專利名稱：用于風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的渦輪機(jī)進(jìn)口塔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及風(fēng)能轉(zhuǎn)換，且明確地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的渦輪機(jī)進(jìn)口塔。
背景技術(shù)：
由于最近已出現(xiàn)的能源問(wèn)題，人們已對(duì)將風(fēng)力有效地轉(zhuǎn)換為電能產(chǎn)生極大的興趣。大多數(shù)的發(fā)展和進(jìn)步已集中在對(duì)螺旋槳式渦輪機(jī)(例如，被稱為風(fēng)力渦輪機(jī)，且最初被稱為風(fēng)車)的空氣動(dòng)力學(xué)的改進(jìn)。通常將每一渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)安裝在高塔的頂部，其中塔越高，盛行風(fēng)速就越高。從風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力與風(fēng)速的三次方成比例。此外，每一渦輪機(jī)葉片越長(zhǎng)，產(chǎn)生的電力就越高。然而，長(zhǎng)葉片昂貴、可能會(huì)遭受缺陷和故障、占據(jù)大量的空間并產(chǎn)生過(guò)量的噪聲和振動(dòng)。從風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電力直接與螺旋槳長(zhǎng)度的平方成比例。然而，較高的塔和較長(zhǎng)的螺旋槳不僅增加材料和安裝的成本，而且還增加維修的成本。目前的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常遭受低效率、高資本成本、不可預(yù)知的故障、過(guò)高的噪聲和振動(dòng)和/或頻繁的維修。由于風(fēng)速較高，所以最近已在海上安裝了大的風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)。這些基于海的系統(tǒng)遭受甚至高得多的資本和維修成本。因此，風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展最多只不過(guò)一直較慢。國(guó)家目標(biāo)中的一個(gè)目標(biāo)是，到2030年，風(fēng)能必須提供國(guó)家電的20%。此等級(jí)的風(fēng)力將支持500，000份工作，同時(shí)通過(guò)降低天然氣的價(jià)格而節(jié)約$1280億的消費(fèi)。另外，其將削減溫室效應(yīng)氣體的排放，相當(dāng)于從路上拿走140，000，000輛車。盡管實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)不需要風(fēng)力技術(shù)中的突破，但風(fēng)力渦輪機(jī)的電力傳輸線、可靠性、操作和維修成本的減少以及停機(jī)時(shí)間和故障的減少至關(guān)重要。應(yīng)減少風(fēng)力渦輪機(jī)的操作和維修成本，以使得風(fēng)能到電力的轉(zhuǎn)換在經(jīng)濟(jì)上更可行。風(fēng)力渦輪機(jī)也必須用減少停機(jī)時(shí)間和故障來(lái)變得更可靠。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)近海風(fēng)力渦輪機(jī)來(lái)說(shuō)，操作和維修的成本估計(jì)約為電的成本的30%到35%。大約25%到35%與預(yù)防性維修有關(guān)，而65%到75%歸因于校正性維修。風(fēng)力渦輪機(jī)是具有若干個(gè)子機(jī)的復(fù)雜機(jī)器，其將移動(dòng)的空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電力。 對(duì)大量的能量的提取需要高的風(fēng)速和大的渦輪機(jī)直徑。一般來(lái)說(shuō)，渦輪機(jī)速度較慢(約 20rpm)，且必須將所述速度提高到有用的發(fā)電機(jī)速度。典型的風(fēng)力機(jī)具有直徑大于60米的 3葉片式渦輪機(jī)。此渦輪機(jī)通過(guò)增速齒輪箱來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，所述增速齒輪箱通常具有行星第一極和一個(gè)或兩個(gè)額外的平行軸極。發(fā)電機(jī)在約1500rpm下運(yùn)轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生約1.5MW。許多風(fēng)力渦輪機(jī)是可變速機(jī)器；所述速度取決于風(fēng)的狀況，且可在寬的范圍上變化。對(duì)于這些機(jī)器，高的功率輸出需要高等級(jí)的扭矩和伴隨的高齒輪嚙合力。由于渦輪機(jī)的低速度的緣故， 通常由滾動(dòng)元件軸承來(lái)支撐各種齒輪箱組件。這些軸承經(jīng)受顯著的徑向負(fù)載，且需要細(xì)心監(jiān)視以檢測(cè)任何降級(jí)。目前，隨著風(fēng)力渦輪機(jī)的裝機(jī)功率、近海風(fēng)力渦輪機(jī)的應(yīng)用以及渦輪機(jī)葉片和齒輪箱的主要問(wèn)題的日益增加，無(wú)法再忽視狀況監(jiān)視的必要性。盡管經(jīng)設(shè)計(jì)用于渦輪機(jī)終生壽命，但一些組件可能需要修理或比預(yù)期早失效。這通過(guò)保證和保險(xiǎn)公司的方法來(lái)加以強(qiáng)調(diào)，所述方法僅需要應(yīng)用監(jiān)視規(guī)定。否則，應(yīng)周期性地執(zhí)行昂貴的預(yù)防性替換或檢查。對(duì)于以上所陳述的理由，且對(duì)于所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀和理解本說(shuō)明書(shū)時(shí)將即刻變得明顯的下文陳述的其它理由，在此項(xiàng)技術(shù)中需要對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的替代方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一實(shí)施例提供一種渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其用于將風(fēng)傳遞給渦輪機(jī)。所述渦輪機(jī)進(jìn)口塔具有空心的支撐柱；進(jìn)口噴嘴組合件，其以可旋轉(zhuǎn)方式耦合到所述支撐柱；以及塔噴嘴，其安置在所述支撐柱內(nèi)。進(jìn)口噴嘴組合件經(jīng)配置以接納風(fēng)并使風(fēng)加速。塔噴嘴經(jīng)配置以接納來(lái)自進(jìn)口噴嘴組合件的風(fēng)，且進(jìn)一步使從進(jìn)口噴嘴組合件接納的風(fēng)加速，以供傳遞給渦輪機(jī)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的一實(shí)施例的剖示透視圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖1的一部分的放大的視圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的另一實(shí)施例的剖示透視圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的圖3的一部分的放大的視圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的另一實(shí)施例的透視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)的一實(shí)施例的透視圖。
具體實(shí)施例方式在對(duì)本發(fā)明的以下詳細(xì)描述中，對(duì)形成本發(fā)明的一部分的附圖作出參考，且其中以說(shuō)明的方式展示了可實(shí)踐的具體實(shí)施例。充分詳細(xì)地描述了這些實(shí)施例以使得所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`所揭示的標(biāo)的物，且應(yīng)了解，可利用其它實(shí)施例，且可在不脫離所主張的標(biāo)的物的范圍的情況下作出過(guò)程、電的或機(jī)械的改變。因此，不應(yīng)以限制性含義來(lái)理解以下的詳細(xì)描述，且僅由所附權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定所主張的標(biāo)的物的范圍。圖1是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的剖示透視圖。風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100包含渦輪機(jī)進(jìn)口塔 110、流體耦合到渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的渦輪機(jī)120，以及耦合(例如，機(jī)械耦合)到渦輪機(jī)120 的發(fā)電機(jī)130 (例如，60Hz交流(AC)發(fā)電機(jī))。渦輪機(jī)進(jìn)口塔110具有入口 140和出口 142?？諝馔ㄟ^(guò)入口 140進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)口塔110，流經(jīng)渦輪機(jī)進(jìn)口塔110，并通過(guò)出口 142離開(kāi)渦輪機(jī)進(jìn)口塔110。如圖2(出口 142、 渦輪機(jī)120以及發(fā)電機(jī)130的放大的視圖)中所示，通過(guò)出口 142離開(kāi)的空氣從渦輪機(jī)120 的葉片上經(jīng)過(guò)，從而引起渦輪機(jī)120旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)120的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由將渦輪機(jī)120耦合到發(fā)電機(jī)130的合適傳動(dòng)裝置(未圖示)而使發(fā)電機(jī)130旋轉(zhuǎn)。入口 140可具有篩網(wǎng)或其它裝置，以防止鳥(niǎo)類或其它空中物體進(jìn)入?？稍诖讼到y(tǒng)中使用任何常規(guī)的捕鳥(niǎo)裝置。渦輪機(jī)進(jìn)口塔110包含進(jìn)口噴嘴組合件143，進(jìn)口噴嘴組合件143包含會(huì)聚進(jìn)口噴嘴144且可包含與會(huì)聚進(jìn)口噴嘴144鄰接的一體式收集器(integral collector) 146。進(jìn)口噴嘴組合件143借助于軸承152以可旋轉(zhuǎn)方式耦合到渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的支撐柱150。 支撐柱150大體上是垂直的，且用以將進(jìn)口噴嘴組合件143支撐在高于地平面154的垂直高度H處，其中高度H是從進(jìn)口噴嘴組合件143的中央縱軸156測(cè)得的。高度H可為約與常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪機(jī)的轂相同的高度，其中渦輪機(jī)安裝在塔的頂上。舉例來(lái)說(shuō)，高度H可為約100英尺到約200英尺。支撐柱150具有底座151，底座151可在地平面IM處直接接觸地面?；蛘?，進(jìn)口塔110可定位在例如用于近海應(yīng)用的漂浮在水上的平臺(tái)上且可與所述平臺(tái)直接接觸，且在所述情況下地平面巧4將對(duì)應(yīng)于平臺(tái)的表面。渦輪機(jī)120和發(fā)電機(jī)130位于地平面處或靠近地平面，例如，如圖1和圖2中所示，位于約與底座151相同的垂直水平面和約與出口 142 相同的垂直水平面處。進(jìn)口噴嘴組合件143大體上可為水平的。即，進(jìn)口噴嘴組合件143的中央縱軸156 大體上可為水平的。中央縱軸156可大體上平行于風(fēng)的方向，且因此平行于空氣進(jìn)入進(jìn)口噴嘴組合件143的方向。噴嘴組合件143的內(nèi)表面是由平滑材料制成，以便減少由于表面摩擦造成的損失。收集器146在中央縱軸156的方向上從渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的入口平面160延伸到標(biāo)記了收集器146的引出端(exit)的虛線162。收集器146內(nèi)的流道(flow passage)在入口平面160與收集器146的引出端162之間的大小大體上一致，S卩，收集器146內(nèi)流道的橫截面積(垂直于流動(dòng)方向)在入口平面160與引出端162之間大體上一致。當(dāng)入口 140 面向風(fēng)且中央縱軸156大體上平行于風(fēng)向時(shí)，收集器146收集風(fēng)。進(jìn)口噴嘴144流體耦合到收集器146。進(jìn)口噴嘴144內(nèi)的流道在中央縱軸156的方向上會(huì)聚(例如，逐漸變細(xì))，在收集器146的引出端162開(kāi)始且在彎管(elbow) 164的引入端(entrance)結(jié)束。S卩，如圖1中所示，進(jìn)口噴嘴144內(nèi)的流道的橫截面積(垂直于流動(dòng)方向)在收集器146的引出端162與彎管164之間減少。進(jìn)口噴嘴144用以增加收集器146的引出端162與彎管164之間的流速。即，使所述流通過(guò)進(jìn)口噴嘴144致使所述流會(huì)聚且因此加速。注意，進(jìn)口噴嘴144接納來(lái)自收集器146的風(fēng)且使所述風(fēng)加速。彎管164插入在進(jìn)口噴嘴組合件143與軸承152之間。如此，軸承152以可旋轉(zhuǎn)方式將支撐柱150的上端連接到彎管164。支撐柱150是空心的。會(huì)聚塔噴嘴170(例如，柱式噴嘴)位于支撐柱150的內(nèi)部?jī)?nèi)，且可從軸承152延伸到彎管172，所述彎管172耦合到通向出口 142的出口管174(例如，有時(shí)被稱為渦輪機(jī)入口管)。如此，塔噴嘴170流體耦合到進(jìn)口噴嘴144和出口管174。塔噴嘴170大體上可為垂直的。舉例來(lái)說(shuō)，如圖1中所示，塔噴嘴170的中央縱軸 176大體上是垂直的，且大體上垂直于進(jìn)口噴嘴組合件143的中央縱軸156。塔噴嘴170內(nèi)的流道在中央縱軸176的方向上，例如，在向下的垂直方向上會(huì)聚 (例如，逐漸變細(xì))，在彎管164的引出端開(kāi)始且在彎管172的引入端結(jié)束。S卩，如圖1中所示，塔噴嘴170內(nèi)的流道的橫截面積(垂直于流動(dòng)方向)在彎管164與彎管172之間減少。 塔噴嘴170用以增加彎管164與彎管172之間的流速。即，使所述流通過(guò)塔噴嘴170致使所述流會(huì)聚且因此加速。出口管174大體上是水平的。舉例來(lái)說(shuō)，如圖1中所示，出口管174的中央縱軸 178大體上是水平的，且大體上垂直于塔噴嘴170的中央縱軸176，且大體上平行于進(jìn)口噴嘴組合件143的中央縱軸156。彎管172和出口管174將所述流從塔噴嘴170引導(dǎo)到渦輪機(jī)120的葉片上。出口 142(即，渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的出口和管174的出口)處的流速是渦輪機(jī)入口速度。渦輪機(jī)120具有大體上水平的軸180，即，軸180具有大體上水平且大體上平行于出口管174的中央縱軸178的中央縱軸182。舉例來(lái)說(shuō)，渦輪機(jī)120可被稱為水平軸渦輪機(jī)。出口管174的中央縱軸178和軸180的中央縱軸182可大體上共線。注意，對(duì)于此實(shí)施例，渦輪機(jī)進(jìn)口塔110具有大體上水平的出口?；蛘撸瑢?duì)于另一實(shí)施例，可移除彎管172和出口管174，且可使渦輪機(jī)120位于塔噴嘴170的引出端，以使其軸180大體上垂直。舉例來(lái)說(shuō)，軸180的中央縱軸182大體上為垂直的，且大體上平行于塔噴嘴170的中央縱軸176并與之大體上共線。在此實(shí)施例中，渦輪機(jī)120可被稱為垂直軸渦輪機(jī)。注意，對(duì)于此實(shí)施例，塔噴嘴170的引出端處的流速是渦輪機(jī)入口速度，且渦輪機(jī)120接納直接來(lái)自塔噴嘴170的流體流。如此，塔噴嘴170的引出端是渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的出口，意味著渦輪機(jī)進(jìn)口塔110具有大體上垂直的出口。彎管164具有用以將流動(dòng)損失保持為相對(duì)低的曲率半徑。這意味著進(jìn)口噴嘴144 的引出端處和塔噴嘴170的引入端處的流速大體上相同。彎管172也具有用以將流動(dòng)損失保持為相對(duì)低的曲率半徑。另外，出口管174中的損失相對(duì)小。因此，塔噴嘴170的引出端處和出口管174的引出端處的流速大體上相同。如此，進(jìn)口噴嘴144和塔噴嘴170 —起作用，以將流速?gòu)娜肟?140處的速度(風(fēng)速)增加到出口 142處的速度(渦輪機(jī)入口速度)。 注意，彎管、塔噴嘴170以及出口管174的內(nèi)表面是由平滑材料制成，以便減少由于表面摩擦造成的損耗?？蓪?shí)施湍流抑制器，以減少可能由彎管164和172、進(jìn)口噴嘴組合件143、塔噴嘴170以及出口管174中的缺陷和異常造成的彎管164和172、進(jìn)口噴嘴組合件143、塔噴嘴170以及出口管174中的湍流。注意，入口 140處的流(風(fēng))速大體上與常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)的入口處的流(風(fēng))速相同。這意味著，由于使用進(jìn)口噴嘴144和塔噴嘴170來(lái)增加流速，所以渦輪機(jī)120的入口處的流速高于常規(guī)系統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)的入口處的流速(風(fēng)速)。與常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)相比，渦輪機(jī)120的入口處的增加的速度允許渦輪機(jī)葉片較短。舉例來(lái)說(shuō)，渦輪機(jī)的功率輸出與渦輪機(jī)入口速度的三次方成比例，且與葉片長(zhǎng)度的平方成比例。由于本發(fā)明的系統(tǒng)的渦輪機(jī)入口速度由于渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的緣故而高于常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪機(jī)的入口處的風(fēng)速，所以與同一葉片長(zhǎng)度的常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)相比，本發(fā)明的渦輪機(jī)系統(tǒng)具有較高的功率輸出。這意味著，由于渦輪機(jī)的功率輸出與渦輪機(jī)入口速度的三次方成比例，且與葉片長(zhǎng)度的平方成比例，所以本發(fā)明的渦輪機(jī)可具有比常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪機(jī)的葉片短的葉片，且仍然具有較高的功率輸出。較短的葉片還導(dǎo)致阻力比較長(zhǎng)的葉片少，從而導(dǎo)致能量損失比較長(zhǎng)的葉片少。與常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪機(jī)的較長(zhǎng)的葉片相比，較短的葉片導(dǎo)致較低的材料成本、安裝成本以及維修成本。與常規(guī)風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪機(jī)的較長(zhǎng)的葉片相比，較短的葉片更不易有缺陷和故障、占據(jù)較少的空間且產(chǎn)生較少的噪聲和振動(dòng)。如圖1和圖5中所示，例如壓電致動(dòng)器等致動(dòng)器186可物理耦合到進(jìn)口噴嘴組合件143的外表面，例如，進(jìn)口噴嘴144的外表面和/或收集器146的外表面。舉例來(lái)說(shuō)，致動(dòng)器186可以直接物理接觸的方式與進(jìn)口噴嘴144的外表面和/或收集器146的外表面耦合。致動(dòng)器186電耦合到控制器190，以用于接收來(lái)自控制器190的電信號(hào)。例如風(fēng)速計(jì)192等風(fēng)速傳感器可安裝在渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的頂部或頂部附近處的渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的外表面上，以用于感測(cè)風(fēng)速。舉例來(lái)說(shuō)，如圖1中所示，風(fēng)速計(jì)192可安裝在彎管164上或進(jìn)口噴嘴組合件143上。風(fēng)速計(jì)192可電耦合到控制器190，以用于將指示所感測(cè)到的風(fēng)速的電信號(hào)發(fā)送到控制器190。注意，盡管風(fēng)速計(jì)192定位于入口 140 后方，但風(fēng)速計(jì)192定位于充分高于進(jìn)口噴嘴組合件143的上表面的垂直水平面處，以便感測(cè)渦輪機(jī)進(jìn)口塔110外部的盛行風(fēng)速。因此，風(fēng)速計(jì)192有效地測(cè)量入口 140上游的盛行風(fēng)速。例如風(fēng)向標(biāo)194等風(fēng)向傳感器可安裝在渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的頂部或頂部附近處的渦輪機(jī)進(jìn)口塔Iio的外表面上，以用于感測(cè)風(fēng)向。風(fēng)向標(biāo)194捕捉風(fēng)，并相對(duì)于支撐柱150 而使進(jìn)口噴嘴組合件143旋轉(zhuǎn)，以使得將入口 140引導(dǎo)到風(fēng)中，以例如使得進(jìn)口噴嘴組合件 143的中央縱軸156平行于風(fēng)向。風(fēng)向標(biāo)194可電耦合到控制器190，以用于將指示所感測(cè)到的風(fēng)向的電信號(hào)發(fā)送到控制器190。對(duì)于另一實(shí)施例，在接收到來(lái)自風(fēng)向標(biāo)194的電信號(hào)之后，控制器190可即刻將電信號(hào)發(fā)送到鄰近于軸承152而定位的偏航電機(jī)(未圖示)。偏航驅(qū)動(dòng)器(未圖示)可將偏航電機(jī)機(jī)械耦合到進(jìn)口噴嘴組合件143。信號(hào)指示所述偏航電機(jī)激活偏航驅(qū)動(dòng)器，所述偏航驅(qū)動(dòng)器又使進(jìn)口噴嘴組合件143旋轉(zhuǎn)，以使得將入口 140引導(dǎo)到風(fēng)中。響應(yīng)于接收到來(lái)自風(fēng)速計(jì)192的指示風(fēng)速的信號(hào)，控制器可將電信號(hào)發(fā)送到致動(dòng)器186。致動(dòng)器186隨后可通過(guò)基于風(fēng)速在進(jìn)口噴嘴組合件143的外表面上施加力而調(diào)節(jié)進(jìn)口噴嘴組合件143的形狀(例如，輪廓)。即，可基于風(fēng)速來(lái)調(diào)節(jié)收集器146的形狀和/ 或進(jìn)口噴嘴144的形狀。舉例來(lái)說(shuō)，致動(dòng)器可調(diào)節(jié)收集器146的直徑和/或進(jìn)口噴嘴144 的直徑?？刂破?90可存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于施加到致動(dòng)器186以將直徑設(shè)置在某一數(shù)值處所需要的電壓的電壓值。所述某一數(shù)值可對(duì)應(yīng)于提供速度的某種增加和/或針對(duì)某一功率輸出的某一風(fēng)速的減少的損失的直徑。舉例來(lái)說(shuō)，風(fēng)速計(jì)192可檢測(cè)風(fēng)速并將指示風(fēng)速的信號(hào)發(fā)送到控制器190?？刂破?90隨后可確定出口 142處所需要的速度，以產(chǎn)生某一電力。控制器190可進(jìn)一步確定需要將多少電壓施加到致動(dòng)器186以調(diào)節(jié)進(jìn)口噴嘴144和/或收集器146的直徑，以便針對(duì)所檢測(cè)到的風(fēng)速在出口 142處產(chǎn)生所需要的速度。類似地，控制器190可基于所檢測(cè)到的風(fēng)速來(lái)調(diào)節(jié)收集器146的直徑和/或進(jìn)口噴嘴144的直徑，以減少流動(dòng)損失。在風(fēng)速計(jì)192檢測(cè)到風(fēng)速過(guò)大(例如，高于某一值)且可對(duì)渦輪機(jī)120和/或發(fā)電機(jī)130引起破壞的情況下，控制器190可將信號(hào)發(fā)送到螺線管激活的泄放閥193，所述螺線管激活的泄放閥193位于致使泄放閥193打開(kāi)的彎管164和172處。打開(kāi)泄放閥193致使所述流的一部分被泄放，從而將渦輪機(jī)入口速度減少為可接受的值。舉例來(lái)說(shuō)，所述流的一部分可泄放在進(jìn)口噴嘴組合件143與塔噴嘴170之間，且所述流的一部分可泄放在塔噴嘴170與渦輪機(jī)120之間。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，可將所泄放的流引導(dǎo)到另一渦輪機(jī)。在使進(jìn)口噴嘴組合件143旋轉(zhuǎn)以使得將入口 140引導(dǎo)到風(fēng)中且中央縱軸156大體上平行于風(fēng)向之后，收集器146收集風(fēng)，并將風(fēng)引導(dǎo)到進(jìn)口噴嘴144。進(jìn)口噴嘴144使風(fēng)加速。彎管164接收來(lái)自進(jìn)口噴嘴143的經(jīng)加速的風(fēng)，并通過(guò)使風(fēng)大體上轉(zhuǎn)過(guò)90度來(lái)將風(fēng)引導(dǎo)到塔噴嘴170。塔噴嘴170進(jìn)一步使風(fēng)加速。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，彎管172接收來(lái)自塔噴嘴170的經(jīng)進(jìn)一步加速的風(fēng)，并通過(guò)使風(fēng)大體上轉(zhuǎn)過(guò)90度來(lái)將風(fēng)引導(dǎo)到渦輪機(jī)120的出口管174。出口管174將風(fēng)引導(dǎo)到渦輪機(jī)120(例如，當(dāng)渦輪機(jī)120為水平軸渦輪機(jī)時(shí))。對(duì)于另一實(shí)施例，例如，當(dāng)渦輪機(jī)120為垂直軸渦輪機(jī)時(shí)，渦輪機(jī)120可在風(fēng)大體上垂直向下流動(dòng)時(shí)直接從塔噴嘴170接收風(fēng)。圖3是風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)300的剖視透視圖。在圖1和圖3中使用了共用標(biāo)號(hào)，以識(shí)別圖1和圖3共用的組件。共用組件如上文與圖1相結(jié)合所論述。風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)300包含渦輪機(jī)進(jìn)口塔110、渦輪機(jī)120以及發(fā)電機(jī)130。渦輪機(jī)進(jìn)口塔Iio的出口 342位于塔噴嘴170的引出端處，且耦合到地下管道(例如，地下流傳遞系統(tǒng)355)。地下流傳遞系統(tǒng)355流體耦合到塔噴嘴170。地下流傳遞系統(tǒng)355接納離開(kāi)塔噴嘴170的加速的流(例如，在風(fēng)大體上垂直向下流動(dòng)時(shí))，并將所述流傳遞給渦輪機(jī)120，所述渦輪機(jī)120流體耦合到地下流傳遞系統(tǒng)355。圖4是展示地下流傳遞系統(tǒng)355的出口 357、渦輪機(jī)120以及發(fā)電機(jī)130的放大的視圖。在圖2和圖4中使用了共用標(biāo)號(hào)，以識(shí)別圖2和圖4共用的組件。共用組件如上文與圖1和圖2相結(jié)合所論述。出口 357處的流速是渦輪機(jī)入口速度。對(duì)渦輪機(jī)120進(jìn)行定向，以使其大體上垂直的軸180(即，軸180的中央縱軸18 大體上為垂直的。舉例來(lái)說(shuō)，渦輪機(jī)120可被稱為垂直軸渦輪機(jī)。地下流傳遞系統(tǒng)355包含大體上垂直的管359和大體上垂直的管361。管359和 361通過(guò)彎管363和大體上水平的管365而流體耦合?？蓪?shí)施湍流抑制器以減少在管359 和361、彎管363以及管365中的湍流。地下流傳遞系統(tǒng)355用以通過(guò)利用通常存在于地下的較冷的溫度來(lái)增加離開(kāi)塔噴嘴170的流的速度(例如，加速)。較冷的溫度致使地下流傳遞系統(tǒng)355的壁處于低于進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的空氣(風(fēng))的溫度的溫度。舉例來(lái)說(shuō)，管359的壁的溫度低于進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的空氣的溫度。因此，空氣隨著其通過(guò)管359而向下流動(dòng)而冷卻下來(lái)且變得更致密(例如，更重)。進(jìn)入渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的較低密度空氣與在管359中的較高密度空氣之間的差異產(chǎn)生加速通過(guò)管359的向下流動(dòng)的抽吸效果(注意，較冷的空氣具有天然的向下流動(dòng)的趨勢(shì))。抽吸效果用以增加管 359中、且因此地下流傳遞系統(tǒng)355中的流速，這意味著增加渦輪機(jī)入口速度。在一替代實(shí)施例中，渦輪機(jī)進(jìn)口塔110、渦輪機(jī)120以及發(fā)電機(jī)130可位于漂浮在水上的平臺(tái)上，且地下流傳遞系統(tǒng)355可位于水的表面下方。在此實(shí)施例中，由于在水的表面下通常產(chǎn)生較低的溫度，所以地下流傳遞系統(tǒng)355將用以用與當(dāng)?shù)叵铝鱾鬟f系統(tǒng)355位于地下時(shí)相同的方式來(lái)增加流速。對(duì)于另一實(shí)施例，如針對(duì)圖5中的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)500所示，可將兩個(gè)或兩個(gè)以上渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的輸出發(fā)送到耦合到單個(gè)發(fā)電機(jī)130的單個(gè)渦輪機(jī)120。明確地說(shuō)，出口管 174耦合到引導(dǎo)在渦輪機(jī)120處的單個(gè)出口 M2。注意，出口 542處的流速是渦輪機(jī)入口速度。在圖1和圖5中使用了共用標(biāo)號(hào)，以識(shí)別圖1和圖5共用的組件。對(duì)于另一實(shí)施例，兩個(gè)或兩個(gè)以上渦輪機(jī)進(jìn)口塔110可耦合到地下流傳遞系統(tǒng)， 例如地下流傳遞系統(tǒng)355(圖幻?；蛘?，兩個(gè)或兩個(gè)以上渦輪機(jī)進(jìn)口塔110中的每一者可分別耦合到兩個(gè)或兩個(gè)以上地下流傳遞系統(tǒng)355中的相應(yīng)的一者，且地下流傳遞系統(tǒng)355中的每一者可耦合到圖5的單個(gè)出口 M2。圖6是風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)600的透視圖。對(duì)于一個(gè)實(shí)施例，如上文結(jié)合圖1和圖2所描述， 風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)600可包含多個(gè)風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100?；蛘?，如上文結(jié)合圖3和圖4所描述，風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)可包含具有耦合到地下管道的渦輪機(jī)進(jìn)口塔110的多個(gè)風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)300。在另一實(shí)施例中，如圖5中所示，風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)可包含耦合到引導(dǎo)在單個(gè)渦輪機(jī)處的單個(gè)出口的多個(gè)渦輪機(jī)進(jìn)口塔110。在所揭示的實(shí)施例中，渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)位于地平面處或靠近地平面，且與安裝在常規(guī)風(fēng)力系統(tǒng)中的塔頂部上的渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)相比更易于接近。這用以減少維修成本以及噪聲和振動(dòng)。噪聲和振動(dòng)通常引起對(duì)常規(guī)風(fēng)力系統(tǒng)及其支撐結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而引發(fā)故障。另外，如上文所描述，減少渦輪機(jī)葉片的長(zhǎng)度減少了初始資本成本、安裝成本以及渦輪機(jī)的終生維修成本。所揭示的實(shí)施例允許使風(fēng)力發(fā)電農(nóng)場(chǎng)集中化，且因此增加效率并減少成本。風(fēng)力發(fā)電的集中化還將使得在國(guó)家電網(wǎng)中更易于實(shí)施。所揭示的實(shí)施例可實(shí)施為單個(gè)家庭的單個(gè)單元。單個(gè)單元還可安裝在屋頂、較大的船以及其它移動(dòng)(例如，汽車)或靜止的系統(tǒng)上。所揭示的實(shí)施例還可實(shí)施于適合電力要求的任何數(shù)目的群組中。所揭示的實(shí)施例可實(shí)施于安裝在陸地上或近海的商業(yè)風(fēng)力發(fā)電農(nóng)場(chǎng)中?？偨Y(jié)盡管本文已說(shuō)明和描述了具體實(shí)施例，但顯然希望所主張標(biāo)的物的范圍僅受所附權(quán)利要求書(shū)及其等效物限制。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其用于將風(fēng)傳遞給渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)進(jìn)口塔包括 空心的支撐柱；進(jìn)口噴嘴組合件，其以可旋轉(zhuǎn)方式耦合到所述支撐柱；以及塔噴嘴，其安置在所述支撐柱內(nèi)；其中所述進(jìn)口噴嘴組合件經(jīng)配置以接納風(fēng)并使所述風(fēng)加速；且其中所述塔噴嘴經(jīng)配置以接納來(lái)自所述進(jìn)口噴嘴組合件的所述風(fēng)，并進(jìn)一步使從所述進(jìn)口噴嘴組合件接納的所述風(fēng)加速，以供傳遞給所述渦輪機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其中所述進(jìn)口噴嘴組合件包括收集器和一體式會(huì)聚噴嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其進(jìn)一步包括一個(gè)或一個(gè)以上致動(dòng)器，所述一個(gè)或一個(gè)以上致動(dòng)器耦合到所述進(jìn)口噴嘴組合件的外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其進(jìn)一步包括控制器，所述控制器電耦合到所述一個(gè)或一個(gè)以上致動(dòng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其中所述控制器經(jīng)配置以將信號(hào)發(fā)送到所述一個(gè)或一個(gè)以上致動(dòng)器，所述信號(hào)致使所述一個(gè)或一個(gè)以上致動(dòng)器基于風(fēng)速來(lái)調(diào)節(jié)所述進(jìn)口噴嘴組合件的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其進(jìn)一步包括風(fēng)速傳感器，所述風(fēng)速傳感器電耦合到所述控制器以用于感測(cè)所述風(fēng)速并將所述風(fēng)速提供給所述控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其中進(jìn)口噴嘴組合件大體上為水平的，且所述支撐柱和塔噴嘴大體上為垂直的，其中所述塔噴嘴在所述進(jìn)口噴嘴組合件與所述柱的底座之間大體上垂直地延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其中所述底座經(jīng)配置以接觸地面或漂浮在水上的平臺(tái)，且其中所述渦輪機(jī)鄰近于所述底座而定位。
9.一種風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其包括 渦輪機(jī)；發(fā)電機(jī)，其耦合到所述渦輪機(jī)；以及一個(gè)或一個(gè)以上渦輪機(jī)進(jìn)口塔，每一渦輪機(jī)進(jìn)口塔包括大體上水平的進(jìn)口噴嘴組合件，其位于所述渦輪機(jī)進(jìn)口塔的底座上方的垂直水平面處；以及大體上垂直的塔噴嘴，其流體耦合到所述進(jìn)口噴嘴組合件和所述渦輪機(jī)，并在所述進(jìn)口噴嘴組合件與所述渦輪機(jī)之間大體上垂直地延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括 空心的支撐柱；其中所述進(jìn)口噴嘴組合件以可旋轉(zhuǎn)方式耦合到所述空心的支撐柱；且其中所述塔噴嘴安置在所述空心的支撐柱內(nèi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述進(jìn)口噴嘴組合件包括收集器和一體式會(huì)聚噴嘴。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括地下流傳遞系統(tǒng)，所述地下流傳遞系統(tǒng)插入在所述塔噴嘴與所述渦輪機(jī)之間，并使所述塔噴嘴流體耦合到所述渦輪機(jī)。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)大體上位于與所述塔噴嘴的引出端相同的垂直水平面處。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中所述風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是包括多個(gè)所述風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)的一部分。
15.一種將風(fēng)傳遞給渦輪機(jī)的方法，所述方法包括在面向所述風(fēng)中并大體上平行于所述風(fēng)的方向定向的第一噴嘴內(nèi)使所述風(fēng)加速； 進(jìn)一步在大體上垂直于所述第一噴嘴的第二噴嘴內(nèi)使所述風(fēng)加速；以及在所述第二噴嘴中使所述風(fēng)進(jìn)一步加速之后，將所述風(fēng)引導(dǎo)到所述渦輪機(jī)的葉片上。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中隨著所述風(fēng)在所述第二噴嘴中加速，所述風(fēng)大體上垂直向下流動(dòng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述第二噴嘴中使所述風(fēng)進(jìn)一步加速之后但在將所述風(fēng)引導(dǎo)到所述渦輪機(jī)的所述葉片上之前在地下管道內(nèi)使所述風(fēng)加速。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述第一噴嘴內(nèi)使所述風(fēng)加速之、r -IlJ 在收集器中收集所述風(fēng)；以及將所述風(fēng)從所述收集器引導(dǎo)到所述第一噴嘴。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括基于在所述第一和第二噴嘴外部測(cè)量出的盛行風(fēng)速而使用耦合到所述第一噴嘴和/或所述收集器的致動(dòng)器來(lái)調(diào)節(jié)所述第一噴嘴和/或所述收集器的形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其進(jìn)一步包括在所述第一與第二噴嘴之間和/或在所述第二噴嘴與所述渦輪機(jī)之間泄放所述風(fēng)的一部分，并將所述所泄放的風(fēng)引導(dǎo)到另一渦輪機(jī)。
全文摘要
一種渦輪機(jī)進(jìn)口塔，其用于將風(fēng)傳遞給渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)進(jìn)口塔具有空心的支撐柱；進(jìn)口噴嘴組合件，其以可旋轉(zhuǎn)方式耦合到所述支撐柱；以及塔噴嘴，其安置在所述支撐柱內(nèi)。所述進(jìn)口噴嘴組合件經(jīng)配置以接納風(fēng)并使風(fēng)加速。所述塔噴嘴經(jīng)配置以接納來(lái)自所述進(jìn)口噴嘴組合件的所述風(fēng)，并進(jìn)一步使從所述進(jìn)口噴嘴組合件接納的所述風(fēng)加速，以供傳遞給所述渦輪機(jī)。
文檔編號(hào)F03D11/04GK102325989SQ201080007405
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月12日
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