于太阳能烟囱并绕太阳能烟囱转动。外部竖轴式风力涡轮机俘获周围环境中的风能。该风能用于产生电力，电力可以与来自内部涡轮机的输出组合，或者它可以存储在风能存储装置中以便以后使用。
周围的与外部竖轴式风力涡轮机同心并大致在同一高度的是另一环形圆柱罩。安装在该外部环形圆柱罩上的是一组叶片，用于重新定向一些风流。外部环形圆柱罩通过偏航角机构直接迎风。
定位在外部环形圆柱罩的盖体上方的是允许已经释放出它的能量的风退出的孔，该盖体成形为以使得在上面流动的风有助于风从竖轴式风力涡轮机叶片通风。
太阳能烟囱包括可膨胀轮环，该轮环向着安装在外部环形圆柱罩上的叶片偏转空气。
太阳能烟囱包括安装在长型腔室的出口端附近的轮环或者一组叶片，从而将吹过的风偏转，从而对向上流动通过烟囱的空气产生额外的抽吸。
本发明具有提供一种太阳能烟囱的主要目的，其中太阳能加热烟囱中的空气，从而产生上升气流，该上升气流可以被约束以执行有用的工作。
本发明具有提供具有在烟囱外部的竖轴式风力涡轮机的太阳能烟囱的进一步的目的，该太阳能烟囱约束在烟囱环境中的风能，其中该能量用于产生电力。
本发明具有提供用于约束太阳能和风以做有用工作的改进的装置。
本发明具有提供用于风和太阳能的存储的进一步的目的。
本发明具有提高太阳能烟囱的效率的进一步的目的。
本领域技术人员将从对下面对附图的简要描述、本发明的详细描述以及所附权利要求的阅读而认识到本发明的其它目的和优点。
附图说明
图1提供部分地示意性形式的侧面立视图，其示出本发明的具有外部竖轴式风力涡轮机的太阳能烟囱；
图2提供附连到基底的一组叶片的顶视图；
图3提供附连到基底的一组叶片的三维视图；
图4提供布置在太阳能烟囱外部周围在外部环形圆柱罩的下方的可膨胀轮环的三维视图；
图5提供布置在太阳能烟囱外部周围在外部环形圆柱罩下方的可膨胀轮环的顶视图；
图6提供具有拱形顶部的外部环形圆柱罩的侧视图；
图7提供外部环形圆柱罩、形成一系列管的叶片、在中间的孔和流入叶片/一系列管的风向的顶视图；
图8提供外部环形圆柱罩以及导风叶片、风偏转器和偏航角机构(yawmechanism)的结构的三维视图；
图9提供烟囱的顶部和在烟囱外部周围的裙状轮环(torus)的侧视图；
图10提供在本发明的可膨胀轮环的顶部的静止圆形轨路的三维视图；
图11提供附连到本发明的太阳能烟囱的发电机的放大视图；
图12提供本发明的定位在烟囱外部的外部竖轴式风力涡轮机的三维视图；
图13提供本发明的定位在烟囱外部的外部竖轴式风力涡轮机的侧视图；
图14提供本发明的定位在烟囱外部的外部竖轴式风力涡轮机的顶视图；
图15是详细示出本发明的电能(来自于风)存储系统的方框图；
图16是详细示出本发明的电能(来自于太阳能热)存储系统的方框图；
图17是示出本发明的能量可用资源的方框图。
具体实施方式
图1提供本发明的太阳能烟囱的部分示意性形式的侧面立视图。太阳能烟囱101安装在基底102上。太阳能烟囱包括置靠基底上或者刚性附连到基底的基部1。图2和图3提供在入口下方一点附连到基底的一组叶片111的顶视图和透视图。叶片111捕获流入基部的环境空气，从而有助于向上流动通过太阳能烟囱，如箭头103所示。
向上流动通过太阳能烟囱的空气驱动涡轮机3，涡轮机3连接到齿轮箱和发电机2。涡轮机和发电机未必是按比例示出的。齿轮箱和发电机可以安装在基部内部或者附近。齿轮箱包含连接涡轮机3到发电机的齿轮(未示出)。发电机可以由需要机械能输入的一些其它设备替换。
如图1所示，本发明的太阳能烟囱具有大致沙漏的构型。也就是，太阳能烟囱的直径减小到窄的咽喉部分4，然后随着向上行进而增大。
太阳能烟囱因此包括具有在图1的底部附近的入口和在图1的顶部附近的出口的长型腔室110，所述腔室限定用于流体例如空气从入口到出口的路径。
在环境温度下被叶片111捕获的空气通过烟囱内的上升气流抽吸到烟囱中，由于由直径不断减小引起的“缩流”效应而向着咽喉4以越来越快的速度向上流动，咽喉包括太阳能烟囱的最窄部分。
从咽喉4的区域出来的空气通过布置在咽喉处或者上方的热交换器(这些交换器如下所述)加热。加热的空气膨胀，空气体积的增大与空气温度的升高成比例。
在太阳能烟囱中的空气通过热交换器6，7和14进行加热。热交换器包括用于通过如方框图15和16所示的太阳能和存储的风和存储的太阳能加热烟囱中的空气的装置。在图1中，热交换器6通过由线106表示的适当的热传递导管连接到外部太阳能收集器105。热交换器7接收太阳能(由线109表示)，所述太阳能是被太阳能收集器107a收集和聚集的太阳辐射。收集的聚集的太阳辐射可以或者可以不通过第二聚集器107b再次聚集。太阳辐射线聚集到它的聚集点即焦点处或附近，太阳辐射线通过在烟囱壁上的孔(附图标记108)而进入烟囱结构中。在进入后，辐射线在膨胀到物件(item)7上之前分叉。太阳辐射在那里转换为热。产生的热由热交换器传递到烟囱内的空气从而加热空气。因此物件7用作烟囱内部的太阳能收集器和热交换器二者。在图1中，热交换器14通过由线206表示的适当的热传递导管连接到外部风力涡轮机蓄能器207。
辅助燃烧器11是传统的非太阳能热源，其用于在特定日子里太阳能或者风能不足的情形。燃烧器11可以是气体燃烧器，吸收热泵系统的冷凝器，或者一些其它传统的热源，其代替太阳能收集器/热交换器6和7或者风能存储器14加热烟囱中的空气。
太阳能烟囱还可包括直接能量转换装置例如光伏装置、热电装置等。这些装置可以是固定的，即附连到叶片或者轮环或者烟囱的外部表面，或者是可移动的。导向到这些装置上的入射辐射可以或者可以不聚集。
图12、13和14
竖轴式风力涡轮机定位在烟囱外部。它在图1和9中位于轮环/叶片15下方。竖轴式风力涡轮机包括两个环形圆柱罩、外部环形圆柱罩8和内部圆柱罩9。两个环形圆柱罩8和9大致在同一高度，彼此同心，并且与烟囱同心。
支撑环形圆柱罩8和9的轮12a允许罩在圆形轨道/轨路5a上自由转动。内部环形圆柱罩9仅在一个方向转动；而外部环形圆柱罩8可以在任一方向转动。倾斜和翻滚通过辊/轮12b和12c减轻。内部圆柱罩9类似于涡轮机的转子。它具有附连到框架93的叶片。框架93在顶部处附连在环形圆柱罩的上内部环和上外部环之间，在底部处附连在环形圆柱罩9的下内部环和下外部环之间。可以是刚性或者柔性的叶片92挂在框架93之间。柔性叶片趋于呈现最适于从风获取能量的构型。从风获取的能量使得整个圆柱罩9即风力涡轮机的转子转动。
图6、7和8
外部环形圆柱罩8具有由平面的凸出形状(ledge)的顶部83的楔形或者1/2回转抛物面。叶片81附连于在顶部的平面凸出部和下方的圆形带82之间，从而形成一系列管。管根据叶片的曲率而不同地弯曲，如图7所示。管在中断侧，即风流向与风力涡轮机9的转动方向相反的那侧，用于重新定向进来的风的流向。重新定向风的流向使得风从后面冲击风力涡轮机叶片92，并推动它。流入随后的管中的风将遇到来自被前面的管已经俘获的风的越来越大的阻力，从而导致更高的压力以及风力涡轮机更快的转动。随着它在转动方向通过最后的管，压力达到最高，转动达到最快。由风导引器87-F，87-S，87-R导引的流过顶部的风使得在孔85周围的区域上的压力降低。在顶部的低的压力允许捕获在风力涡轮机中的更高压的风随着涡轮机向着孔85转动而通风。来自前部的风流的推动以及它在后部即低压区域的强制通风导致比其它方式在孔84周围圆柱罩9的更快的转动。通过涡轮机从风获取的能量用于通过发电机13产生电力。
孔85的数量、形状和尺寸可以变化以便提供最好的通风。
在顶部的外缘边和圆形带82的外缘边之间在外部环形圆柱罩周围布置的是附连的圆筒筛或者帘状物88。帘状物，通常向上卷起，可以被叶片81抽取从而阻挡到竖轴式风力涡轮机8的气流。阻挡到竖轴式风力涡轮机的风流将导致涡轮机停止。然后可以进行修理、翻新。
偏航角机构控制外部环形圆柱罩的方向，从而定向风偏转器87-F到总是迎风的位置。偏航角机构86可以是由风驱动的，或者机械地或者电力地驱动的。
图1、4和5
在外部环形圆柱罩8的下方一点布置在太阳能烟囱外部的是可膨胀的轮环10。轮环在膨胀时形成围绕烟囱的裙状部。否则将冲击到烟囱的侧面的风被向上偏转，从而导致风速增大，该风速可以被竖轴式风力涡轮机作为额外能量而捕获。轮环在不需要时可以缩小。
图1和9
定位在太阳能烟囱的外部和顶部附近的是轮环或者一组叶片15。轮环或者叶片形成烟囱周围的裙状部，用于将风向上偏转，与吹过烟囱的顶部的风混合。在此环境下的压力将比其它情况下更低。在烟囱出口处环境中的压力降低将提供对向上流动通过烟囱的空气的额外的抽吸。
图10
5a表示固定的圆形轨路。该轨路提供用于外部环形圆柱罩8、内部环形圆柱罩9的轮或者辊和轮环10的支撑。轨路5a附连到支架5b并由支架5b支撑，该支架附连到太阳能烟囱的壁。
图10和11
由竖轴式风力涡轮机9俘获的风能使得整个环形圆柱罩壳体即涡轮机转动。在图11中由9表示的整个圆柱罩的转动经由无级传动系统13-1传递到发电机13从而产生电力。发电机13附连到太阳能烟囱的壁。输出控制器30，如图17的方框图所示，确定在那里进行路径控制。在图11中的无级传动系统13-1确保将机械能有效地转换为电能。可以具有超过一个发电机。
图15、16、17
太阳能烟囱具有用于储能的两个系统。一个用于存储电能(来自于风)，另一个用于存储太阳能热。存储能力独立于输出功率。两个系统是模块化的，位于烟囱腔室外部，通过闭环导管连接到烟囱内部的热交换器，热交换器使用单相和/或多相热传递流体。两个系统还可以彼此独立地或者彼此协同地产生电力。物件标号后面的字母表示模块性。
超过需求的从2和13的产生的电力存储在风能存储系统207-lA，B等中，如图15所示。产生量不够时可以从图15中的储能装置207-lA，B中的存储的风能发电机207-2A，B，或者从图16中的太阳能热能存储系统105-2A，B中的存储的太阳能热发电机105-3A，B，或者从二者进行弥补。
图15和图17是详细示出风能/电能存储和取回的方框图。当输出的电能超过需求时，在方框图17中的输出控制器30将多余电力分到207-1A，B等中的电加热器。
图15
在容器207-lA，B中的电热器加热传热流体，从而在该工艺过程中将多余的电能存储。加热过程将一些传热流体转换为蒸汽。该工艺过程可以在高温和/或高压下进行。高温/高压导致高能量密度的传热流体。产生的蒸汽可以用于驱动涡轮机207-2A，2B，从而在需要时产生电力。在驱动涡轮机中释放一些能量后的蒸汽被传送到烟囱101中的热交换器14A，从而将一些热能传递到环境空气。来自207-lA，B的蒸汽还可以直接传送到烟囱101内的热交换器14B，或者传送到涡轮机和热交换器14B二者。传热流体蒸发损失一些热量，冷凝为高温液体或者冷凝物，然后被传送到容器207-3A并存储在容器207-3A中。在容器207-3A中的冷凝物可以被泵送到烟囱101内的热交换器14C，在那里冷凝物的一些热能被传送到烟囱101内的环境空气；由环境空气冷却的传热流体管道输送到容器207-3B，在那里它被泵送到容器207-lA和B中以存储多余的电能，从而再次重复前述工艺。容器207-3A和207-3B可以是相同的或者单独的容器。关键地，液力物理地以及热学地彼此分开。R1表示浮动顶部，其使得更冷和更热的传热流体物理地和热学地分离。R2是更高温度流体的浮动顶部。容器207-3是允许膨胀的自由板。系统的部件是模块化的。系统还可以包括热泵技术以为了预热传热液体。
图16
方框图详细示出了太阳能收集、利用和存储。太阳能通过太阳能收集器105-lA，B，C等收集并存储在存储容器105-2A，B，C等中。太阳能收集、存储容器和机械部件例如涡轮发电机105-3A，B等是模块化的。在烟囱腔室外部，所有部件可以在数量上和/或尺寸上增大，从而允许太阳能烟囱输出的电力相应增大。
太阳能收集器105-1A，B，C等收集太阳辐射，将其转换为热。收集的热然后在压力下和高温下被传递到传热流体，该传热流体然后存储在容器105-2A，B，C等中。在压力和高温下的该传热过程导致将一些传热流体转换为蒸汽。
来自105-2A，B，C等的蒸汽可以被传送到涡轮机105-3A，B，从而产生电力。太阳能收集器和存储系统通过闭环导管连接到在烟囱内部的热交换器。蒸汽在驱动涡轮机中释放一些能量，然后通过导管106A传送到烟囱101内的热交换器6A，进而将热能传递到环境空气。来自105-2A，B，C等的蒸汽还可以直接传送到烟囱101内的热交换器6B，或者传送到涡轮机105-3A，B等和热交换器6B二者。传热流体蒸汽在损失一些热量后冷凝为高温流体或者冷凝物，该冷凝物被传送以存储在容器l05-4A中。冷凝物可以被泵送到烟囱101内的热交换器6C，在那里它传递一些热量到环境空气。容器105-4，105-4A，105-4B可以是相同的或者单独的容器。关键地，液体物理地和热学地彼此分开。冷却的冷凝物传送到容器105-4B，在那里它被泵送以在太阳能收集器105-lA，B，C等中被加热，然后存储在容器105-2A，B，C等中。该系统还可以包括热泵技术以为了预热传热液体。

Claims (12)

1.一种具有外部竖轴式风力涡轮机(101)的太阳能烟囱，包括：
a.基部(1)，该基部被附连到基底(102)，该基部是开口结构、中空的并具有至少一组叶片(111)，该至少一组叶片附连到所述基底以捕获流入到所述基部中的环境空气并帮助向上流动到所述太阳能烟囱；
b.齿轮箱和发电机(2)，该齿轮箱和发电机安装在所述基部的中心处或附件，具有在咽喉部分(4)附近连接到烟囱中的涡轮机(3)的轴；
c.长型腔室(110)，该长型腔室(110)的一部分位于咽喉部分(4)附近/上方，热交换器(6)，(7)和(14)位于该长型腔室上，所述热交换器包括用于通过太阳能和存储的风和存储的太阳能加热烟囱中的空气的装置；
d.热交换器(6)，该热交换器通过热传递导管(106)连接到外部太阳能收集器(105)；
e.热交换器(7)，该热交换器接收通过烟囱壁上的孔(108)进入烟囱结构的太阳能(109)，该孔可以具有或不具有透镜，该太阳能(109)被太阳能收集器(107a)收集和聚集的太阳辐射，并且可以或者可以不被第二聚集器(107b)再次重新聚集；在通过所述孔后，射线在碰撞在热交换器(7)上之前分叉；
f.热交换器(14)，该热交换器通过适当的热传递导管(206)连接到外部风力涡轮机蓄能器(207)；
g.辅助燃烧器(11)，该辅助燃烧器安装在长型腔室(110)中并将用于在特定日子里太阳能或者风能不足的情形；燃烧器(11)可以是气体燃烧器、热泵系统的冷凝器或者其它的传统的热源；
具有如下独特特征：
-竖轴式风力涡轮机定位在烟囱外部、轮环/叶片(15)下方，该轮环/叶片(15)安装在所述长型腔室的出口端附近；所述竖轴式风力涡轮机包括两个环形圆柱罩，所述罩安装在相同高度上，彼此同心并与烟囱同心；
-支撑外部环形圆柱罩(8)和内部环形圆柱罩(9)的轮(12a)允许罩在圆形轨道/轨路(5a)上自由转动；倾斜和翻滚通过辊/轮(12b)和(12c)减轻；
-内部环形圆柱罩(9)具有附连到框架(93)的叶片(92)；框架(93)在顶部附连在内部环形圆柱罩(9)的上内部环和上外部环之间，并在底部附连在内部环形圆柱罩(9)的下内部环和下外部环之间；
-外部环形圆柱罩(8)具有楔形或者由平坦的凸状顶部(83)围绕的1/2回转抛物面；叶片(81)附连于在顶部的平坦凸出部和在下方的圆形带(82)之间，从而形成一系列管；
-定位在顶部(83)上方的是一组孔(85)和风导引件(87-F)，(87-S)，(87-R)；风由所述风导引件导引而在顶部流过导致在孔(85)周围区域的压力下降；
-叶片/偏航角机构(86)控制所述外部环形圆柱罩的方向，从而定向所述风偏转器(87-F)为总是迎风；
-可膨胀的轮环(10)布置在太阳能烟囱(101)外部周围，在外部环形圆柱罩(8)下方；轮环在膨胀时形成围绕烟囱的裙状部，向上偏转风，从而使得风速增大，这能够被所述竖轴式风里涡轮机捕获作为额外的能量；轮环在不需要时可以缩小。
2.如权利要求1所述的太阳能烟囱，其中，轮环/叶片(15)安装在所述长型腔室的顶部的出口端并形成围绕烟囱(101)的裙状部。
3.如权利要求1所述的太阳能烟囱，其中，静止的圆形轨道/轨路(5a)支撑所述外部环形圆柱罩(8)和内部环形圆柱罩(9)的轮/辊和轮环(10)；所述轨路(5a)附连到支架(5b)并由支架(5b)支撑，该支架附连到所述烟囱壁。
4.如权利要求1-3所述的太阳能烟囱，其中，所述内部环形圆柱罩(9)的一部分连接到附连于所述烟囱壁的发电机(13)的无级传动系统(13-1)，从而产生电力。
5.如权利要求1-4所述的太阳能烟囱，其中，由发电机(13)产生的电力经由输出控制器(30)被送到储能系统。
6.如权利要求5所述的太阳能烟囱，进一步包括两个储能系统，一个用于电力存储(来自于风)，另一个用于太阳能热存储，存储能力独立于输出电力。
7.如权利要求1所述的太阳能烟囱，其中，所述内部环形圆柱罩(9)仅在一个方向转动，而所述外部环形圆柱罩(8)可以在任一方向转动。
8.如权利要求1所述的太阳能烟囱，其中，可以为刚性或者柔性的叶片(92)挂在框架(93)之间，所述柔性叶片趋于呈现最适于从风获取能量的构型，从风获取的能量使得整个圆柱罩(9)也就是风力涡轮机的转子转动。
9.如权利要求5所述的太阳能烟囱，其中，输出控制器(30)从发电机(2)、风力涡轮发电机(13)和储能系统(l05-3A，105-3B)，(207-A，207-B)接收电力，并根据需求管理分配。
10.如权利要求1所述的太阳能烟囱，其中，热交换器(7)用作太阳能收集器和烟囱内部的热交换器二者。
11.如权利要求1所述的太阳能烟囱，其中，叶片(111)捕获流入到所述基部中的环境空气；在烟囱的出口端的轮环(15)对通过烟囱向上流动的空气产生额外的抽吸。
12.如权利要求1所述的太阳能烟囱，进一步包括产生电力的涡轮发电机(207-2和105-3)，这两个涡轮发电机是模块化的，并位于烟囱腔室的外部。
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