專利名稱：浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠與太陽(yáng)能收集器和風(fēng)渦輪發(fā)電機(jī)協(xié)作和形成由太陽(yáng)能動(dòng)力工作的發(fā)電站的太陽(yáng)能豎井。
利用太陽(yáng)能能量和太陽(yáng)能收集器和太陽(yáng)能豎井的方法的這傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)是基于在一大面積太陽(yáng)能收集器內(nèi)的太陽(yáng)能加熱空氣的原理之上。由于太陽(yáng)能豎井的高度，溫暖的空氣向上移動(dòng)、通過(guò)基于收集器的中心上的一協(xié)作的太陽(yáng)能豎井到達(dá)大氣的上層，得到上升氣流速度。溫暖空氣的這上升氣流的熱能的一部分通過(guò)在太陽(yáng)能豎井的基底中的一風(fēng)渦輪和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能。由增強(qiáng)的混凝土制造這傳統(tǒng)系統(tǒng)中的太陽(yáng)能豎井。這具有下列后果；·較高的制造成本；·由于來(lái)自建筑材料和來(lái)自外部限制(例如地震)的技術(shù)局限性，產(chǎn)生太陽(yáng)能豎井的有限高度。
已知這一電站的輸出大致正比于太陽(yáng)能豎井的高度與協(xié)作的太陽(yáng)能收集器的面積的乘積。因此，對(duì)于來(lái)自這一太陽(yáng)能電站的某一功率輸出，太陽(yáng)能豎井的高度決定了它的協(xié)作的太陽(yáng)能收集器的面積。
能夠從由JORG SCHLAICH在1995年出版的“來(lái)自太陽(yáng)的太陽(yáng)能豎井電”書中找到關(guān)于太陽(yáng)能豎井的信息。
本發(fā)明的宗旨是對(duì)于某一給定的功率輸出通過(guò)增加太陽(yáng)能豎井的高度、降低它們的建筑成本和太陽(yáng)能接收器的面積以及因此相應(yīng)的發(fā)電廠的總成本，消除上述所有缺點(diǎn)。
如果我們將太陽(yáng)能豎井構(gòu)造成由用于氣球或飛艇的耐用的彈性材料形成的、并充滿使豎井比空氣輕的氦氣(或其它不可燃的輕的氣體)的雙壁，就能夠?qū)崿F(xiàn)這目標(biāo)。比空氣輕的浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井能夠具有比由增強(qiáng)的混凝土形成的相應(yīng)的太陽(yáng)能豎井更高的高度，同時(shí)它的成本比由增強(qiáng)混凝土形成的傳統(tǒng)的豎井顯著地低些。
考慮太陽(yáng)能豎井唯一地用于溫暖空氣的上升氣流，比空氣較輕的浮動(dòng)的豎井的結(jié)構(gòu)是可用的。因此，由外部風(fēng)和來(lái)自溫暖空氣的內(nèi)部氣流的伯努利壓力產(chǎn)生太陽(yáng)能豎井應(yīng)力。一靈巧設(shè)計(jì)的、簡(jiǎn)單的和花錢不多的結(jié)構(gòu)能夠有效地面對(duì)這些應(yīng)力。用于飛艇或氣球的現(xiàn)代塑料和組成材料能夠用于結(jié)合重量輕和極限應(yīng)力中的高強(qiáng)度和在任何外部條件下的較長(zhǎng)使用壽命的這一結(jié)構(gòu)。
所提出的發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是很重要的，以及指示性地、但不唯一地如以下所述·浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的高度能夠無(wú)限制地增加到將由材料、技術(shù)和成本決定的某最佳高度。
·浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的建筑成本會(huì)比傳統(tǒng)的增強(qiáng)的混凝土豎井的成本顯著地下降。
·浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的橫剖面能夠隨著關(guān)于太陽(yáng)能豎井的優(yōu)化操作的高度易于改變。
·對(duì)于太陽(yáng)能電站的相同的額定功率輸出，協(xié)作的太陽(yáng)能收集器的面積將與高度的增加成比例地下降，因此太陽(yáng)能收集器的結(jié)構(gòu)成本會(huì)成比例地下降。
·能夠選擇浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的高度和太陽(yáng)能收集器的面積的優(yōu)化組合，用于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
·該區(qū)域的地震活動(dòng)不影響該結(jié)構(gòu)。
因此，所提出的發(fā)明能使帶有浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的太陽(yáng)能電站對(duì)于所產(chǎn)生的千瓦小時(shí)能量的每千瓦功率的其它電站具有經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
所提出的浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井是基于支座(1.4)上，如圖1a所示·主豎井(1.1)是由許多部分構(gòu)成的。它具有其中充滿比空氣輕的不可燃?xì)獾碾p壁，從而產(chǎn)生了必要的浮力。在沒(méi)有外部風(fēng)的情況下這提升力迫使主豎井取一垂直位置。
·通過(guò)重的可動(dòng)基底(1.2)懸浮主豎井。該重的可動(dòng)基底的總重量大于主豎井的總浮力。這產(chǎn)生這樣的結(jié)果在沒(méi)有外部風(fēng)的情況下重的可動(dòng)基底位于豎井的支座(1.4)上。
·在沒(méi)有外部風(fēng)的情況下豎井(1.3)的折疊的下部位于支座的上部?jī)?nèi)。
如果有外部風(fēng)，主豎井(1.1)傾斜至一平衡角度。被支撐在支座的邊緣內(nèi)的重的基底(1.2)也接受相應(yīng)的傾斜位置，固定在重基底的下部中的豎井的折疊部分(1.3)頂起和接受這傾斜，保持豎井的連續(xù)性，如圖1b所示。
在以下的諸段落中提出了構(gòu)造浮動(dòng)豎井的指示性的方法。因?yàn)樵谶M(jìn)行此工作中存在若干方法，所以所得出的構(gòu)造方法是指示性的。所提出的構(gòu)造是基于以下的設(shè)計(jì)思想由氣球或飛艇的柔性外包皮(具有0.068公斤/米2的平均表面密度)形成的多個(gè)水平的圓筒形氣環(huán)(balloon cylindrical ring)(環(huán)D1、圖2)包圍主太陽(yáng)能豎井。各圓筒形氣環(huán)D1的內(nèi)部充滿氦氣(它在常規(guī)狀態(tài)下產(chǎn)生10.36牛頓/米提升力)或其它輕的不可燃?xì)怏w(例如NH3、在常規(guī)狀態(tài)下帶有4.97牛頓/米提升力)。該環(huán)具有一矩形橫剖面和諸執(zhí)行閥(valves offulfillment)。環(huán)D1的矩形橫剖面的尺寸主要取決于太陽(yáng)能豎井的直徑。由處于水平應(yīng)力狀態(tài)的耐用的支撐環(huán)D2(圖3)將各圓筒形環(huán)D1與相鄰的環(huán)分開。由硬塑料或合成材料或鋁制成環(huán)D2，并帶有適當(dāng)?shù)闹睆胶秃穸取Ｒ虼?，環(huán)D2由變形的壓縮力支撐氣環(huán)D1。環(huán)D2的總重量必須小于氣環(huán)D1的剩余的提升力。這樣各氣環(huán)D1與至少一環(huán)D2一起作為浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的一部分將能夠上升到任何大氣高度。環(huán)D2的外部具有適當(dāng)?shù)哪┒?，用于在高?qiáng)度線的幫助下在它們之間緊固諸環(huán)D2，以便使諸中間氣環(huán)D1處于壓力作用之下。
所提出的浮動(dòng)太陽(yáng)能豎井是由不變數(shù)量的氣環(huán)D1和支撐環(huán)D2構(gòu)成的一套多個(gè)單獨(dú)的連續(xù)的部分。各部分是由于它的浮力能夠浮起的緊湊的耐用的一套件。通過(guò)在重的可動(dòng)基底(1.2)旁邊的至少三根高強(qiáng)度線使豎井的各部分懸浮，見圖1a。
這樣各部分能夠毫無(wú)問(wèn)題地接受由外部風(fēng)所強(qiáng)加的任何傾斜位置。浮動(dòng)的豎井的諸連續(xù)部分是分開的，并帶有充有來(lái)自環(huán)境空氣的一氣環(huán)，該氣環(huán)不用執(zhí)行閥，而是具有一簡(jiǎn)單的孔或一專用閥，根據(jù)由可變的外部風(fēng)所產(chǎn)生的豎井的諸連續(xù)的單獨(dú)部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)該孔或閥允許空氣進(jìn)入和流出。對(duì)于這中間空氣環(huán)，浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的各部分變成在動(dòng)力學(xué)上與其余部分彼此獨(dú)立。浮動(dòng)的主太陽(yáng)能豎井(1.1)是單獨(dú)地緊固于重基底的、彼此連續(xù)且動(dòng)力學(xué)上獨(dú)立的諸部分的總和。這套件和它的各部分能夠自身浮動(dòng)和承受來(lái)自由溫暖空氣的內(nèi)部上升氣流所產(chǎn)生的伯努利壓力(Bernoulli pressure)和外部風(fēng)所產(chǎn)生的作用力。氣環(huán)D1的厚度足以使它滿足從具有較低溫度的外部空氣通過(guò)太陽(yáng)能豎井流動(dòng)的內(nèi)部溫暖空氣流的熱隔離。
浮動(dòng)主太陽(yáng)能豎井(1.1)通到它的重的可動(dòng)基底(1.2)。重的可動(dòng)基底(1.2)由兩個(gè)相同重量的環(huán)構(gòu)成，在它們之間用特別耐用的高強(qiáng)度和高模量的線連接，并用柔性的耐用的塑料膜包圍，以致它能接受任何傾斜位置，同時(shí)保持連接于豎井支座的頂部。重基底(1.2)的總重量超過(guò)主豎井的總提升力并與它形成一組。在常規(guī)狀態(tài)下，用比支座(1.4)的上部的直徑大的直徑制造的重基座的上環(huán)位于豎井的支座(1.4)上，同時(shí)具有比支座(1.4)的上部的內(nèi)徑小的直徑的下環(huán)保持在豎井的支座(1.4)的內(nèi)部。通過(guò)重基座(1.2)的內(nèi)環(huán)的下部懸吊了浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的最后折疊部分(1.3)。以如主豎井的類似方式構(gòu)造手風(fēng)琴型的這折疊部分，其差別在于構(gòu)成它的諸氣環(huán)D1不用執(zhí)行閥而具有依據(jù)主太陽(yáng)能豎井的傾斜允許大氣的空氣進(jìn)入和從它們流出的一簡(jiǎn)單的孔(或?qū)Ｓ瞄y)。計(jì)算折疊部分的高度，以便它能夠接受主太陽(yáng)能豎井的最大傾斜。
與中間支撐環(huán)D2相結(jié)合的高強(qiáng)度和高模量的線保證了這折疊部分對(duì)于它受到的諸力的強(qiáng)度，并且當(dāng)它傾斜和展開時(shí)它們不允許它的橫剖面變形。當(dāng)有外部風(fēng)迫使太陽(yáng)能豎井接受平衡的傾斜角度時(shí)，這允許浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的平穩(wěn)工作。
如果浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井是自由的、沒(méi)有外部風(fēng)，將具有由主豎井的諸氣環(huán)D1的凈提升力所迫使產(chǎn)生的垂直位置(圖1a)。外部風(fēng)迫使浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井接受重基座跟隨的和最后折疊部分接受其的傾斜，如圖1b所示。傾斜角度將是這樣的一個(gè)角度，在該角度時(shí)垂直于風(fēng)速的豎井分量上的法向阻力等于浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的凈提升力的平衡分量。
在這情況下，外部風(fēng)的流動(dòng)的動(dòng)力場(chǎng)便于熱空氣在太陽(yáng)能豎井頂部流出，因此便于主豎井內(nèi)部的溫暖空氣的上升。
由于有外部風(fēng)而接受的傾斜，這作用潛在地補(bǔ)償了浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的實(shí)際高度的下降。因此，浮動(dòng)太陽(yáng)能豎井的功率輸出能夠?qū)嶋H上與外部風(fēng)無(wú)關(guān)。
應(yīng)該選擇這太陽(yáng)能電站的適當(dāng)?shù)陌惭b位置，以便所預(yù)期的局部風(fēng)不超過(guò)為確保安全的某強(qiáng)度。在外部風(fēng)的最不利狀態(tài)下(即使這些情況實(shí)際上不可能出現(xiàn))，高強(qiáng)度線能夠保證浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井被安全地保持住(withholding)，通過(guò)該高強(qiáng)度線使諸緊固環(huán)D2之間緊固和最終緊固于重基底(1.2)。


圖1a處于垂直位置中的浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井(沒(méi)有外部風(fēng))。
1.1主豎井1.2重的可動(dòng)基底1.3折疊的下部1.4豎井座1.5主豎井的第(N-1)部分圖1b傾斜狀態(tài)中的浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井。
1.1主豎井1.2重的可動(dòng)基底1.3折疊的下部1.4豎井座1.6風(fēng)的方向矢量圖2浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井的圓筒形氣環(huán)(環(huán)D1)。
2.1環(huán)D1的內(nèi)徑2.2環(huán)D1的寬度2.3環(huán)D1的厚度圖3支撐環(huán)(環(huán)D2)。
3.1環(huán)D2的內(nèi)徑3.2環(huán)D2的寬度注意尺寸2.1和3.1分別大致等于尺寸2.2和3.2。
權(quán)利要求
1.一種浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井(圖1a，1b)，它由三個(gè)基本部分組成·主豎井(1.1)，·重基底(1.2)，·折疊部分，主豎井(1.1)由許多動(dòng)力學(xué)上自身獨(dú)立的浮動(dòng)部分組成；主豎井(1.1)的各部分由帶有高強(qiáng)度的增強(qiáng)塑料形成的材料、并被比空氣較輕的不可燃?xì)怏w注滿的諸圓柱形氣環(huán)(圖2)組成；依靠組成它的諸圓柱形氣環(huán)的浮力各個(gè)部分能夠浮起、自己上升；許多硬塑料或合成材料或鋁材管子以鉸接結(jié)構(gòu)形成的諸中間支撐環(huán)(圖3)增強(qiáng)了各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)，以致浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井能承受壓力；在諸支撐環(huán)(圖2)上的諸末端的幫助下用諸高強(qiáng)度線連續(xù)地扎緊諸氣環(huán)(圖2)，以致它們形成一緊湊的部分；主豎井的各緊湊部分由固定數(shù)量的氣環(huán)和支撐環(huán)組成，并用至少三根高強(qiáng)度和高模量的線單獨(dú)地緊固在重基座(1.2)上；用充滿能夠自由地進(jìn)入和流出的大氣中的空氣的一氣環(huán)將各緊湊部分與相鄰的部分分開，以致它變成在它的相鄰部分旁邊的動(dòng)力學(xué)上獨(dú)立的部分；豎井的重基底(1.2)由兩個(gè)相鄰的重量相等的、帶有不同外徑的環(huán)組成，以致上環(huán)具有比豎井支座(1.4)的外徑大的外徑和下環(huán)具有比該支座的內(nèi)徑小的直徑；重基座(1.2)的總重量比主豎井的凈上升力大；重基座(1.2)的兩只環(huán)在它們之間用充分?jǐn)?shù)量的具有特別高強(qiáng)度和模量的線扎綁，這些線被高強(qiáng)度的柔性膜包圍，該膜不允許太陽(yáng)能豎井的空氣在重基底的兩部分之間逃逸；浮動(dòng)太陽(yáng)能豎井的折疊下部由重基座的下環(huán)緊固并是柔性的手風(fēng)琴類型；主豎井由諸氣環(huán)(圖2)和諸支撐環(huán)(圖3)組成；折疊下部的諸氣環(huán)不充有較輕的氣體；各氣環(huán)具有適當(dāng)?shù)目谆蜷y，以便環(huán)境空氣能夠從它們自由地進(jìn)入和流出；由此，在外部風(fēng)的影響下這折疊部分能夠彎曲和接受傾斜，它將接受主豎井和重基底，保證太陽(yáng)能豎井的連續(xù)性(圖1b)。
2.按照權(quán)利要求1的浮動(dòng)太陽(yáng)能豎井，其特征在于它由較輕的耐用材料、其內(nèi)充滿不可燃的氣體(例如He、NH3等)形成的雙壁制成，以及，它能夠自己上升并是柔性的，從而它能夠成功地承受和面對(duì)來(lái)自外部風(fēng)的力和來(lái)自通過(guò)它流動(dòng)的溫暖空氣的上升氣流的伯努利低壓力。
全文摘要
浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井由三部分、主豎井(1.1)、重基底(1.2)和折疊的下部(1.3)組成，如圖1(a)所示。主豎井(1.1)由充滿不可燃的較輕氣體的諸圓筒形氣環(huán)D1(圖2)組成。這諸圓筒形氣環(huán)D1在諸支撐環(huán)D2(圖3)的幫助下在它們之間被扎緊，以致它們形成緊湊的熱絕緣的圓筒形豎井。主豎井的諸緊湊部分被緊固于可動(dòng)的重基底上。諸連續(xù)的緊湊部分由能夠進(jìn)入和流出的環(huán)境空氣充滿的諸環(huán)D1分開，以致保證諸連續(xù)部分的動(dòng)力學(xué)的單獨(dú)性。主豎井能夠浮動(dòng)；自上升和通過(guò)可動(dòng)的重基底(1.2)被緊固于支座(1.4)。在它的重基底的下部?jī)?nèi)緊固太陽(yáng)能豎井的折疊下部(手風(fēng)琴類型，1.3)?？諝饽軌蜃杂傻剡M(jìn)入和流出折疊下部的諸環(huán)，從而浮動(dòng)的太陽(yáng)能豎井能夠接受任何適當(dāng)?shù)膬A斜，以致承受外部的風(fēng)(圖1b)。
文檔編號(hào)F03D1/04GK1742158SQ03825948
公開日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2003年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月27日
發(fā)明者赫里斯托斯·帕帕耶奧爾尤 申請(qǐng)人:赫里斯托斯·帕帕耶奧爾尤