CN108884810B - 风塔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风塔(10)，用于向涡轮机输送风流。风塔(10)包括安装在支撑面(14)上的支撑结构(12)及可旋转地安装在支撑结构(12)上且相对于支撑面(14)升高的风进气部16。进气部(16)包括多个延伸在多个面风入口(22)和多个出口(34)之间的内部通道(32)。多个入口(22)定向成同时接收迎面而来的风流W。每个入口(22)通过其中一个通道(32)与其中一个出口34流体连通。风塔(10)还包括用于收集来自多个出口(34)的风流W的输出通道(42)。输出通道(42)与出口(34)流体连通并且从进气部(16)朝向支撑面(14)向下延伸，以将风流W输送到位于或靠近所述支撑面(14)处的涡轮机。

Description

风塔
交叉引用
本申请要求2016年3月21日提交的澳大利亚临时专利申请号2016901049的优先权，可以理解，其公开内容纳入本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种风塔，用于接收和引导风流流向涡轮机。本发明尤其适于接收来自相对高海拔的风流并将风流引导至与发电机相关联的地面涡轮。然而，可以理解，本发明不限于本申请，并且可以用在任何基于风的能量系统中以将风能输送到涡轮机。
背景技术
以下对本发明背景的讨论旨在促进对本发明的理解。然而，可以理解，该讨论不是承认或自认所提及的任何材料是在本申请的优先权日期公布，已知或是公知常识的一部分。
传统的转子式风力涡轮机由于不断推进改进的更新的能量系统而成为值得考虑的研究和投资的焦点。风力涡轮机效率的提高导致大多数发达国家用风能补充其能源供应，而一些国家则从风能中产生大部分(高达40％)的能源需求。
尽管它们相对普及，但基于转子的风力涡轮机涉及许多固有的技术限制。首先，转子和发电机设备必须位于大塔的顶部，在某些情况下超过地面100米以上，进而导致高昂的安装，维护和维修成本。这需要在对可以获得更高风力的较高风力涡轮机的需求与限制与涡轮机高度成正比的持续维护和维修成本的需求之间进行折衷。其次，具有所需长度和较轻重量的转子叶片也必须足够坚固，以承受较大的风力。这些操作需求需要昂贵的材料，进而导致高昂的资金成本。基于转子的风力涡轮机还存在许多环境缺陷，例如，噪音过大以及它们对在转子附近飞行的鸟类造成的危害。
鉴于基于转子的风力涡轮机的上述挑战，已经开发了替代的风力发电系统，称为“风塔”。风塔涉及通过位于地面以上一定高度的进风口接收风，然后将风引导或灌至地面发电机系统。风塔可以方便地接入地面发电机，从而降低安装，维修和维护成本。此外，风塔通常不包括转子叶片，因此降低了噪音并消除了对野生动物的危害。
现有的风塔系统在美国专利299,127中公开，其包括通过垂直通道连接到地面涡轮机的升高的进气口。该升高的进气口可枢转地安装并包括用于将进气口引向迎面而来的风的叶片。在美国专利2,616,506中公开了一种类似的风塔系统，其包括锥形进气口，该锥形进气口通过限制喉部结构连接到锥形出气喷口。风力驱动的涡轮机定位在该喉部内以产生旋转能量。
在美国专利7811048中公开了另一种现有的风塔系统。该风塔包括与地面出口流体连通的升高的进气口。涡轮机位于出口附近并用于为发电机提供动力。进气口包括可调节喷嘴组件，其允许响应于风况的变化调节进气喷嘴的直径。
鉴于不断增长的能量需求，有必要提供替代的风塔设计，其改进现有风塔系统的至少一些方面。
发明内容
根据本发明，提供一种用于向涡轮机输送风流的风塔，包括：支撑结构，刚性地安装到支撑面；风进气部，可旋转地安装到支撑结构并相对于支撑面升高，进气部具有多个内部通道，所述多个内部通道由多个内部间隔物隔开并在多个面风入口和多个出口之间延伸，每个入口通过其中一个通道与其中一个出口流体连通，其中在所述进气部中的所有入口定向成同时接收迎面而来的风流；输出通道用于收集来自多个出口的风流，输出通道与出口流体连通并从进气部朝向支撑面向下延伸，以将风流输送到位于或邻近支撑面的涡轮机。
本发明有利地提供了一种具有改进的进气设计的风塔，其简化了进入的风流并提高了整体效率。具体地，本发明的进气部设有离散的通道，这些通道便于气流流线型地通过进气部。离散通道的设置使得入口和出口的放置能够根据进入的风流的期望路径进行优化。
多个入口是面风的，使得所有入口面向迎面而来的风。也就是说，多个入口定向为同时接收迎面而来的风流。例如，多个面风入口可以定向在相同的方向上，以接收迎面而来的风流。这呈现出优于现有风塔的优点，现有风塔具有多个径向向外指向的进气口，使得在任何时候，至少一些进气口是多余的。有利地，本发明允许在存在风流时利用所有入口。
此外，在某些情况下，本发明提供的效率的提高可以在经济上证明建造更高的风塔能够获得更高的盛行风。尽管使用现有的风塔设计不必产生建造更高风塔的增加的资本支出，但是本发明预期将产生比现有设计更大的功率回报，而在这种程度上，可以使可再生能源基础设施中的更大投资合理化。
在本发明的特定形式中，至少一些通道是非线性的，从而有利地允许从比使用线性通道可获得的更宽范围的入口捕获风流。传统的风塔，例如美国专利7,811,048中的涡轮机进气塔，必须将输出竖管直接定位在进气喷嘴的下游。有利地，在本发明中提供非线性通道允许从直接在输出通道上游的以外的区域捕获风。例如，非线性通道允许入口横向邻近输出通道或甚至在输出通道下游设置，然后通过弯曲通道将风流重新引导至输出通道。在这方面，本发明允许捕获比其他可能的更大量的风。有利地，提供离散的非线性通道便于进气部的构造比可行的传统入口更宽。
在本发明的替代形式中，每个通道可以是线性的。在各个入口和出口之间提供的多个离散的通道仍然代表了对使用单个较大的进气口的现有技术系统的改进。可以理解，直接设置在输出通道上游的入口可以通过线性通道连接到输出通道，而设置在输出通道上游以外的位置的入口可以有利地根据需要利用非线性通道将来自其原始矢量的风流重新引导至输出通道。在本发明的一些形式中，通道可以彼此相邻。在本发明的其他形式中，通道可以与相邻的通道隔开一些边缘。
在本发明的特定形式中，进气部包括与输出通道流体连通的中心孔，且多个出口围绕中心孔的周边分布。在本发明的这种形式中，非线性通道的使用有利地促进了风流通向出口的外围分布。可以理解，围绕中心孔的出口的外围分布是有利的，因为通过进气部接收的风流均匀地分布到输出通道，从而减少了流动收缩，该流动收缩可以导致流动阻力，该流动阻力可以向上游传播并减少风塔效率。在本发明的一个特定实施例中，中心孔呈圆形，且多个出口围绕中心孔周向分布。
在本发明的一些形式中，进气部可包括多个间隔物，多个间隔物在入口和出口之间延伸，多个间隔物限定在其间的多个通道。在这方面，每个通道可以仅由相对薄的间隔物分开，从而使进气部中的通道占据的体积最大化。通道的“宽度”可以定义为相邻间隔物之间的距离。在本发明的一些形式中，进气部可包括较大宽度的较少通道，而在本发明的替代形式中，进气部可包括较大数量的较窄宽度的通道。在本发明的一些形式中，多个间隔物也是可承重的，因此间隔物厚度(及因此其间的通道的间隔)可以是特定间隔物设计承受的负载的函数。在本发明的风塔包括多级进气部的形式中，通道的宽度可以根据承载要求的变化在各级上变化。
进气部可包括：面风进气面，入口设置在该面风进气面上；出口面，出口设置在出口面上，多个间隔物在进气面和出口面之间延伸。在本发明的某些形式中，进气面可以是平面的并且限定二维形状，例如正方形或长方形。在本发明的替代形式中，进气面可以呈曲线状。在本发明的特定形式中，进气面可以成形为鞍形或可以呈正弦形。有利地，曲线状进气面可以提供更加流线型的进气区域，其最小化上游流动中断并最大化进气效率。在本发明的进气部设有圆形中心孔的形式中，上述出口面可以是环形的并由中心孔限定。
入口和出口可以与支撑面等距，使得通道大致水平。在本发明的其他形式中，通道可以相对于水平倾斜。
进气部的可旋转安装允许“偏航”旋转，即围绕大致竖直的轴线旋转，以使进气部根据风向旋转。进气部可包括叶片构件，用于致动进气部的旋转以将入口定向为朝向迎面而来的流入。有利地，可旋转安装的进气部因此可以保持在面风的方位，以最大化风的进气而不管风向的变化。在本发明的某些形式中，叶片构件可以由进气部的尾部限定。尾部可以在进气部的与进气面相对的一侧从进气部向外延伸。在这方面，尾部将在风流方向上定向，从而将进气面朝向迎面而来的流动定位。此外，尾部可有助于进气部的整体空气动力学轮廓，从而减小施加到风塔的空气动力，并随之降低对风塔机械强度的要求。在本发明的一些形式中，进气部的空气动力学中心可以定位在旋转轴线的后面(即，下游)，使得进气部的旋转由行进通过进气部的风致动。因此，在本发明的一些实施例中，进气部可以自动地保持在面风的方位，而不使用单独的叶片构件或尾部。
在一些实施例中，支撑结构可以限定直立柱。在本发明的一个特定实施例中，支撑结构可以限定穿过其中的通道，从而便于维护与进气部的连通。在本发明的某些形式中，连通通道可以延伸到风塔的顶部以便与该处的连通。
本发明的风塔可包括限定输出通道的竖管。在这方面，可以提供竖管，该竖管大致竖直并将风流传送到支撑面。在本发明的替代形式中，多个竖管可共同限定多个输出通道。在本发明的这种形式的一些实施例中，每个出口可以与相应的竖管相关联。在其他替代实施例中，每个出口可由多个竖管服务(即，将风送到多个竖管)。竖管可以延伸穿过支撑结构，或者可选地，位于支撑结构的外部。在本发明的一些形式中，支撑结构和输出通道由单个竖管限定。
在本发明的特定形式中，风塔包括多个风进气部。进气部的布置可以根据尺寸和特定的风塔设计而变化。在本发明的特定形式中，多个进气部具有堆叠构造，使得每个进气部位于相邻进气部上方或下方的一定水平或层级处。进气部的“堆叠”中的每个进气部可以可旋转地安装到支撑结构，或者可选地，安装到相邻的进气部。有利地，提供多个进气部增加了风塔的整体的面风面积，因此增加了风进气量。此外，提供可单独旋转的离散的风进气部允许在风向可相对于高度变化的情况下获得最佳的风进气量。在这方面，风塔的上层处的风进气部可以面向迎面而来的风，该迎迎面而来的风具有与风塔下层处的进气部面向和接收的风不同的方向。
提供多个风进气部也是有利的，因为风塔尺寸可以方便地定制以适应特定的地理位置或其他基础设施要求。在这方面，本发明允许通过安装堆叠在现有进气部上的附加进气部来简单地构造较大的风塔。因此，本发明可以允许风塔以初始数量的风进气部构造和预先操作，并随后在原始进气部上方增加构造的附加进气部。本发明的这个方面有利地促进了现有风塔此前不具有的定制。
入口的尺寸可以根据风塔的尺寸而变化。然而，可以理解，一定程度的风能与间隔物之间的侧摩阻力吸收，因此入口尺寸的增加将减少测摩阻力损失的能量的比例。
根据特定示例，根据本发明的相对小的风塔可包括三个进气部，每个进气部具有三十个入口。总共90个入口的尺寸可以在3cm宽和30cm高(每个入口的0.009m2的面积提供每个进气部0.27m2的总面风面积)到10cm宽和100cm高(每个入口的0.1m2的面积提供每个进气口3m2的总面向风面积)之间。虽然通常希望较大的入口以减少与进气口成比例的侧摩阻力，但是根据特定风塔的尺寸限制，有时优选较小的进气口。根据另一个示例，根据本发明的较大的风塔可包括30m宽和30m高的入口(每个入口的面积为900m2)。然而，入口高度的增加受到结构考虑的限制，因此较大的入口可能需要较厚的间隔物来支撑入口(及处于较高水平处的进气部的质量)。使用铝材料估计的最大入口高度为30米，但是可以理解，如果进气部采用替代且更昂贵的材料(例如钛，碳复合材料等)构造，则可以实现更大的入口尺寸。
可以理解，以“堆叠”布置配置的进气部将固有地包括“最底部”的进气部和“最顶部”的进气部，且可以相应地理解这些术语的指称。
如上所述，在本发明的一些形式中，进气部可相对于彼此旋转并且可相对于支撑结构独立地旋转。在本发明的替代形式中，进气部可以彼此刚性连接并且可以相对于支撑结构相互旋转。本发明的这种形式可适用于预期在风捕捉区域的高度上不会遇到不同的风向的风塔。
在具有多个进气部的本发明的实施例中，可以提供多个竖管，以从多个进气部收集风，每个竖管在相关的风进气部和支撑面之间延伸。在本发明的一些形式中，每个进气部由单个竖管服务。在本发明的替代形式中，每个进气部由多个竖管服务。在本发明的一个特定实施例中，与第一进气部相关联的第一竖管向下延伸到位于第一进气部下方的第二进气部，第一竖管与第二竖管流体连通并将风输送到与第二进气部相关联的第二竖管，使得在使用中第二竖管接受来自第一及第二进气部的风流。有利地，这种布置允许较高进气部的输出被引导至较低进气部的竖管。在这方面，较高进气部的输出将补充较低进气部的输出，并且它们的组合输出将通过第二进气部的竖管向下输送。可以理解，这种布置不仅限于两个进气部，并且可以延伸到任何数量的进气部。在本发明的特定形式中，多个进气部中的最底部的进气部的竖管接收来自多个进气部中的每个其他进气部的风流。
在本发明的一些形式中，每个进气部具有均匀的尺寸。在本发明的替代形式中，多个进气部以堆叠构造布置，并且多个进气部具有不均匀的尺寸，最底部的进气部上方的每个进气部小于紧接着下面的进气部。在本发明的这种形式中，每个连续的进气部的尺寸可以减小，以便提供金字塔形成。在这种形成中，最大进气部是最底部的进气部，最小进气部是最顶部的进气部。有利地，由于随着风塔水平的增加，进气部的质量在减少，本发明的这种形式可能因结构工程原因而是优选的。在本发明的替代形式中，每个进气部可以是相同的尺寸，即具有均匀的尺寸。
可以理解，根据本发明的风塔，类似于现有的风力涡轮机，可以安装在各种支撑面上。支撑面可以是地面。举例来说，支撑面可以是陆基表面，例如围场或空地。或者，支撑面可以是浮动平台，以允许风塔在大海或海洋中工作。在另一替代方案中，支撑面可以是运输工具的表面。在特定示例中，运输工具可以是船。在该示例中，安装在其上的风塔可以将风传递到涡轮机，该涡轮机能够通过水推进船。
本发明的支撑结构可以通过各种替代结构形成。在本发明的一些形式中，支撑结构可以包括细长的支撑构件，例如支撑杆，从支撑面向上延伸。此时，一个或多个进气部可以可旋转地安装到支撑杆上，并且借助于支撑杆的高度升高到支撑面上方。在本发明的替代形式中，其中包括多个堆叠的进气部，最底部的进气部可以刚性地或可旋转地安装到地面，较上部的进气部可旋转地连接到最底部的进气部。在这种情况下，最底部的进气部可以限定用于较上部的进气部的支撑结构。本发明的这种形式可能特别适用于风塔的安装发生在地面平均风速相对较高的区域，例如山顶，或山脉或任何其他多风区域。在本发明的其他形式中，支撑结构可以由基础结构组成，例如金属框架，其既不是进气部也不是支撑杆。
如前所述，输出通道可以由一个或多个竖管限定，竖管从相应的进气部的出口延伸到支撑面。在支撑结构由细长中空支撑杆限定的情况下，竖管可延伸穿过由支撑杆限定的中心通道。本发明的竖管可以是管状，方形，柔性或刚性的，或者具有允许流体通过的任何其他尺寸。
本发明提供了到位于支撑面附近的涡轮机的改进的风力输送。可以理解，与本发明相关的涡轮机可以安装在支撑面上，或者可以在支撑面下方或支撑面上方。在任何情况下，涡轮机通常将“邻近”支撑面定位，以便于安装和维护，这对于传统转子式风力涡轮机(其中涡轮机位于地面上方高位置处)是不可能的。适用于本发明的涡轮机的类型对于本领域技术人员而言通常是已知的，并且可以与合适的发电机相关联，以将从涡轮机的风流中提取的旋转能量转换成电能。
如前所述，在某些情况下，本发明提供的效率的提高可以在经济上证明建造更高的风塔能够获得更高盛行风进入。尽管使用现有的风塔设计不必产生建造高得多的风塔的增加的资本支出，但是本发明预期将产生比现有设计更大的功率回报，而在这种程度上，可以使可再生能源基础设施中的更大投资合理化。较大的风塔的构造也是有利的，因为较大的风塔证明使用较大的发电机是合理的，其通常比较小的发电机更有效。
在一些实施例中，本发明可以包括高大且高输出的风塔，其可以连接到现有电网或连接到位于分开的地理位置的其他大风塔。相比之下，较小的风塔通常适用于低得多的输出，因此通常不能证明大规模风塔电连接系统中涉及的资本支出。
附图说明
为了更全面地理解本发明，现在将参考附图描述一些实施例，其中：
图1是根据本发明第一实施例的风塔的正视图，其包括多个进气部。
图2是图1所示的进气部的俯视剖视图。
图3是图4所示的进气部的前部A处的近俯视图。
图4是图2所示的进气部的俯视图，其示出了竖管布置的第一实施例。
图5是图4所示的竖管布置的正视图。
图6是根据本发明第二实施例的风塔的正视图。
图7是图3、4和5中所示的竖管布置的第二和替代竖管布置的横截面透视图。
图8是根据本发明第三实施例的风塔的正视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明第一实施例的风塔10。风塔10包括支撑结构。该支撑结构包括基座12。基座12安装到包括地面14的支撑面。风塔10包括以“堆叠”形式布置的十五个风进气部16。每个进气部16限定风塔10的单独的层级。十五个进气部16的尺寸不均匀，最底部的进气部18具有最大的宽度，而其余的进气部16的尺寸依次减小，从而形成金字塔形结构。
最底部的进气部18可旋转地安装到基座12，而“堆叠”中的每个后续进气部16通过轴承装置(未示出)可旋转地安装到下面的进气部。在这方面，最底部的进气部18直接连接到基座12，而每个附加的进气部16相对于基座12可旋转地安装，但不直接连接到基座12。在这方面，允许每个进气部16围绕垂直轴线进行独立的旋转运动。这种布置允许每个进气部16旋转以面向迎面而来的风，并且有利地，在风塔10的高度上的风向变化被能够与下进气部16不同地定向的较高进气部16所容纳。
每个进气部16包括从图1中所示的正视图可观察到的多个入口22。每个入口22被间隔物壁分开，这将在下面参考图2进一步详细讨论。入口22的形状为矩形，并且在每个进气部16的底壁24和顶部26之间延伸。每个进气部16还包括在顶壁26和底壁24之间延伸的中心孔28。为了清楚起见，进气口22，顶壁和底壁26,24和中心孔28仅相对于最上面的进气部20标记，然而可以理解每个进气部16包括这些特征。
可以理解，平均风速通常随高度而增加。出于这个原因，风塔的总高度通常代表在提供更大发电潜力的更高高度和另一方面与更高结构相关的增加的资本支出之间的折衷。在这方面，风塔10的最大高度可以根据风塔的预期位置的自然风模式以及项目可用的资金量而变化。风塔10的所示实施例包括高度为30米的进气部16，使得所有十五个进气部的总高度为450米。在所示实施例中，基座12的高度为140米，使得风塔10的总高度为590米。可以理解，根据本发明的风塔的最大高度仅受塔架的结构参数和建筑材料的强度重量比的限制。
请参阅图2，示出了进气部16的俯视剖视图。在该视图中，未示出顶壁26以便露出多个内部间隔物30，在其间限定多个内部通道32延伸在入口22和多个相关的出口34之间。每个入口22通过其中一个通道32与相应的出口34流体连通，并有助于迎面而来的风流W被接收在入口22内，通过通道32传送并输送到出口34。每个出口34围绕中心孔28周向分布。该中心孔28延伸通过进气部16。在这方面，在进气部16的宽度上接收的风流围绕中心孔28均匀分布。此外，可以理解的是，在进气部面风边缘或前部的通道通常是线性的，而外部的通道32是弯曲的，以便将风流重新引导到中心孔28的下游侧。应当注意，进气部16的总宽度大于中心孔28的直径。在这方面，本发明的离散的非线性通道允许风流跨更宽的区域被捕获，并被重定向到中心孔28内的输出通道。输出通道可以由中心孔28限定。在本发明的备选实施例中，输出通道可以由位于孔28内的单独导管限定。在本发明的特定实施例中，输出通道可以由彼此堆叠的多个进气部中的多个中心孔共同限定。
每个进气部16包括进气面36，该进气面36由多个进气口22共同限定。当从图1的正视图观察时，每个进气面36是矩形的。当从图2的俯视图观察时，进气面36是曲线的并且大致为正弦曲线。在通道32的相对端，多个出口34限定了环形出口面，该出口面对应于中心孔28的周边。
每个进气部16包括叶片构件。叶片构件包括尾部38。尾部38从进气部16向后并且从进气部的进气面36的相对侧延伸。当受到风流时，尾部38操作以致动相应的进气部16的旋转，以使进气面36在面风的方向上定向。在这方面，风塔10中的每个进气部16能够响应于风向的变化进行自动定向调节，以便实现通过每个进气面36的最大风流。此外，进气部16的空气动力学中心位于旋转中心的后面(即，下游)，使得行进通过进气部的风流有助于进气部的旋转并有助于使进气部在面风的方向上定向。
如图2所示，通道32是非线性的并且便于流线型流过每个进气部16。每个入口22用作接收由相应通道32引导至相应出口34的迎面而来的风流的一部分的“嘴”。有利地，多个间隔物30促进通过进气部朝向中心孔的流线型风流。
图3示出了进气部16的前部的更近的透视图。间隔物30面风的边缘包括圆形前缘48，其朝向间隔物30的宽度逐渐变细，以便改善通过入口22进入的风流的流线型。间隔物30终止于中心孔28的圆周处，出口34位于该圆周处，出口34共同限定了由图3中的虚线表示的环形出口面37。邻近每个出口34的是相应的竖管。参考图4，可以理解，竖管42具有圆形布置并占据中心孔28的周边，而中心孔28的中心部分保持未被占用。如图1所示，进气部16和中心区域28的尺寸随每个附加的进气部层级而减小。在这方面，图4中所示的中心孔28的未占用区域可以被来自风塔10的上层中的进气部的竖管占据。因此，与图4所示进气部正上方的进气管相关联的竖管可以限定同心圆形布置，该同心圆形布置具有比图4中的竖管42限定的圆形布置略小的半径并且紧邻其布置在其内部。
为了使旋转的内部通道32与固定的竖管42之间能够流体连通，每个竖管42的进气口可以配置有矩形开口(未示出)，该开口邻近出口定位(并具有与出口大致相同的尺寸)。在本发明的一些实施例中，竖管42的数量可以小于出口34的数量。在这种情况下，竖管42的矩形开口的宽度可以相应地大于出口34以容纳来自两个或更多个出口34的风流。
图5中部分地示出了该布置的侧面轮廓，其中示出了一对从每个进气部16向下延伸的竖管42。为了说明的目的，图5仅示出了一对竖管并且仅示出了中心孔28相对侧的竖管。然而，可以理解，每个进气部16实际上具有从每个出口34延伸的竖管42。该竖管布置允许来自每个进气部的每个出口的风流被输送到邻近地面的涡轮机进气口(未示出)。
请参照图6，示出了根据本发明第二实施例的风塔110。风塔110包括以堆叠或分层配置布置的二十六个进气部116。与本发明第一实施例的可独立旋转的进气部相比，进气部116彼此刚性连接，以便相对于支承结构可相互转动，在第二实施例中，支承结构由从地面114延伸的直立支撑柱112构成。
每个进气部116在其他方面等同于第一实施例的进气部16。也就是说，进气部116包括尾部，多个入口，通道和出口(未示出)，以将风输送到中心孔。从进气部116向下延伸穿过支撑柱112的竖管布置(未示出)，用于将风传递到地面114。涡轮机和发电机(未示出)可以位于支撑柱112的基座内，或者可选地，邻近支撑柱112的基座定位。
由于相邻进气部116之间的刚性连接，与第一实施例的风塔10相比，本发明的这个实施例更简单且制造成本更低。尽管如此，风塔110由于如上面所讨论的关于风塔10每个进气部116中的多个入口，通道和出口表示相对于现有风塔的改进。
请参阅图7，示出了三层风塔210的横截面视图，其中示出了内部竖管布置。为简单起见，该图仅限于三层风塔，然而可以理解，这种布置可以应用于具有任何数量的进气部的风塔，包括如上所述的本发明的第一和第二实施例的风塔10或风塔110。
图7提供了风塔210的横截面视图，该风塔210包括安装到支撑结构的三个进气部216，该支撑结构包括安装到包括地面214的支撑面(并从其向上延伸)的直立支撑柱212。这里的三个进气部将被称为上进气部216a，中进气部216b和下进气部216c。上进气部216a，中进气部216b和下进气部216c通过每个进气部216(未示出)内的相应出口输送相应的风力输出Oa，Ob和Oc。三个进气部由支撑柱212和第三竖管242c支撑。在这方面，第三竖管242c具有作为竖管和支撑构件的双重功能。三个进气部216a，216b，216c彼此刚性连接，并且相对于支撑柱212和第三竖管242c可旋转地安装，第三竖管242c借助于下进气部216c骑在第三竖管242c顶上的圆形轨道(未示出)上。
风塔210包括位于上进气部216a内的锥形漏斗构件240，其围绕支撑柱212并且操作以将风力输出Oa向下引导至地面214。第一竖管242a从上进气部216a向下延伸，并限定了用于向下输送风力输出Oa的通道。第二竖管242b从中进气部216b向下延伸，并限定了用于向下输送风力输出Ob的通道。第三竖管242c从下进气部216c向下延伸，并且限定了用于向下输送风力输出Oc的通道。如图7所示，第一竖管242a布置成将输出Oa输送到第二竖管242b的口中。在这方面，通过第二竖管242b的流动包括来自上进气部216a的流动输出Oa以及来自中进气部216b的输出Ob。第二竖管242b的出口布置在第三竖管242c的口内，使得来自第二竖管的流动(即，输出Oa和Ob)与第三竖管242c中的输出Oc相遇。在这方面，所有三个进气部的输出Oa，Ob，Oc通过第三竖管向地面214输送。虽然风塔210是替代在图6所示的二十六层风塔110的三层风塔，可以理解，图7中所示的竖管布置可以用在风塔110中。在这种情况下，图6所示的支撑柱112将对应于图7所示的第三竖管242c。
在图7所示的上述构造中，允许进气部216c，216b和216a相对于支撑柱212和第三竖管242c旋转(借助于第三竖管242c顶部的圆形轨道)。锥形漏斗构件240，第一竖管242a和第二竖管242b分别刚性地连接到上，中和下进气部216a，216b，216c，使得锥形漏斗构件240，第一竖管242a和第二竖管242b也被允许相对于支撑柱212和第三竖管242c旋转。换句话说，允许第二竖管242b在第三竖管242c内旋转，第三竖管242c相对于地面214是静止的。
在替代布置(未示出)中，除了在第三竖管顶上的圆形轨道之外，还包括另外的三个圆形轨道。在该替代方案中，也包括在锥形漏斗构件，第一竖管和第二竖管中的各自顶上的圆形轨道。在该替代配置中，第一，第二和第三竖管以及锥形漏斗构件彼此刚性连接。因此，三个竖管和锥形支撑构件将相对于地面固定，而三个进气部将固定在一起并允许相对于三个竖管，锥形支撑构件，支撑构件和地面旋转。锥形漏斗构件也可以刚性地连接到支撑柱。因此，在静态部件(三个竖管和锥形漏斗构件)与可旋转部件(三个进气部)之间的界面处提供总共四个圆形轨道。
请参阅图8，示出了根据本发明第三实施例的替代风塔310。风塔310包括刚性连接在一起并可旋转地安装到支撑结构的八个进气部316，支撑结构包括圆形轨道312。圆形轨道312刚性地安装到包括山顶314的支撑面。最底部的进气部316经由连接到最底部的进气部316的下侧的凹形轮装置(未示出)可旋转地安装到圆形轨道312，从而便于最底部的进气部316绕圆形轨道312滚动并允许最底部的进气部316(和与其刚性连接的另外七层进气部316)围绕一个中心的垂直轴线旋转。
除了进气部316彼此刚性连接且不包括关于风塔10所示的竖管布置之外，进气部316相当于图2,3,4中所示的进气部16。相比之下，风塔310包括由每个进气部316中的集合中心孔328组成的输出通道。换句话说，每个进气部316的风力输出直接进入中心孔328，中心孔328与进气部316的增大尺寸相关联朝向风塔310的底部变宽。在最底部的进气部316的下方是单个出口管342，其通过山顶314朝向附近且邻近的涡轮机和发电机装置(未示出)延伸。
风塔310还包括维护通道350，维护通道350延伸通过每个中心孔328且便于维护进入每个进气部316。此外，维护通道350提供进入风塔顶部352的入口，在该处考虑到相对较高的高度，可能需要安装无线电或卫星。如图8所示，维护通道350的一部分延伸通过出口342。为了减少出口管342中的空气动力学阻力，维护通道350设置有尾部354，形成流线型轮廓352(以部分俯视图示出)。
如上所述，进气面36大致呈曲线状。然而，在本发明的替代实施例中，进气面可以大致呈平面。在这样的示例中，进气间隔物的圆形前缘48大致在共同平面上对齐。在另一替代方案中，进气面可以布置成“V”形配置。
本发明除了促进风从高海拔通向地面的涡轮机/发电机之外，可以理解的是，由于反向烟囱效应(即冷空气通过竖管向下落到地面)，即使在有轻风或没有风的情况下，也可能发生通过风塔的一定程度的向下空气流。在这方面，本发明的一些实施例可以允许地面和升高的进气部之间的热能差用来发电，而与进气部处的进气风速无关。
本领域技术人员可以理解，除了具体描述的那些之外，本文描述的发明易于进行变型和修改。应当理解，本发明包括落入本发明的构思和范围内的所有这些变型和修改。
在本说明书(包括权利要求)中使用术语“包括”或“包含”，时，它们将被解释为指定所述特征，整数，步骤或组件的存在。但不排除存在一个或多个其他特征，整数，步骤，组件或组合。

Claims (40)

1.一种用于向涡轮机输送风流的风塔，包括：
支撑结构，安装到支撑面；
可堆叠的风进气部，可旋转地安装到所述支撑结构并相对于所述支撑面升高，所述进气部具有中心孔和多个内部通道，所述多个内部通道由多个内部间隔物隔开且在定向成跨所述可堆叠的进气部的宽度同时接收迎面而来的风流的多个面风入口和多个出口之间延伸，每个所述入口通过其中一个所述通道与所述多个出口中的一个流体连通，以及所述出口围绕所述中心孔布置并与所述中心孔流体连通，其中所述中心孔的直径小于所述进气部的总宽度以使跨更宽的区域捕获的风流集中；和
输出通道，用于收集来自所述多个出口的风流，所述输出通道与所述出口流体连通并且从所述进气部朝向所述支撑面向下延伸，以将风流输送到位于或邻近所述支撑面的涡轮机。
2.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，至少一些所述通道是非线性的。
3.根据权利要求1或2所述的风塔，其特征在于，所述多个通道中的通道彼此相邻。
4.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述中心孔呈圆形，且所述多个出口围绕所述中心孔周向分布。
5.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，在所述入口和出口之间延伸的所述多个间隔物呈非线性。
6.根据权利要求4所述的风塔，其特征在于，所述进气部包括面风进气面和出口面，所述入口设置在所述面风进气面上，所述出口设置在所述出口面上，所述多个间隔物在所述进气面与所述出口面之间延伸。
7.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，当从正视图观察时，所述进气面呈正方形。
8.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，当从正视图观察时，所述进气面呈长方形。
9.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，当从正视图观察时，所述进气面呈曲线状。
10.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，所述出口面是由所述中心孔限定的环形。
11.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述入口和出口与所述支撑面等距，且所述通道是大致上水平的。
12.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述进气部包括叶片构件，所述叶片构件用于致动所述进气部的旋转，以将所述入口定向为朝向迎面而来的风流。
13.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述支撑结构限定穿过其中的通道，以便于维护与所述进气部的连通。
14.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述风塔包括限定所述输出通道的竖管。
15.根据权利要求14所述的风塔，其特征在于，所述风塔包括多个竖管，所述多个竖管共同限定所述多个输出通道。
16.根据权利要求15所述的风塔，其特征在于，每个出口与相应的竖管相关联。
17.根据权利要求15或16所述的风塔，其特征在于，所述竖管延伸穿过所述支撑结构。
18.根据权利要求15或16所述的风塔，其特征在于，所述竖管位于所述支撑结构的外部。
19.根据权利要求14所述的风塔，其特征在于，所述支撑结构和所述输出通道由单个竖管限定。
20.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述风塔包括多个风进气部。
21.根据权利要求20所述的风塔，其特征在于，所述多个风进气部具有堆叠构造，使得每个进气部位于相邻的进气部上方或下方的一定水平处。
22.根据权利要求20或21所述的风塔，其特征在于，所述进气部可相对于彼此旋转且可相对于所述支撑结构独立地旋转。
23.根据权利要求20或21所述的风塔，其特征在于，所述进气部彼此刚性连接并且相对于所述支撑结构可相互旋转。
24.根据权利要求20所述的风塔，其特征在于，所述风塔包括用于从所述多个进气部收集风的多个竖管，每个竖管在相关的进气部和所述支撑面之间延伸。
25.根据权利要求24所述的风塔，其特征在于，每个进气部由单个竖管服务。
26.根据权利要求24所述的风塔，其特征在于，每个进气部由多个竖管服务。
27.根据权利要求25或26所述的风塔，其特征在于，与第一进气部相关联的第一竖管向下延伸到位于所述第一进气部下方的第二进气部，所述第一竖管和第二竖管流体连通并将风输送给所述第二竖管，所述第二竖管与第二进气部相关联，使得在使用中，所述第二竖管接收来自第一和第二进气部的风流。
28.根据权利要求27所述的风塔，其特征在于，与所述多个堆叠的进气部中的最底部的进气部相关联的竖管接收来自所述多个进气部中的每个其他进气部的风流。
29.根据权利要求20所述的风塔，其特征在于，所述多个进气部中的每个进气部具有均匀的尺寸。
30.根据权利要求28所述的风塔，其特征在于，所述多个进气部以堆叠构造布置，且所述多个进气部具有不均匀的尺寸，所述最底部的进气部上方的每个进气部小于紧接着下面的所述进气部。
31.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述支撑面为地面。
32.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述支撑面是运输工具上的表面。
33.根据权利要求32所述的风塔，其特征在于，所述运输工具为船。
34.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述多个内部通道呈流线型。
35.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述进气面的轮廓呈流线型。
36.根据权利要求1所述的风塔，其特征在于，所述进气部通常呈风筝状。
37.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，所述进气面包括前缘部，且其中所述进气部包括多个进气口，所述进气口在使用中位于所述前缘部的顺风处。
38.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，所述进气面具有大致呈正弦曲线状的轮廓。
39.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，所述进气部具有呈马蹄状的轮廓。
40.根据权利要求6所述的风塔，其特征在于，所述进气部具有呈半圆形的轮廓。
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