CN112654783A - 风力涡轮机、热泵、能量存储和热量运输系统和方法 - Google Patents

风力涡轮机、热泵、能量存储和热量运输系统和方法 Download PDF

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斯科特·格雷厄姆
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Abstract

一种浮置热泵系统包括上部结构，该上部结构支撑风力涡轮机和机械地连接至风力涡轮机的至少一个发电机。风力涡轮机的风致旋转使得发电机产生电力。所产生的电力可被供应至电网，或所产生的电力的一部分可用于为也至少部分地由上部结构支撑的热泵供电，以从海洋或另一大型水体提取热量。热量可被存储在可运输的热存储介质中。存储在热存储介质中的热量可用在系统，或远程用于区域性或地域性加热或冷却、工业目的或用以产生电力。

Description

风力涡轮机、热泵、能量存储和热量运输系统和方法
版权声明
本专利文件的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人以其在专利和商标局专利文件或记录中出现的方式对专利文件或专利公开进行传真复制，但是保留其他所有版权。
技术领域
本文公开的实施例涉及海洋热泵和风力涡轮机系统和方法，并且特别地，涉及用于使用远洋风力涡轮机来使热泵运行以从海水提取热能来产生电力的系统和方法，以及存储、运输和使用所提取的热能的系统和方法。
背景技术
在过去的一个世纪中，海洋已存储的热能相当于人类目前总的年能源使用量的125倍还多。这种有据可查的能量积聚至少部分是由于大气变化，包括但不限于温室气体(诸如CO2)浓度的增加。海洋中储存的热能的年增长量超过了社会的年能源使用量的二十倍。结果导致海洋温度总体上升，对环境和社会造成许多潜在的灾难性后果。没有已知的系统可用于有效地收集、运输、减少或使用这种存储的热量。气候变化推动了利用风能源、太阳能源和其他可替代能源的非排放性能源生产的发展。这些清洁能源在风吹时或在阳光照射时有效，但在需要能量时不一定有效。
传统的风力涡轮机发电设施是已知的。大多数风力涡轮机发电设施安装在陆地上，并且不包括用于存储能量的辅助设备。浮置风力涡轮机系统可能会受到安装至传统的船只的大型风力涡轮机固有的不稳定性的限制。因此，大多数定位于海洋的风力涡轮机系统在相对浅的水中安装至海底。
本发明旨在克服上述问题中的一个或多个。
发明内容
本公开涉及从海洋或地下热中收集清洁能量，以及收集风能的改进方法。本公开还描述了从风和/或海洋或地下热中收集的能量的存储，以供根据需要进行使用。本文所公开的某些实施例利用一个或多个风力涡轮机系统来产生电力。一类实施例包括浮置风力涡轮机系统。电力可用于使热泵运行，以从海洋或其他大型水体、陆地或另一热源中提取热量。所提取的热量可通过对热存储介质通电来存储。热存储介质可位于与支撑风力涡轮机系统相同的结构上，位于辅助运输船只上、位于陆上或位于其他地方。在特征在热存储和运输系统的实施例中，运输系统可被拖曳、以其自身的功率驱动，或者以其他方式被运输至选定的位置，以向大或小区域加热和冷却系统、脱盐设备、其他工业设备等供应热能。可替代地，所提取或所存储的热量可用于利用蒸汽驱动的涡轮机/发电机系统、Stirling热发动机驱动的发电机或位于风力涡轮机系统处或远离风力涡轮机系统的另一充热发电设备来产生电力。
某些实施例利用与传统风力涡轮机显著不同的离岸风力涡轮机。某些公开的涡轮机实施例使用集中器将风加速至具有围绕竖直轴旋转的叶片的、高但直径相对较小的Darrieus涡轮机上，所有的Darrieus涡轮机都安装在大型浮置结构上。风中的能量与其速度的立方成比例，因此某些实施例利用高的模块化空间框架塔架结构来达到风以较大的速度最一致地吹动的水平。利用风力涡轮机产生的电力可以以任何方式来使用，但是在某些实施例中用于使用热泵技术从海中收集热量。
本文公开的某些实施例使用热动力发电机组件将从海洋提取的热量转换为电力。例如，其它实施例使用从海洋或其它水体直接提取的热能作为热量，以加热或冷却沿海建筑物或区域。根据国际能源机构(的数据)，由输电网产生和利用的电力中约有50％用于加热或冷却建筑物和水。一些实施例可将从海洋提取的热量用于多种目的，包括但不限于补充发电和直接加热或冷却。
一个具体实施例是热泵系统，该热泵系统包括支撑风力涡轮机的上部结构和机械地连接到风力涡轮机的至少一个发电机。风力涡轮机的风致旋转使得发电机产生电力。所产生的电力可用于任意目的，但是在一个实施例中，电力的一部分用于为热泵或补充加热设备供电，该热泵或辅助加热设备也至少部分地由上部结构支撑。
上部结构可以可选地由多个互连的空间框架模块来制造。在一些实施例中，上部结构可包括基部部分；以及塔架部分，其从基部部分向上延伸。上部结构可以是浮置的上部结构，并且在该情况下，与热泵连通的热源是大洋海水、海水、湖水或其它大型水体。可替代地，上部结构可以是陆基的，并且与热泵连通的热源是地下的。
在浮置热泵实施例中，上部结构可被浮力系统支撑。浮力系统可包括：多个支腿中的一些或全部，其从基部向下悬垂；多个浮筒，其附接至与基部相对的多个支腿；一个或多个抗倾翻环，其与至少一个支腿相关联；或一个或多个补充浮力箱，其可操作地与基部相关联。上部结构、支腿、多个浮筒、抗倾翻环或补充浮力箱中的一些可由石墨烯复合材料来制造。
某些系统实施例还包括由上部结构支撑的风力涡轮机阵列。可选地，系统实施例可包括可操作地定位在风力涡轮机阵列的逆风处的风力集中器阵列。一个或多个风力集中器可在平面图中具有楔形轮廓，并且风力涡轮机阵列的每个风力涡轮机定位为与如下喉部相邻：该喉部由相邻的集中器的顺风侧限定。风力集中器阵列中的一些风力集中器可由石墨烯复合材料来制造。
实施例还可包括由上部结构支撑的翼帆阵列。翼帆可具有翼型轮廓并且在涡轮机和上部结构上提供与风致阻力相反的前向力。翼帆阵列中的一些或全部翼帆可由石墨烯复合材料来制造。
包括热泵的系统实施例的热泵可利用任意热泵技术(例如传统热泵或Stirling热泵)来实施。任意提供的热泵通常将包括与热泵热连通并且还与热存储材料热连通的热回路热交换器。热存储材料可以是相变材料。热存储材料可以是盐。在一些实施例中，热回路热交换器定位在可运输的容器内，该可运输的容器可定位在运输机上，该运输机能分开地移动远离热泵。
可替代实施例包括产生电力、从热源提取热量、存储热能、存储电能或势能以及使用所公开的设备运输热能的方法。
附图说明
通过参考说明书的其余部分和附图，可实现对特定实施例的性质和优点的进一步理解，其中，相似的附图标记用于指代相似的部件。在某些情况下，子标签与附图标记相关联以表示多个相似部件中的一个。当在没有说明现有子标签的情况下参考附图标记时，意在指代所有这样的多个相似部件。
图1是表示如本文所公开的海洋热泵的框图。
图2是海洋热泵系统的一个实施例的等轴测视图。
图3是图2的海洋热泵系统的正视图。
图4是图2的海洋热泵系统的平面图。
图5是成排的涡轮机模块的等轴测视图。
图6是图5的成排的涡轮机模块的正视图。
图7是图5的成排的涡轮机模块的平面图。
图8是涡轮机模块的等轴测视图。
图9是图8的涡轮机模块的正视图。
图10是图8的涡轮机模块的平面图。
图11是涡轮机/发电机系统的等轴测视图。
图12是可替代的涡轮机/发电机系统的等轴测视图。
图13是成排的翼帆的等轴测视图。
图14是图13的成排的翼帆的正视图。
图15是图13的成排的翼帆的平面图。
图16是翼帆模块的等轴测视图。
图17是图16的翼帆模块的正视图。
图18是图16的翼帆模块的平面图。
图19是Stirling热泵的示意图。
图20是传统的热泵的示意图。
图21是具有机载热存储的海洋热泵系统的等轴测视图。
图22是图21的海洋热泵系统的平面图。
图23是具有专用热存储介质运输器的海洋热泵系统的正视图。
图24是图23的海洋热泵系统和热介质运输器的平面图。
具体实施方式
虽然以上已经总结了某些实施例的各个方面和特征，但是以下具体实施方式更详细地示出了一些实施例，以使本领域技术人员能够实践这样的实施例。提供所描述的示例仅出于说明性的目的，而不旨在限制本发明的范围。
在以下的描述中，出于解释的目的，阐述了许多具体细节以提供对所描述的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可在没有这些具体细节中的一些的情况下实践本发明的其他实施例。本文描述并要求保护多个实施例，并且虽然各种特征被归于不同的实施例，但是应领会的是，关于一个实施例所描述的特征也可与其他实施例合并。然而，出于同样的原因，任何描述或所要求保护的实施例的一个或多个特征都不应被视为对本发明的每个实施例而言是必不可少的，因为本发明的其他实施例可省略这样的特征。
除非另有说明，否则本文用来表示所使用的数量、尺寸等的所有数字应理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。在本申请中，除非另有明确说明，否则单数的使用包括复数，并且除非另有指示，否则术语“和”和“或”的使用表示“和/或”。此外，术语“包含”以及其他形式(诸如“包含”和“所包含”)的使用应视为非排他性的。此外，除非另外具体说明，否则诸如“元件”或“部件”的术语涵盖包括一个单元的元件和部件以及包括一个以上单元的元件和部件。
如图1的框图和图2的等轴测视图所示，本文公开的一个实施例是海洋热泵系统10，该海洋热泵系统10具有支撑一个或多个风力涡轮机14的上部结构12，该一个或多个风力涡轮机14机械地连接至并驱动一个或多个发电机16。风力涡轮机14和发电机16组件在本文中总称为风力涡轮机系统18或涡轮机18。海洋热泵系统10可实施为浮置的远洋船舶，该浮置的远洋船舶可根据需要在海洋、海、湖泊或其他大型水体(在本公开中统称为“海洋”)上被操纵和定位。因此，在所选择的实施例中，上部结构12支撑或限定用以向海洋热泵系统10提供浮力和稳定性的设备。可替代地，具有许多与本文中相对于海洋热泵系统10所描述的相同的特征的热泵系统可以是陆基的，且上部结构12为各种操作元件提供刚性和结构支撑。
由涡轮机系统18产生的电能可用于任意目的。例如，由涡轮机系统18产生的电能可以为机载电引导和推进系统20供电。可替代地，所产生的电力可被运输至电力网络22、脱盐设备24或其他工业、住宅或商业目的地以供使用。在海洋热泵系统10的一个实施例中，由涡轮机18产生的电力的一部分用于为与海洋热连通的一个或多个热泵26供电。
如下所述，热泵26包括被构造为从海洋提取热量的电动设备。从海洋提取的热量可用于任意目的，包括但不限于加热位于机载热存储器28中的热存储介质，加热位于独立移动的运输机30上或独立移动的运输机30中的热存储介质，或加热位于远程热存储位置32处的热存储介质。被运输了更大或更小距离的热量可用于热发电34，或以其他方式被利用，例如，在远程位置36处加热或冷却建筑物、街道或其他结构。陆基热泵可安装在陆地上，并被放置为与地下或相邻海洋热源热连通。
海洋热泵系统10或类似的陆基系统可用于多种目的，包括但不限于作为适于大风和波涛汹涌的海面的电站运行。因此，一些实施例可直接或间接地连接至电力网。包括热泵26的其他实施例，从海洋或另一热源提取热量，并将提取的热能存储在位于机上、位于合适的运输机上或位于远程位置处的热存储介质中。所存储的热量可作为热能供应至区域加热和冷却系统、供应至脱盐设备或类似的工业用户。可替代地，所存储的热能可用于驱动传统的蒸汽涡轮动力设备、Stirling热发动机驱动发电机或类似的发电设备以向电网供电。根据系统构造，单个海洋热泵系统10可实现一些或所有这些目的。
图2至图4示出了浮置海洋热泵系统10的一个代表性实施例。海洋热泵系统10包括上部结构12，该上部结构12支撑多个风力涡轮机系统18和与海洋热连通的一个或多个热泵26。浮置海洋热泵系统10的上部结构12至少限定了塔架38和基部40。在许多实施例中，塔架38将是相对较高的结构。风能与风速的立方成比例。风速通常随着海洋表面以上的高度而增加。因此，通过实施具有高塔架38的海洋热泵系统10，涡轮机18可被向上放置至更高速度、更高能量的空气中。
浮置海洋热泵系统10的上部结构12可以是模块化的。具体地，构成海洋热泵系统10的许多子系统可由开放式、相对轻质且重复的模块化空间框架结构所支撑。图2至图4的海洋热泵系统10几乎全部由相似或几乎相同的立方形空间框架的模块42构成。可替代实施例包括具有不同形状的模块42。各个模块42可制造为任意期望的尺寸和可以由任意期望的材料来制造。例如，模块42可使用诸如铝、钢、钛或其合金的传统的构造金属(constructionmetal)来制造。可选地，模块42可由复合材料或聚合物材料(包括但不限于玻璃纤维、碳纤维复合材料、石墨烯复合材料或高强度塑料和类似材料)来制造。模块42可由多种相似或不同的材料来制造。类似尺寸的模块42可制造为具有不同的壁厚。因此，较重且壁相对厚的模块42可放置在该结构的底部处(该处载荷最大)。
每个模块42可在造船厂制造和完成，并通过起重机吊起到适当位置，并用螺栓固定到相邻模块42。可选择地，附加的支撑件(例如，水平电缆)可穿过限定层46的相邻模块并张紧。螺栓和电缆提供结构冗余度。
模块42的框架接头可使用任意合适的技术来制造，例如，框架接头可制造有插入件，单独的框架构件螺栓连接至该插入件。每个图示的模块42在其楼层中具有至少四个竖直柱、八个水平构件、和一水平X形支架。其他空间框架结构和构造在本公开的范围内。塔架38中的一些模块42可包括例如在中心点处的额外的柱，或者可包括竖直X形支架以将风载荷向下运载至基部40。基部结构中使用的模块42可在所有侧面具有X形支架。
基部40在每个侧面上包括相对长的桁架稳定器44。桁架稳定器44可延伸任意期望的距离至前部和后部，并且被间隔开任意期望的距离，以在大风和大海浪中提供稳定性。在图2至图4的实施例中，每个层46在整个楼层中包括X形支架地板，该X形支架地板用作刚性的承载板48。如本文中所使用的层46包括多个水平相邻的模块42。板48在许多模块42的端部处将横向风力传递至竖直X形支架50，该竖直X形支架50也用作刚性的竖直板，并且该竖直X形支架50又将力从塔架38传递至基部40。在所示的实施例中，塔架38包括中央通道竖井52，该中央通道竖井52在前侧和后侧具有辅助X形支架54，以将横向力传递至基部40。各种结构支架48、50、54以张紧或压缩的作用方式来运载载荷以避免弯曲。
上部结构12的基部40容纳或支撑热泵设备26，并且还限定了用作为海洋热泵系统10提供稳定性的系统外伸支腿的桁架稳定器44。在所示的实施例中，基部40的相对长的桁架稳定器44提供了长的杠杆臂，结果产生了显著的复原力矩(righting moment)。桁架稳定器44和来自开放空间框架的基部40的其它元件的构造允许波浪在异常高的波浪条件下相对不受阻碍地越过并通过基部40。陆基的实施例可利用较小的基部，可选地利用附接至地面或其他支撑件的辅助电缆，来进行充分稳定。海洋热泵系统10浮置，塔架38、涡轮机系统18和相关联的设备的空气动力学以及推进机构的组合可用于确保海洋热泵系统10在运行期间基本上面向风。陆基实施例可包括塔架轴承或塔架轴承系统，包括但不限于机械轴承、浮动轴承等，允许塔架枢转并面向风。可替代地，陆基实施例可包括单独枢转的涡轮机18或涡轮机模块。
如图2至图4中所示，海洋热泵10可包括大致在基部40下方延伸的多个支腿56和浮筒58，以向海洋热泵系统10提供浮力和船舶控制。类似的支腿和脚可从可替代的岸基热泵系统实施例的基部延伸。海洋热泵系统10还可包括一个或多个补充浮力箱60，该补充浮力箱60连接至或定位在基部40的各种选定的空间框架模块42内。通常地，支腿56和浮筒58的尺寸被设计为并且支腿56和浮筒58被制造成具有足以使海洋热泵系统10浮置的位移，且基部40在海洋表面上方升高一段距离。如果海洋热泵系统10在异常高的风之前倾斜，则定位在顺风处的大直径的支腿56将下沉更深，排出更多的水并提供复原力矩，而在逆风侧的支腿将抬起，增加了系统10在逆风侧的有效重量，从而也提供了复原力矩。此外，在顺风侧的与水接触的任意补充浮力箱60将在需要时提供额外的位移和额外的复原力矩。如果需要，包括但不限于陀螺仪、推进器、发动机、翼帆(以下进行详细论述)等的补充稳定装置可与海洋热泵系统10相关联以确保在大风(high wind)条件下的稳定性。
选定的浮筒58，例如图2至图4中定位在基部40的拐角的四个浮筒58包括螺旋桨、推进器或通常由电动马达驱动的其他驱动系统62。因此，驱动系统62可以是由风力涡轮机18产生的电力进行供电的整个机载电气系统20的一部分。可替代地，驱动系统62可由柴油发动机、汽油发动机或由另一电力源进行供电的电动马达等来驱动。可替代地，在选定的实施例中，驱动系统62可位于远离浮筒58的位置。驱动系统62的每个马达或推进器可安装有旋转或万向基部以提供高度可操作性。因此，海洋热泵系统10可以被动态地定位，以面向合适的风，以避免撞到海洋里的特征结构，以停靠或保持船舶缓慢向前移动，以维持在使用中被浸没的热泵系统26的热交换器元件上的稳定水流，如在下文详细描述的。
在某些实施例中，基本上中空的浮筒58可被构造为接收并储存一定量的水以调节单个的浮筒质量，并由此降低或升高基底40在海洋表面上方的高度以提供通道，或应对变化的天气条件。
图2至图4中的海洋热泵系统10的构造利用了支腿56，该支腿56允许波浪以最小的冲击在系统10的基部40下滚动。抗倾翻环(plunge resistant ring)64可以可选地与支腿56相关联以收缩和抑制任何大致竖直的倾翻动作。抗倾翻环64可用作抗浸入的机械稳定器，并且还可以独立地漂浮。补充浮力箱60进一步提供额外的浮力以防止基部40结构的过度浸没。
支腿56、浮筒58、补充浮力箱60、抗倾翻环64或类似结构可由传统的造船材料来制造，包括但不限于铝、钢、钛或其合金。可替代地，支腿56、浮筒58、补充浮力箱60、抗倾翻环64或类似结构可由复合材料或聚合物材料(包括但不限于玻璃纤维、碳纤维复合材料、石墨烯复合材料或高强度塑料和类似材料)来制造。石墨烯复合材料特别适合于支腿56、浮筒58和抗倾翻环64，因为石墨烯复合材料呈现出非常光滑的表面，该表面自然地防污。这些结构元件旨在在至少大部分时间被浸没，天然防污的石墨烯复合材料的表面防止了藤壶、海藻或其他生命附着和生长在海洋热泵系统10的浸没部分上。
在图2至图4的实施例中，在塔架38内限定中央通道竖井52的模块42可被封闭，并用于提供对整个系统10的各种子系统的通道。中央通道竖井52可包含电梯、楼梯或其它通道，以提供维护通道、备件的存储以及提供访客通道。
塔架38的大部分层46容纳涡轮机系统18或支撑如下详述的稳定性增强翼帆。一个或多个层46可以可替代地专用于维护通道、船员住宿或其他目的。
如上所述，海洋热泵系统10的各种实施例包括驱动一个或多个发电机16的一个或多个风力涡轮机14。在某些实施例中，如图11中所示，风力涡轮机/发电机结构被集成并在本文中被称为涡轮机系统或涡轮机18。虽然海洋热泵系统10或类似的陆基系统可利用单个或几个大型风力涡轮机14来实施，但是图中所示的实施例包括几个相对小的涡轮机18。海洋热泵系统10中所包含的涡轮机的数量不受限制。例如，图2至图4的实施例包括位于单个塔架38上的128个单独的涡轮机。该实施例包括主要用于支撑涡轮机系统18的几个独立的层46。如上所述，海洋上的通常的垂直风速分布显示风速随高度而增加。因此，海洋热泵系统10的总的能量产生可通过利用最高的实际塔架38收集风能来增强。图2至图4中所示出的非限制性实施例包括八层的涡轮机18，在图3中标记为层B至层E和层G至层J。
如图5至图10中所示，在某些实施例中，风力集中器66的阵列布置在涡轮机18的每一侧，以在涡轮机系统18处加速和集中风流。集中器66可由任意合适的材料来制造，例如铝或钢。在一些实施例中，集中器将由轻质高强度复合材料，例如碳纤维复合材料或石墨烯复合材料来制造。适当形状的集中器66可在涡轮机位置将风速加速到其主要速度的最多三倍。
在所示的实施例中，风力涡轮机14被实现为具有以下描述的某些优点的Darrieus涡轮机。Darrieus风力涡轮机14围绕竖直轴线旋转，并且包括多个弯曲的或直的翼型叶片。Darrieus涡轮机14的竖直定向和风处理能力两者使得该涡轮机构造是非常适合但非排他性的涡轮机形式，适用于与海洋热泵系统10或类似的陆基系统一起实施。
在所示的实施例中，由集中器66加速的风通过Darrieus涡轮机的翼型叶片。穿过旋转轴线的Darrieus涡轮机14的直径可以是任意合适的直径，但是优选地填充或几乎填充相邻集中器66之间的水平喉部68。
相对小直径的Darrieus涡轮机通常在功能上限制为具有最高达加速风速的500％的最大涡轮叶片叶尖速度，这远高于利用传统风力涡轮机产生的明显的不期望的颤动声音的速度。
如上所述，每个风力涡轮机14可配备有适当尺寸的发电机16。例如，Darrieus涡轮机可配备有300kW的发电机。因此，在一个代表性但非限制性的示例中，具有128个单独涡轮的海洋热泵系统10可产生38.4MW的电力，这超过了已知的陆基或海洋基风力涡轮机(landor ocean-based wind turbine)的容量。本文公开的实施例可配备有任意合适的发电机。非常适合在所公开的实施例中使用的一类发电机16是完全封闭的、不通风的永磁发电机，诸如在(本申请人)共有的申请号为PCT/US2018/013622、公开号为WO 2019/074535、名称为“电机冷却和稳定系统和方法”的PCT申请中所描述的，该专利申请中所公开的所有事项通过引用并入本文。
传统的涡轮机具有一些缺点，其中之一是在大风条件下，操作者必须使叶片顺桨或甚至使叶片停止，以使叶片不会旋转太快而造成对叶片或涡轮机部件的破坏。例如，Vestas 3MW涡轮机的最高持续风速为15m/s(33mph)，切断速度(cutout speed)为25m/s(56mph)。此外，许多海洋或海岸线位置经常经历大风暴。传统的涡轮机必须在风暴期间或在风传递更高水平的能量时的其他时间处于锁定状态。据估计，每年超过一半的风能是在传统的涡轮机必须被锁定时的风暴期间所产生的。所公开的实施例的Darrieus涡轮机14即使在风速超过传统涡轮机的安全操作所允许的风速时也可收集能量。例如，Darrieus涡轮机可在45m/s风速(100mph)下运行，而无需使叶片顺桨(feathering)。
一些实施例的特征在于许多冗余的较小涡轮机18，例如图2至图4的实施例包括128个单独的涡轮机/发电机系统18。因此，如果一个涡轮机和/或一个发电机发生故障，或脱机进行维修，则仅损失0.78％的发电能力。
也如上所述，某些实施例可包括集中器66的阵列以加速涡轮机系统18上的风。具体地说，如图7和图10所示，集中器66用于将风引导和加速至相邻的集中器66之间的喉部68，Darrieus涡轮机18在该喉部68中运行。集中器66的形状可通过翼型压力效应并且由于驱动一定量的空气通过相对收缩的喉部68所需的加速度来加速喉部68处的空气速度。为了防止杀死动物，集中器的嘴部可覆盖有鸟和蝙蝠网。
在一个实施例中，集中器加速风，以使在Darrieus涡轮机所在的喉部处经历三倍于集中器的嘴部处的风速的风速。这不会增加风的能量，因为喉部处快速移动的风比嘴部处的风密度小。集中器的目的在于允许所示的实施例中的Darrieus涡轮机具有相对小的直径，以通过将塔架38的表面处的全部气流引导到涡轮机叶片上来捕获风中的所有能量的最高达40％。
所图示的代表性的但非限制性的Darrieus涡轮机14包括三个直的翼型件，该直的翼型件可具有任意合适的长度。翼型件提供抬升力，从而大大增加了可从风中收集的能量的量。涡轮机14可以以最高达风速的五倍的叶尖速度运行，在该速度下，Darrieus涡轮机14将收集风中40％的能量。如图11中所示，在一些实施例中，涡轮机14可利用合适的传动装置直接驱动耦合至风力涡轮机14的发电机。可替代地，如图12中所示，发电机16可安装为远离涡轮机16的轴，并且例如通过齿形带连接至安装在发电机16的轴上的齿带轮。在一些实施例中，多个风力涡轮机14可连接至单个相对较大的发电机16。其它实施例将使每个风力涡轮机14有一个发电机16。
涡轮机14以高速运行。所有的风力涡轮机都能产生声音，这在某些情况下可能会令人反感。Darrieus风力涡轮机通常发出与涡轮机转速近似相同频率的低音调嗡嗡声。例如，在50-mph风速下运行的Darrieus风力涡轮机通常以5387rpm旋转，从而在约90Hz下产生可听嗡嗡声。为了降低和抵消该可听嗡嗡声，所图示的涡轮机14被集中器66遮挡了其180度的旋转。此外，集中器66的背面70可涂覆吸声材料。主动噪声消除系统可以可选地安装在每个涡轮机18之后以抵消涡轮机嗡嗡声。
海洋热泵系统10非常适合于实现为浮置结构，虽然所描述的技术可以是陆上安装的。在任一安装情景中，作用在集中器66、涡轮机18和上部结构12上的风致阻力将施加趋向于使结构顺风倾斜或弯曲的力。以上描述的与上部结构12和浮力提供元件56、58、60和64相关联的各种元件抵消趋向于使结构顺风倾斜或弯曲的力。此外，本文所公开的某些实施例包括翼帆72以提供抵抗逆风的力。在图2至图4中所示的实施例中，例如，三个层46(在图3中被标识为层A、层F和层K)的翼帆72散置在塔架38中的涡轮机层46之间。翼帆72可由任意合适的材料(例如，铝或钢)来制造。在一些实施例中，翼帆72将由轻质高强度复合材料(例如，碳纤维复合材料或石墨烯复合材料)来制造。图13至图18中示出了代表性的翼帆72的层46和模块42。翼帆72用于将结构向前拉入风中，从而抵抗涡轮机阻力，并与本文描述的其他稳定性增强装置一起，保持浮置海洋热泵系统10在大风中基本竖直。
翼帆72的功能类似于用于推进现代高科技帆赛艇的帆。翼帆72的翼型形状和定向将把塔架38向前拉入风中。此外，虽然较大的风速增加了由集中器66、涡轮机18和上部结构12引起的阻力和顺风力矩的水平，但是较大的风速也增加了由翼帆72产生的向前抬升力，从而抵消了风使海洋热泵系统10顺风倾斜的趋势。可手动或自动地调节对翼帆72的修整，以使由翼帆72产生的向前抬升力在任意风速下近似等于阻力。翼帆72除了提供向前抬升力外，还提供大致侧向抬升力。图15示出了翼帆72的布置，该布置使得在塔架38的一侧的翼帆72的侧向抬升力被在塔架的相对侧的翼帆72的相对侧向抬升力所抵消。
海洋热泵系统10的各种实施例包括热泵设备26。海洋热泵系统10可利用任意已知的热泵构造或利用未来可能开发的新的热泵技术来实现。两个代表性的热泵设备构造示意性地表示在图19和图20中。图19示意性地示出了具有第一活塞76和第二活塞78的Stirling热泵74。第一活塞76和第二活塞78由电动马达80驱动，在海洋热泵系统10的实施例中或类似的陆基实施例中，第一活塞76和第二活塞78可由来自涡轮机系统18的电力来供电。第一活塞76和第二活塞78产生膨胀空间和压缩空间，该膨胀空间和压缩空间填充有可替代地膨胀或压缩的工作流体。
Stirling热泵的膨胀侧与热源热联接。在图19的示意性实施例中，该热联接被标识为冷回路82。在海洋热泵系统10中，热源是大洋海水，并且热泵74使用包括浸没式热交换盘管84的阵列的冷回路82联接至海洋。在陆基系统中，地球可用作热源。Stirling热泵74的压缩侧热联接至能够接收从热源提取的热的材料。在图19的示意性实施例中，该热联接被标识为热回路86。在海洋热泵系统10的许多实施例中，热回路包括与热存储介质90热接触的热回路热交换盘管88。因此，如以下更详细论述的，与海洋热泵系统10相关联的热泵26的操作利用由涡轮机系统18产生的电力来从海洋提取热量并将所提取的热能存储在热存储介质90中。
图20示出了可替代热泵26的构造；传统的热泵92。传统的热泵92利用压缩机94和膨胀阀96来压缩和允许工作流体的膨胀。压缩机94需要能量输入来运行，并且在海洋热泵系统10的实施例中，压缩机94可由电动马达98驱动，电动马达98由来自涡轮机系统18的电力供电。与Stirling热泵74一样，传统的热泵92包括与热源热接触的冷回路100。在海洋热泵系统10中，热源是大洋海水，并且热泵92使用包括浸没式热交换盘管84的阵列的冷回路100联接至海洋。传统的热泵92还包括热回路102，热回路102在海洋热泵系统10的许多实施例中包括与热存储介质90热接触的热回路热交换盘管88。
包括但不限于马达80、98、活塞76、78、压缩机94、膨胀阀96和类似设备的所有热泵部件通常安装至海洋热泵系统10的基部40或被存储在海洋热泵系统10的基部40上。在图2至图4的具体实施例中，热泵部件存储在定位于基部40的上部结构12内的基本水密的壳体103中，具有用于连接至热交换盘管84、88的合适的管道或管道系统。浸没式热交换盘管84浸没在大洋海水中。在浮置海洋热泵系统10中，如图2至图4中所示，浸没的冷回路热交换盘管84可浸没在系统10的基部40下方。在岸基系统中，冷回路热交换盘管84可浸没在离岸处，并利用合适的导管连接到基部40和塔架38。在陆基实施例中，冷回路热交换盘管可埋入地球之间至选定深度。
浸没式冷回路热交换盘管84的一个实施例包括互连的一系列导热管道，该一系列导热管道安装在基部40下方的海洋中。浸没式冷回路热交换盘管84可由诸如铝、铜、铝合金或铜合金或石墨烯复合材料的材料制成。合适的热交换盘管84材料将具有足够的强度和高的热透过率。冷回路热交换盘管84可安装在框架中，当海洋热泵系统10正在快速转移至远程位置时，框架可被从水中抬升出。
图21至图24的实施例还包括热回路热交换盘管系统88，该热回路热交换盘管系统88由被构造为使暴露于热存储介质90的表面积最大的管道或盘管网络所限定。如以下详细描述的，热回路热交换盘管88通常将嵌入热存储介质90中，该热存储介质90可位于机载热存储器28、可运输热存储器30或远程热存储器32内。热回路热交换盘管88还可由具有足够强度和高热透过率的合适材料(例如铝、铝合金、铜、铜合金或包括但不限于石墨烯复合材料的复合材料)来制造。
传统的陆基风力涡轮机发电设施通常不包括存储所产生的能量的能力。因此，当风以足够但不是过度的速度吹时，传统的风力涡轮机产生和运输能量，而当传统的风力涡轮机不产生和运输能量时，涡轮机是空转的。如以上所详述的，海洋热泵系统10或类似的陆基系统可利用涡轮机系统18产生的电力中的一些来驱动热泵26以从海洋或地球提取热能，然后热能可存储在热存储介质90中。热存储介质90可以是热盐、热油、金属或具有用于热存储的高容量的其他材料。当这些材料被加热时经历从固体到液体的相变的热盐和金属特别适合于热存储。本文所公开的实施例可与任意热盐或其它热存储材料一起使用，无论由热泵26产生的温度差是否足以引起热存储介质90中的相变。如果单级热泵26不足以产生期望的温度差，则可使用串联热泵来产生期望的温度差。可替代地，可使用包括但不限于使用由涡轮机提供的电力的电阻加热、集中太阳能的热加热等的补充加热源来补充或替换一个热泵或一系列热泵以加热热存储介质90。如上所述，热存储介质90可存储在机载热存储装置28、单独可运输的热存储器30或远程热存储器32中。任意类型的热存储系统可包括多个容器104，该多个容器104由合适的材料(例如不锈钢)来制造，该多个容器104是绝缘的、填充有热存储介质并且还容纳热回路热交换盘管88的阵列。
在一个非限制性实施例中，容器104可利用具有67.73m3容量的40英尺海洋容器来实现。合适的容器104可具有多层，包括但不限于与绝缘层热隔离的、保持熔化的盐或其它热存储介质90的容器内的不锈钢容器。热回路热交换盘管88的阵列定位在与热存储介质90热接触的容器104内。热回路热交换盘管88运载通过热泵26的作用而被加热的蒸汽或另一工作流体，以将热量传递至热存储介质90中。当在远程热利用位置32、本地或远程热发电设备34或其他目的地从热存储介质90提取热量时，热回路热交换盘管88还用于运送合适的热传递流体。
在一个实施例中，用于将热回路热交换盘管88连接至热泵26的联接结构，或者可替代地用以在远程目的地连接热回路热交换盘管88的联接结构，定位在每个容器门后面的隔板或类似结构中，从而允许容易进入和最大化每个容器104中的热存储介质80的数量。补充搅拌马达可安装在隔板上以驱动纵向盐搅拌器，从而当使用相变盐作为热存储介质时减少或防止盐的分离。
如图21至图22所示，热存储容器104可容纳在海洋热泵系统的基部40上、中或附近。海洋热泵系统10可运行一段时间，以使热量通过热泵从海洋传递至与容器104内的热存储介质热接触的热交换盘管88。在适当的运行周期之后，热存储介质90将被充分加热，或者如果热存储介质90是相变材料，则从固相熔化成液相。然后，可使用起重机或其它合适的装置将保持充热的热存储介质90的容器104从海洋热泵系统10运输至驳船、轮船、码头或陆地，并运输至到远程或附近的目的地以供使用。例如，加热的容器可被运输至热运行的本地或远程发电站34、用于远程直接热利用的位置36、脱盐设备24等。
可替代地，如图23至图24中所示，保持热交换盘管88和热存储介质90的容器104可定位在以类似于海洋热泵系统10的方式构造的专用补充运输船只106上。可使用任意合适的导管将容器104内的热交换盘管88选择性地连接至海洋热泵系统10上的热泵26。在一些实施例中，补充运输船只106还可包括附接至上部结构112的支腿108和浮筒110，该上部结构112的尺寸、形状和材料与母体海洋热泵系统10一致。在这些实施例中，具有类似构造的浮置设备的补充运输船只106和海洋热泵系统10一起将趋向于在波浪上上升和下降，从而促进海洋热泵系统10上的热泵26与运输船只106上的容器104中的热回路热交换盘管88之间的联接。
当补充运输船只106上的容器104中的热存储介质完全充满时，补充运输船只106可脱离海洋热泵系统10，并将加热的容器104运输至岸上或另一个使用位置。
可替代地，运输船只106可以是临时固定在海洋热泵系统10旁边同时容器104内的热存储介质90被充热的传统的驳船、货船或其他船只。在给定的专用或传统的运输容器106上的许多容器104可填充有高性能相变盐，例如氯化镁六水合物MgCl2.6H2O。根据海洋的温度和熔化盐所需的温度，热泵系统可具有相对高的性能系数(COP)，例如COP为4。因此，对于由涡轮机18产生的并且用于使用Stirling热泵从海洋收集热量的每1kWh电力，可收集4kWh的热量。在一个代表性示例中，每个容器将保持94000kg的盐存储，当熔化时，4.36MWh热量。可将石墨烯添加至相变或传统的热存储介质90以增加热存储介质90的热导率。补充石墨烯或类似添加剂可减少完全充满热存储介质90所需的时间，并减少在热使用位置排放热存储介质90所需的时间。
运输船只106上的一个或多个附加容器104可填充有在相对较高的温度下熔化的普通热盐。这些容器104可用于在运输至热使用目的地期间，保持如下其他容器：该其他容器保持有热的和熔化的相变材料。
在热利用目的地，从海洋收集的热能可直接用作热量。例如，一些城市的区域或地域性加热和冷却系统规模较大或较小。美国最大的热量分配系统在纽约曼哈顿。曼哈顿的系统的特征在于沿街的蒸汽管道，该蒸汽管道在冬天用于给建筑物加热，在夏天使用吸收式冷却器冷却建筑物。
可利用所公开的海洋热泵系统10来增强该现有热分配系统。例如，所公开的系统10可部署在纽约港内或附近，并将热量泵送至现有的为纽约市供应蒸汽的爱迪生综合加热网(Consolidated Edison heat grid)中。由于所公开的设备能够容易地在海洋上移动，风力热泵设备可部署在更远的从港口至风更强或更一致的位置的海岸上。本文所公开的实施例还可用于向新建的而不是预先存在的区域或局部热分布系统(通常，但不一定在沿海城市)供应热量。可替代地，来自海洋热泵系统10的运输船只106或直接导管可将被加热的热存储介质运输至本地或远程热发电站34、脱盐设备24或被构造为利用所存储的热能的类似设备或工厂。本地或远程热力发电站34可包括传统的蒸汽驱动涡轮机、Stirling热力发动机或被构造为使用热作为输入能量源来驱动发电机的其他设备。
直接使用来自电驱动热泵的热能会产生放大效应。假设使用来自海洋的热量的海洋基系统位于纽约港，针对该系统，每1kWh风能可泵送2.73kWh的热能。如果将该2.73kWh的热能供应至正在驱动其效率为50％的发电机的附近或远程Stirling发动机，则所产生的电能的量为1.365kWh，增加了36.5％。针对使用地下热量的陆基系统，在地下热交换盘管的温度是通常的10C的位置，对于每1kWh的风能产生2.75kWh的热量。如果将该2.75kWh的热量供应至正在驱动其效率为50％的发电机的Stirling发动机，则所产生的电能的量为1.375kWh，增加了37.5％。这种输出能量的增加是由于有效地使用了从热源(特别是海洋或陆地)获取的热能。热泵系统的基本物理现象对于本领域技术人员是公知的，并且在例如Macomber，“热泵的基本物理现象”2002中进行了描述，该参考文献并入本文以支持上述功率放大效应。
本文详细描述的一种能量存储方法涉及在热存储介质中直接存储热量。其它能量存储方法可适于与本文描述的系统实施例一起使用。例如，涡轮机18可用于对电池充电。由基于陆地或海洋的实施例产生的电力可用于驱动电泵以将水泵送至升高的存储箱或储存器，从而存储势能。类似地，风力涡轮机系统可通过抬升沉重的重物来将多余的能量转换为势能以供以后需要电力时使用，来存储超过存在大量的能量(该大量的能量超出电网的需要)时的能量。根据需要，可缓慢地降低沉重的重物，从而运行机械地连接至旋转电缆卷筒的发电机，该旋转电缆卷筒用于在沉重的重物已被提升时缠绕电缆。
所公开的实施例的附加优点是积极的环境影响。可从海洋中提取热能，对抗气候变化的影响。此外，所收集的热量可用于加热和冷却住宅、办公楼或其他建筑物，而无需燃烧化石燃料。因此，海洋热泵系统10用于抵消由气候变化引起的海洋加热，同时在热能中产生无排放电力。
可替代实施例包括使用本文描述的设备从海洋提取热量的产生电力的方法。其它实施例包括如本文所公开的支撑、移动和稳定浮置涡轮机系统的方法。另一些实施例包括使用本文所描述的设备从海洋中提取热量并存储或运输所提取的热量的方法。
已经出于说明和描述的目的提供了对各个实施例的描述，但并不旨在将本发明穷举或限制为所公开的形式。本发明的范围仅受以下权利要求的范围的限制。许多修改和变型对于本领域普通技术人员是显而易见的。选择并描述在附图中所描述和示出的实施例是为了解释本发明的原理、实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适于预期的特定用途的各种修改。本文引用的所有参考文献全部通过引用而并入。

Claims (40)

1.一种热泵系统，包括：
上部结构；
风力涡轮机，其由所述上部结构支撑；
发电机，其由所述上部结构支撑，并机械地连接至所述风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机的风致旋转使得所述发电机产生电力；以及
热泵，其至少部分地由所述上部结构支撑，所述热泵包括与热源热接触的冷却回路热交换器，其中，所述热泵被构造为被由所述发电机产生的电力供电。
2.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述上部结构包括多个互连的空间框架模块。
3.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述上述结构还包括：
基部部分；以及
塔架部分，其从所述基部部分向上延伸。
4.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述上部结构包括浮置上部结构，并且所述热源是大洋海水。
5.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述上部结构安装至陆地，并且所述热源是地下的。
6.根据权利要求4所述的热泵系统，其特征在于，所述上部结构由浮力系统支撑，所述浮力系统包括：
多个支腿，从所述基部向下悬垂；以及
多个浮筒，其附接至与所述基部相对的所述多个支腿。
7.根据权利要求6所述的热泵系统，其特征在于，所述浮力系统还包括一个或多个抗倾翻环，所述一个或多个抗倾翻环可操作地与至少一个支腿相关联。
8.根据权利要求6所述的热泵系统，其特征在于，所述浮力系统还包括一个或多个补充浮力箱，所述一个或多个补充浮力箱可操作地与所述基部相关联。
9.根据权利要求8所述的热泵系统，其特征在于，所述上部结构、所述支腿、所述多个浮筒、抗倾翻环和所述补充浮力箱中的多者中的至少一者包括石墨烯复合材料。
10.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括风力涡轮机阵列，所述风力涡轮机阵列由所述上部结构支撑。
11.根据权利要求10所述的热泵系统，还包括风力集中器阵列，所述风力集中器阵列可操作地定位在所述风力涡轮机阵列的逆风处。
12.根据权利要求11所述的热泵系统，其特征在于，一个或多个风力集中器在平面图中包括楔形轮廓，并且所述风力涡轮机阵列中的每个风力涡轮机定位为与喉部相邻，所述喉部由相邻的集中器的顺风侧限定。
13.根据权利要求11所述的热泵系统，其特征在于，所述风力集中器阵列中的至少一个风力集中器包括石墨烯复合材料。
14.根据权利要求1所述的热泵系统，还包括翼帆阵列，所述翼帆阵列由所述上部结构支撑。
15.根据权利要求14所述的热泵系统，其特征在于，所述翼帆阵列中的至少一个翼帆包括翼型轮廓。
16.根据权利要求14所述的热泵系统，其特征在于，所述翼帆阵列中的至少一个翼帆包括石墨烯复合材料。
17.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述上部结构包括：
基部部分；以及
塔架部分，其从所述基部部分向上延伸；其中，所述塔架部分支撑：
成排的风力涡轮机；以及
成排的翼帆，其与所述成排的风力涡轮机分开。
18.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述热泵是Stirling热泵。
19.根据权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述热泵系统还包括热回路热交换器，所述热回路热交换器与所述热泵热连通并且还与热存储材料热连通。
20.根据权利要求19所述的热泵系统，其特征在于，所述热存储材料是相变材料。
21.根据权利要求19所述的热泵系统，其特征在于，所述热存储材料是盐。
22.根据权利要求16所述的热泵系统，其特征在于，所述热回路热交换器定位在可运输的容器内。
23.根据权利要求22所述的热泵系统，其特征在于，所述可运输的容器定位在运输机上，所述运输机能分开地移动远离所述热泵。
24.一种风力涡轮机发电系统，包括：
上部结构，所述上部结构包括：
基部部分；以及
塔架部分，其从所述基部部分向上延伸，其中，所述塔架部分支撑：
风力涡轮机阵列；以及
由所述上部结构支撑的至少一个发电机，所述至少一个发电机机械地连接至所述风力涡轮机阵列中的至少一个风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机的风致旋转使得所述发电机产生电力。
25.根据权利要求24所述的风力涡轮机发电系统，还包括风力集中器阵列，所述风力集中器阵列可操作地定位在所述风力涡轮机阵列的逆风处。
26.根据权利要求25所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，一个或多个风力集中器在平面图中包括楔形轮廓，并且所述风力涡轮机阵列中的每个风力涡轮机定位为与喉部相邻，所述喉部由相邻的集中器的顺风侧限定。
27.根据权利要求25所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述风力集中器阵列中的至少一个风力集中器包括石墨烯复合材料。
28.根据权利要求24所述的风力涡轮机发电系统，还包括翼帆阵列，所述翼帆阵列由所述上部结构的所述塔架部分支撑，所述翼帆阵列与所述风力涡轮机阵列分开。
29.根据权利要求28所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述翼帆阵列中的至少一个翼帆包括翼型轮廓。
30.根据权利要求28所述的风力涡轮机发电系统，其特征在于，所述翼帆阵列中的至少一个翼帆包括石墨烯复合材料。
31.一种发电系统，包括：
上部结构；
风力涡轮机，其由所述上部结构支撑；
发电机，其由所述上部结构支撑，并机械地连接至所述风力涡轮机，其中，所述风力涡轮机的风致旋转使得所述发电机产生电力，其中，所述上部结构包括多个互连的空间框架模块。
32.根据权利要求31所述的发电系统，其特征在于，电能被转化并被存储在以下中的至少一者中；
作为热存储介质中的热量，
电池中的化学能，
作为通过升高质量而存储的势能。
33.根据权利要求31所述的发电系统，其特征在于，由所述上部结构支撑的所述风力涡轮机是Darrieus涡轮机。
34.一种产生电力的方法，包括：
提供根据权利要求1至33中所述的设备中的任一个；
将所述设备放置在有风的位置，使得至少一个风力涡轮机发电机操作发电机以产生电力。
35.一种从热源提取热量的方法，包括：
提供根据权利要求1至23中所述的设备中的任一个；
将所述设备放置在有风的位置，使得至少一个风力涡轮机操作发电机以产生电力；
使所产生的电力的一部分连通至热泵；以及
通过与所述热泵热连通的冷却回路从热源提取热量。
36.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述热源是海洋。
37.根据权利要求35所述的方法，其特征在于，所述热源是地下的。
38.一种存储热能的方法，包括：
提供根据权利要求1至23中所述的设备中的任一个；
将所述设备放置在有风的位置，使得至少一个风力涡轮机操作发电机以产生电力；
使所产生的电力的一部分连通至热泵；
通过与所述热泵热连通的冷却回路从热源提取热量；以及
加热与热回路热连通的热能存储介质，所述热回路与所述热泵连通。
39.一种运输热能的方法，包括：
提供根据权利要求1至23中所述的设备中的任一个；
将所述设备放置在有风的位置，使得至少一个风力涡轮机操作发电机以产生电力；
使所产生的电力的一部分连通至热泵；
通过与所述热泵热连通的冷却回路从热源提取热量；
加热与热回路热连通的热能存储介质，所述热回路与所述热泵连通；以及
将所述热能存储介质运输远离所述热泵。
40.一种存储能量的方法，包括：
提供根据权利要求1至33中所述的设备中的任一个；
将所述设备放置在有风的位置，使得至少一个风力涡轮机操作发电机以产生电力；
使所产生的电力的一部分连通至能量存储设备，所述能量存储设备包括以下中的至少一者：
电池；
电动马达，被构造为抬升重物。
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