混合风涡轮系统、装置和方法

专利名称：混合风涡轮系统、装置和方法
技术领域：
本发明总体涉及风涡轮技术，尤其涉及将风涡轮装置和方法与其他能量源组合起来的系统。
背景技术：
虽然风涡轮功率作为附加和/或替换能量源具有许多优势，但是它确实具有的缺点是在根本不能产生任何功率或仅产生少量功率时具有时间间隔。因而，已经有多种方法将风功率源和其他独立的功率源组合起来以能够以"恒定功率"形式更可靠地产生功率。
对专利文献的搜索已经揭示了和解决这些问题相关的专利，在下文中总结了这些专利。
US 4204126 (Diggs)揭示了 "Guided Flow Wind Power Machine WithTubularFans"，其中当该机器由风供给动力时能够生成电力。同时，当有足够的风功率时，该机器还具有液压地提升"大重物"的能力。然后当风减退时，允许大重物被向下投以提供能量来驱动发电机。图4和5示出了在相限中布置的重物114至120。
US 5740677 (Vestesen)示出了适于在需要电力和淡水的位置4吏用的系统。然而，这个住宅社区也临近咸水源。存在风柴油机工厂，该工厂为各种使用提供电力并操作蒸馏单元来提供淡水。风/柴油工厂至少包括内燃机、风涡轮、蒸馏单元、包含加热和冷却设备的第一闭合流体电路、以及第二开放流体电路。
US 6127739 (Appa)在2000年10月3日被授权并且是发明人和本申请的发明人相同的三个专利中的第一个。在该专利中，存在具有导致在一个方向的旋转的叶片的前向前转子12,以及位于前转子12的后面并且在相反方向旋转的后转子21 (称为下风面转子21)。该专利陈述增加到该装置的各种项目会产生高出很多的"能量效率因子值"。
US 6278197 (Appa)是发明人的第二个专利，并且揭示了一种风涡轮，该风涡轮具有在一个方向旋转的前向涡轮叶片组以及在第一组后面的并且在相反方向旋转的第二涡轮叶片组。具有这种结构的原因是在经过第一涡轮叶片组的空气中仍然存在能量，该能量在第二涡轮叶片组中被利用。
US 6492743 Bl (Appa)是Appa先生的第三个(最新的)专利，这个专利也示出了风涡轮的基本配置，其中存在前向和后面叶片组。存在具有离心风扇的热交换器，该热交换器使周围空气流通以冷却装置中的交流发电机，并且热空气被叶片中的风道引导到燃烧室。天然气或液体也被传送到旋转框(rotatingframe)。当风速低时，燃料会被注入燃烧室并和大量空气一起被燃烧。热气体在出口喷嘴膨胀以提供推力来辅助风功率。

发明内容
本发明的实施例包括能够提供总的恒定功率输出的风涡轮组件和方法。存在从风涡轮向发电机部传递不恒定功率的风功率部。也存在能够向同一发电机部提供恒定功率的辅助功率部。可以用三种操作模式来操作，即仅风功率模式、仅辅助功率模式、以及组合的风功率和辅助功率模式。


图1是本发明第 一 实施例的混合风涡轮系统的正视图；图2是显示典型风涡轮装置的部件的等轴测分解图，这些部件中的一些或全部能够与本发明实施例的风涡^^装置组合起来；图3是第一实施例的功率生成部16的示意图4、 4A和4B是和图3相似的视图，示出了说明用于辅助驱动的替换位置的第二实施例；
图5和5A是和图1和图3相似的视图，示出了表示支撑塔中的热回收部的第三实施例；
图6示出了本发明的第四实施例，其中蒸汽发生器和蒸汽涡轮机被用作辅助功率源；
图7和7A是示出了还使用太阳能向系统增加能量的基本风涡轮系统；图8和图7相似，因为图8示出了也使用了具有热回收的发动机辅助驱动和相关联的蒸汽涡轮机辅助驱动的基本风涡轮系统；
图9示出了用于太阳能热能系统的系统，其独立于风涡轮功率产生系统但是具有相同的风涡轮结构；
图IO是图7和8的组合，因为图10示出了使用具有热回收的发动机辅助驱
的基本风涡轮能量系统；以及
图ll示出了具有额外的发动机抢的下部结构的基本风涡轮系统，该发动机舱的下部结构用于容纳额外的热回收和功率生成设备。
具体实施例方式
首先通过简要地回顾如图l所示的本发明的第一实施例的整个系统能够更清楚地理解本发明。然后是对图2所示的一组部件的更详细的描述，这些部件通常在现有技术的风涡轮装置中可见并且有的或所有的部件能够被包括在本发明的实施例中。然后是对本发明实施例的更详细的描述。
A. 第一实施例的概要描述
现在进行对第一实施例的更加概要的描述，如上所述，将会参考图l进行描述。存在风涡轮组件IO，该风涡轮组件10包括底部支撑部，该底部支撑部包括由基座12支撑的垂直对准塔11。在塔ll的上端，存在功率(power)生成主支撑结构13,该结构13被可旋转地安装到塔11以围绕位于塔l 1中央的旋转垂直轴14旋转。该支撑部13为第一实施例的功率生成部16提供支撑，并且可以位于通常与风涡轮机使用的发动机抢13的结构中。
整个功率生成部16包括叶片部18、转速改变驱动部20、发电机部22以及辅助功率部24。叶片部18包括多个涡轮叶片28以及连接了叶片18的4仑毂或转子30。
叶片部18和速度改变驱动部20可以净皮分组为主功率生成部，而辅助功率部24 (以及辅助功率或备份功率部件，包括其他实施例中示出的部件)能够被认为是次功率生成部。
主和次功率生成部一起操作以使得发电机22提供恒定功率。
B. —些现有技术部件的总结
已经呈现了对第一实施例的总体描述，现在把注意力转移到图2，如上所述，图2是数个部件的分解图，该部件本身存在于现有:J支术中并且在当前的风涡轮机中通常使用。在图2中仅示出了三个叶片28中的两个并且没有示出转子30。存在低速轴32,该低速轴32 (如图3所示)连接到速度改变驱动部34,该速度改变驱动部34是被稍微示意性地示出的，并且(如其名称所暗示的)具有比轴32更高的RPM的功率输出。
该驱动部34通常是齿轮部的形式。通常，低速轴32的旋转速度在每分钟大约30到60转之间，齿轮部34又连接到发电机22以使得发电机在大约1200到3600RPM之间的速度旋转。这通常是大量当前的发电机所要求的用于产生电力的旋转速度。齿轮部34连接到位于发电机22中的轴38。
提供了测量风速的风速计40以及确定风向的风向标42。风速和风向数据都被发送到控制器44。控制器44，如同其名称所暗示的，执行各种控制功能。例如，控制器44控制偏航驱动46及其关联的发动机48以当风向改变时保持叶片部18朝向风，开始以及停止风涡轮机等。也提供了用于低速轴32的盘式制动器49,并且在现有技术中能够机械地、电力地或液压地应用盘式制动器49以在紧急时停止旋转部件的旋转。
图2中示出的所有或几乎所有部件出现或者可以出现在本发明的实施例中。然而，为了便于说明(例如为了避免使图混乱)，在说明本发明的九个实施例的下述图(图3-11)中不示出这些部件。C.本发明第一实施例的描述
至少在图l、 2和3中的一个中示出了第一实施例的所有(或许多)部件。现在参考图3。需要注意出现在图3中的许多部件也出现在图1或2中。为了清楚起见，图3中的已经在图1和2中任一个或两个中都出现的那些部件具有相似的附图标记，使用后缀"a"来区分那些特定部件。然后，在图3中出现的但是没有在图l或2中出现的部件具有新的附图标记。
现在进行对图3的第一实施例的描述，如同在图l中那样，存在连接到轮毂30a的叶片28a。轮毂30a又连^妄到并且驱动低速轴32a。低速轴32a又驱动速度改变驱动部20a，然后速度改变驱动部20a向发电机22a提供高旋转速度的功率输出。
上段中描述的该第一实施例的部件已经在图1或2中出现。在图3中也示出了能够向发电机22a提供驱动输出的辅助驱动部24a。
为了便于描述，在描述图3中的部件的位置时，应当考虑^"毂30a在前面或向前的位置，并且辅助驱动单元24a的位置应当被考虑具有后面位置。同时，轮毂30a、叶片28a以及^氐速轴32a和在相同轴上旋转的任何其它部件的旋转轴应当被指定"旋转的功率生成轴67"。
现在返回该第一实施例的描述，辅助驱动单元24a向转矩变换器66提供旋转驱动输出。转矩变换器66又具有至超越驱动部件68 (可以简单地是超越驱动离合器)的驱动连4妄，超越驱动部件68又连接到发电机22a的高速轴38a的后端。然后发电机22a的轴38a的前端连接到前向超越驱动部件69，前向超越驱动部件69连接到速度改变驱动部34a的驱动输出部。可以需要或者可以不需要位于辅助驱动单元24a和发电机22a之间的转矩变换器66，并且转矩变换器66依赖于发电机22a和辅助驱动单元24a的设计速度。如果辅助驱动单元24a的操作速度和发电机22a的操作速度接近吻合，超越离合器68会提供将发电机22a^馬合到辅助驱动单元24a的适当的方法。
存在能够具有和辅助驱动单元24a相同功能的多种已有驱动。例如，驱动能够包括内燃机、外燃机、蒸汽涡轮机、蒸汽机、或混合驱动。最通常类型的驱动包括但不限于汽油发动机、柴油发动机、天然气发动机、气体涡轮发动机、蒸汽涡轮机、蒸汽机、斯特林发动机、气体膨胀机、或具有邻近功率源或液压能量的液压或电马达。用于辅助驱动单元24a的能量源能够包括汽油、柴油、喷气燃料、重油、天然气、丙烷、氢、乙醇、煤、木头、或任何其它适于辅助驱动或其协作设备的能量源。D.第一实施例的操作
现在描述该第一实施例的操作特征，让我们回顾三种不同的情况，即
1. 风速足够从而能够生成足够的功率以产生发电机22a的期望的功
率输出；
2. 风速根本不足以驱动叶片部，并且激励辅助驱动部24a来生成所需的电功率；以及
3. 风速能够旋转叶片部18a以仅生成低于发电机22a的期望输出的电功率输出并且能够获取总的电功率输出的期望水平，需要操作辅助驱动部24a。
在第一种情况下(其中风力为足够高的水平)，叶片部18a^皮旋转以全功率输出或接近全功率输出来驱动叶片部18a。更详细地，叶片部18a以足够的功率输出旋转从而速度增加驱动部20a通过超越离合器69动作从而以足够的功率输出驱动发电机22a，从而得到足够的电力。连接到发电机22a的轴38a的超越驱动部68简单地将其连接越过辅助驱动部24a，因而，辅助驱动部24a保持静止。
现在考虑第二种情况，其中或者没有风、或者风速小到使得将叶片部18a置于静止或简单地不旋转的位置。在这种情况下，手动或自动地激励辅助驱动部24a从而其旋转输出被引导通过转矩变换器66,转矩变换器66又通过超越驱动部68动作，超越驱动部68被使得在一方向旋转从而驱动发电机22a。
同时，速度改变驱动部20a保持静止，并且由于驱动部20a和发电机22a之间的连接是超越驱动部件69，发电机22a能够操作以旋转从而使得其和驱动部20a不具有驱动连接并且全部由辅助功率单元24a驱动。
现在考虑第三种情况，其中风产生的功率足够大以实现有用的较低功率输出水平，但是没有大到足以满足期望的功率输出。在这种情况下，利用辅助驱动部24a来使得辅助驱动部24a的转矩变换器66的旋转通过辅助驱动部24a的驱动元件68来动作，并且向发电4几22a的轴38a的后端^是供功率。
同时，叶片28a的倾斜度能够被设置在迎角，以优化通过使用两个功率源得到的功率输出。其效果是发电机22a的轴38a^皮在其前面和后面端部驱动，从而存在足够的功率来生成期望的电力输出。
同时，在该第三操作模式中，两个超越驱动元件(驱动离合器)68和69在它们的接合位置操作，从而以足够高的功率输出向发电机22a提供旋转力。E.第一实施例的应用
现在将我们的注意力转移到本发明第 一 实施例的系统的 一些可能应用上(即可能被使用的各种方式)。如本文上面所示，风涡轮机的缺点之一是其间歇地产生功率。因而，这使得风力属于"不恒定能量产生者"类别。然而，通过在第一实施例的组合中的组合风力涡轮机，其现在变成恒定功率源，能够在持续的基础上向电力网提供能量。
可能使用的另 一种情况是需要可靠电力源的市政。通过第 一实施例的系统，该系统可以被改造从而辅助功率源本身能够生成充分水平的电力。在该情况下，辅助功率源能够在当风涡轮功率源空闲时的时间间隔中作为单独的功率
源操作。然后当风能可用时，系统可以在上述模式1或模式2的模式中操作，其中电力输出全部来自风涡轮，或者可以在模式3的双驱动模式中操作，其中使用风涡轮和辅助功率部的组合操作来驱动发电机22a。
从上述评述可以明显地知道在三个模式中的每个中都需要仅一个发电机22a。在通过发电机提供电力中发生各种花费，例如配电设备、变压器的花费等。通过本实施例的该布置，通过使用相同的发电机降低了额外花费，该发电机用于
1. "仅风功率(power)才莫式"；
2. "单独的辅助功率模式"；以及
3. "组合的风功率/辅助功率模式"。
需要理解在图2中示出的所有部件(或者大量部件)也能够被使用在本发明的每个实施例中。
1. 发电机类型
为了概要地评述发电机22a，向风涡轮机提供了几种不同类型的发电机，包括感应发电机、双馈式感应发电机(用于速度控制)、可变转差率(slip)感应发电机(用于速度的限制改变)、同步发电机(直接地和间接地相连)以及DC发电机(通常小风涡轮机)。服务中的大多数风涡轮机是标准的感应发电机，其是恒定速度机器。可变速度发电机，除了DC发电机之外，能够由控制系统保持在适当的恒定速度。这是对辅助驱动的操作的增加，因为对发电机的额外能量输入不会大地改变发电机速度。对发电机的额外转矩输入筒单地导致来自发电机的更多的功率输出。DC发电机不被认为是对于辅助驱动的理想备选，因为来自辅助驱动的太大的转矩会将风涡轮机加速到风不能有助于能量产生的地步。
2. 辅助驱动考虑
为了概要地评述辅助驱动24a的不同的可能性，可以通过转矩变换器或超越离合器将辅助驱动24a直接耦合到发电机，或者可以还是使用转矩变换器或超越离合器通过齿轮箱将辅助驱动24a连接。在大多数情况下，超越离合器就足够了；然而，如果需要以恒定速度运行发动机并且改变向发电机的输出轴速度，能够使用转矩变换器。如果风涡轮机静止(零速度)并且操作员希望运行发电机，他能够启动辅助驱动24a。因为发电机静止， 一旦辅助驱动开始启动，超越离合器将接合发电机。发电机转子在启动中会和辅助驱动轴一起旋转，并且总是以和辅助驱动相同的速度旋转。
为了将发电机连接到电力网，辅助驱动必须将发电机转子加速到匹配发电机旋转磁场的速度。此时，能够闭合发电机断电器以将发电机连接到电力网。从辅助驱动至发电机的额外功率输入会导致功率从发电机流出到电力网。启动发电机的替换方法可以是使用大多数大型风涡轮具有的软启动特征以将它们连接到电力网。在这种情况下，在闭合断电器之前必须使用风来旋转推进器、齿轮以及发电机以使其接近正常操作速度。在有的情况下，能够使用软启动特征来从完全停止启动发电机。在这种情况下，在发电机到达风能量输入导致功率从发电机流出的速度之前，发电机一直作为马达。
如果辅助驱动具有转矩变换器，在接合转矩变换器以起转发电机之前操作着能够启动辅助驱动并且将其运行到操作速度。通过转矩变换器，能够改变发动机速度，而从转矩变换器的输出轴速度能够被保持在恒定速度，或者相反地，发动机速度能够被保持恒定而输出速度会随着发电机速度而变化。
能够从风涡轮机端、辅助驱动端或同时从这两端驱动发电机。发电机不会知道差异。发电机仅知道转矩被施加到自己的转子上以生成电力。可以使用辅助驱动来减小强风对风涡轮机的影响。可以通过施加来自辅助驱动的一定量的功率来实现该影响的减小，该一定量的功率超过并且大于从风施加到发电机的功率。在这种情况下风涡轮机不向发电机提供满额功率。当强风撞击风涡轮机并且增加发电机输出和导致在齿轮箱上的高负载时，辅助驱动会接收到降^f氐功率输出的自动调节器信号从而发电机和齿轮不会经受增加的毁坏负载。风涡轮机制造者一直致力于改进从而使强风的毁坏影响最小化，并且会欢迎对问题的新的解决方案。控制强风效果的当前方法和电控制系统以及发电机相关联。使用可变转差率发电机以通过允许发电机临时加速(增加的发电机转差率)以允许将额外的风能量转换为动力能量并且不将能量推动经过发电机来帮助解决强风问题。这就象是在风涡轮推进器轴和齿轮箱之间安装了离合器以允许离合器在强风中滑动以避免造成对齿轮的损坏。3.结构的考虑
辅助驱动布置的额外的益处是改变发动机舱的重力中心。辅助驱动作为在作为推进器、轮毂、轴和齿轮箱的发动机艙的相对端上的平衡物。由于那些部件非常重，风涡轮发动机抢必须被定位以保持自己的重力中心在塔的中心上。这就意味着将推进器置于非常靠近塔的位置，塔使得推进器叶片每次经过风涡
轮支撑塔时都被弯曲。在过去，推进器叶片的风影和挠曲(flexing)已经导致叶片的劳损故障。在发动才几艙的相对端上的辅助驱动的重量允许发动机抢被重新定位从而推进器叶片远离塔并且不易受到挠曲和劳损故障。F.本发明的第二实施例
现在参考作为该第二实施例的不同构造的图4、 4A和4B。
第二实施例和第一实施例相似，不同之处在于有的辅助驱动部件被置于不同的相对位置以及在图4A和4B中增加了辅助驱动速度改变部以允许两个辅助驱动的安装。上述的例子是将天然气发动机作为辅助驱动安装，将蒸汽涡轮机作为第二辅助驱动安装。第二辅助驱动是能量回收系统的一部分，能量回收系统能够从第一辅助驱动回收废弃热并且将废弃热转换为蒸汽。然后将蒸汽用作至第二辅助驱动的能量输入。对于第二辅助驱动的使用的另 一个例子是图7所示的太阳能/风混合风涡轮机，其中将太阳热吸收器中生成的蒸汽传递到第二辅助驱动(蒸汽渴轮机)以向发电机提供额外的功率。
和图1 、 2和3中所示部件相同或相似的该第二实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"b，，后缀以区分第二实施例的部件，并且新提及的部件具有新的附图标记。进一步地，为了区分三个不同的版本，在图4的版本中，后缀"b-r会区分图4的版本中的部件，后缀"b-2"会区分图4A的版本中的部件，后缀"b-3"会区分图4B的版本中的部件。
第二实施例的所有的这三个版本具有下述部件叶片^b、轮毂30b、低速轴32b、速度改变部20b、发电机部22b以及辅助驱动部24b。在图4中，所有的这些部件基本上和图3中的对应部件相似地布置，不同之处在于在图4中有两个辅助驱动部24b-l和25b-1。其它特定特征都相同，例如具有和图3的第一实施例中在基本相同的位置的转矩变 器和超越离合器。图4的第二实施例的第 一版本和第 一 实施例的不同之处在于除了辅助驱动24b- l之外还有第二辅助驱动25b- 1,第二辅助驱动25b- l连接到速度改变驱动部20b - 1。来自辅助驱动25b - l的功率纟皮通过速度改变驱动部20b - l发送到发电机22b-l用于额外的功率输出。在图4中，当没有足够的风来旋转风涡轮轴32b- l时，必须安装超越离合器27b - l以将风涡轮轴32b- l从速度改变驱动20b-l解耦合。
在图4的第二版本图4A中，具有相同的部件风涡轮叶片28b-2、轮毂30b-2、低速轴32b-2、速度改变部20b-2、发电机部22b - 2以及辅助功率部24b-2。图4A和图4的不同之处在于具有第二速度改变部26b-2，第二速度改变部26b - 2具有和辅助驱动部24b - 2的可才喿作连冲妾。然后具有第二辅助驱动部25b - 2，第二辅助驱动部25b - 2也具有通过第二速度改变部26b - 2的可操作连接。第二辅助驱动部25b - 2向发电机22b - 2提供从能量回收系统或能量生成系统可得的除了风之外的额外功率，第二辅助驱动部25b - 2是混合风涡轮系统的一部分。
图4B具有和图4A基本相同的部件，不同之处在于除了辅助驱动部24b - 3通过第二速度改变部26b - 3发送功率之外，第二辅助驱动部25b - 3和第二速度改变部26b-3还位于相同侧。在其它方面，它以和图4A的第二版本相同的方式操作。
(i本发明的第三实施例
现在参考图5和5A描述本发明的第三实施例。和前述实施例中的部件相同或相似的该第三实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"c"后缀以区分第三实施例的部件。
在该第三实施例中，使用如图3所示的基本系统，从而该第三实施例的主要部件和它们的功能基本上和第一实施例中的相同。然而，增加的特征是辅助发动机驱动被和有机朗肯循环热回收系统的两级(stage)相组合以提高发动机驱动的整体效率。
在该实施例中，热回收的两级50c和5lc位于风涡轮支撑塔l lc中。
通过该系统，热回收处理捕获来自辅助发动机24c排气以及辅助发动机24c冷却剂的废弃热。同时，使用分离的涡轮和作为塔llc中的热回收系统的一部分的发电机将废弃热转换为有用的电力。
在图5A中来自辅助驱动发动机24c的热排气流到有机朗肯循环锅炉以蒸发有机工作流体。然后冷却的排气在被释放到大气之前流到发射控制单元53c。朗肯循环包括锅炉馈泵54c，锅炉馈泵54c将有机工作流体抽到锅炉52c用于蒸发。蒸气然后流到耦合至发电机56c的膨胀式涡轮55c。来自发电机56c的功率被连接到风涡轮电开关设备。蒸气然后流出膨胀式涡轮至气冷式冷凝器57c，蒸气在气冷式冷凝器57c被冷凝回液体。液体工作流体然后流回锅炉馈泵54c用于再循环。
在该实施例中，辅助驱动发动机冷却剂被从辅助驱动发动机24c传递到有机朗肯循环锅炉58c以蒸发有机工作流体。然后使用冷却剂循环泵59c将冷却的发动机冷却剂抽回发动机24c。朗肯循环包括锅炉馈泵60c，锅炉馈泵60c将有机工作流抽到锅炉58c用于蒸发。蒸气然后流到耦合至发电机62c的膨胀式涡轮61c。来自发电机62c的功率被连接到风涡轮电开关设备。蒸气然后流出膨胀式涡轮61c至气冷式冷凝器62c,蒸气在气冷式冷凝器62c被冷凝回液体。液体工作流体然后流回锅炉馈泵60c用于再循环。
通过将废弃能量转换为额外电力，辅助驱动24c - l是对于混合风涡轮的非常高效的额外功率源。H.本发明的第四实施例
图6示出了本发明的第四实施例。和前述实施例中的部件相同或相似的该第四实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"d"后缀以区分第四实施例的部件。该第四实施例具有和第一实施例中所示的相同的基本操作部件，不同之处在于在第四实施例中，辅助驱动部24d是由蒸汽提供动力的。进一步地，生成的用于提供功率的蒸汽由位于支撑塔lld内的锅炉生成。燃料可以是固体燃料、液体燃料、气体燃料或其它燃料。
如图6所示，存在安装到塔lld的支撑结构13d、叶片部18d、速度改变驱动部20d以及发电机22d。在发电机22d的相对侧还存在两个超越驱动部件68b和69d。
存在固体燃料斗90，固体燃料斗90将固体燃料92引导至熔炉区域94,在熔炉区域94存在由风扇96生成的强迫通风。进一步地，存在液体和/或天然气燃烧器98、汽鼓IOO、泥鼓102、锅炉废气排放部104以及集尘室106。存在至蒸汽 驱动涡轮110的蒸汽管道108。蒸汽驱动涡轮110被定位于向发电机22d提供功 率。来自蒸汽涡轮110的蒸汽排气沿管道112流至气冷式表面冷凝器114并由风 扇116冷却。冷凝物流动到馈水泵105并返回锅炉蒸汽鼓102。 I.本发明的第五实施例
现在参考图7描述本发明的第五实施例。和前述实施例中的部件相同或相 似的该第五实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"e"后 缀以区分第五实施例的部件。
在该第五实施例中，除了风涡轮功率之外还存在太阳能热功率源以及辅助 功率部。在这种情况下，存在三个功率源来驱动发电机，这三个功率源是
1. 风；
2. 太阳能生成的功率；以及
3. 如本文先前所示的，辅助驱动部能够从多种能量源得到燃料，例如由 柴油燃料、天然气、乙醇等驱动的发动机。
风和太阳能能量输入会产生不恒定能量，该不恒定能量不能被依靠作为功 率的恒定源。然而，辅助驱动24e (发动机或涡轮)会是恒定功率生成的最终 备份。因而，具有为风涡轮提供的这三个选项，用户能够购买基本风涡轮、具 有太阳能热能量驱动的风涡轮、具有发动机或涡轮(蒸汽、气体涡轮等)辅助 驱动的风涡轮或具有太阳能热能量驱动和发动机或涡轮驱动的风涡轮。因而， 对风涡轮的不同的能量输入源并不是彼此排斥的而是能够协作以使风涡轮的 输出最大化。通过已经给出的背景信息，图7示出了在图3的第一实施例中示出 的基本部件，以及上述参考图7所述的部件。
因而，存在以辅助驱动发动机24e或其它功率源(见图7A)的形式的恒定 功率源。
在该实施例中，在图7中，存在塔lle，塔lle支撑可旋转地安装的支撑结 构13e、速度改变驱动部20e以及发电机22e。图7A示出了蒸汽涡轮形式的发动 机辅助驱动24e- l以及辅助驱动25e - 1。存在从锅炉馈泵148e - 1引导冷凝物 的冷凝器152e。
为了提供太阳能，图7A示出了存在多个定日镜130e，定日镜130e将太阳光线以会聚图案反射到安装在塔lle中的太阳热吸收器132e。图7A示出了存在锅 炉馈泵134e，锅炉馈泵134e将水或其它液体通过太阳能吸收器132e抽到蒸汽鼓 136e- 1,从而蒸汽能够被从太阳能吸收器132e- l生成的蒸汽和水混合物中分 离。蒸汽或其它气体驱动介质向上运动到蒸汽涡轮125e-1。蒸汽涡轮辅助驱 动25e - l向发电机22e- l提供旋转功率输出以及发动机辅助驱动功率输出24e -1,或者通过另外的可操作连接向发电机22e - l提供旋转功率输出。
在操作中，使用非恒定功率源(即风功率源和太阳能功率源)中的任一或 两者来提供能量输出以旋转发电机22e- 1。在由于周围天气环境而导致没有风 功率和太阳能功率中的任一或两者、并且不产生可用功率或者仅产生较少的功
率输出的情况下，能够使用辅助功率源24e- l来将功率输入补充到充分水平。 然而，如果太阳能功率源和/或风功率源充分的话，将不需要辅助功率部24e-1。
J.本发明的第六实施例
现在参考图8描述本发明的第六实施例。和前述实施例中的部件相同或相
似的该第六实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"r后 缀以区分第六实施例的部件。
在该第六实施例中，存在额外的蒸汽朗肯循环热回收系统以从发动机辅助
驱动排气来回收热。为了描述该第六实施例，参考图8。
离开辅助驱动排气的热发动机排气流到热回收蒸汽发电机144f，在热回收 蒸汽发电机144f中排气中的热生成蒸汽。在被释放到大气之前，冷却的排气然 后流到发射控制单元146f用于处理。
锅炉馈水泵148f将水抽到热回收蒸汽发电机144f以提升蒸汽。蒸汽和水的 混合物流到蒸汽鼓149f,以允许蒸汽从混合物分离并流到蒸汽涡轮辅助驱动 25f，蒸汽鼓149f是热回收蒸汽发电机144f的一部分。通过转动涡轮叶轮并使用 超越离合器68f和69f来驱动辅助速度改变驱动部26f和发电机22f,该蒸汽涡轮
25f将蒸汽能量转换为机械功。
在将其能量的一部分给予蒸汽涡轮25f之后，蒸汽流到气冷式冷凝器152f， 在气冷式冷凝器152f中，该部分能量被冷凝回水。然后蒸汽冷凝物在流到锅炉 馈水泵148f之前流过真空脱气机154f用于氧移除，锅炉馈水泵148f将馈水抽回到热回收蒸汽发电机144f以生成更多的蒸汽。
将热回收系统增加到发动机辅助驱动使得发动机辅助驱动的整体热效率 提高。能够使用数种类型的蒸汽驱动以驱动发电机。替换类型的蒸汽驱动的例 子是旋转螺旋蒸汽驱动机。 K.本发明的第七实施例
现在参考图9描述本发明的第七实施例。和前述实施例中的部件相同或相 似的该第七实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"g"后 缀以区分第七实施例的部件。
该第七实施例包括太阳能热能量系统，该系统使用相同的涡轮结构将风功 率的优点和太阳能功率的优点结合起来。
在该实施例中，将整个太阳能热能量系统从风涡轮功率生成系统分离出 去。太阳能热系统使用有机朗肯循环热回收系统以将太阳能量转换为电力。图 9示出了用于太阳能热系统的工艺流程。系统部件能够位于第九实施例的支撑
塔中或发动机舱的下部结构中。
如图9所示，存在至太阳能吸收器190g的太阳能量输入，太阳能吸收器190g 将热提供到高温热传递流体，使用循环泵189g将该流体抽至通过吸收器190g。 热传递流体然后通过热交换器192g,在热交换器192g，该流体蒸发有机朗肯循 环工作流体。冷却的热传递流体然后流回将其抽回太阳能吸收器190g的循环泵 189g。蒸发的有机流体流出热交换器192g并进入膨胀涡轮193g。膨胀涡轮193g 被耦合至产生电力的发电机194g。蒸发的工作流体，通常是丙烷或丁烷，流动 经过膨胀涡轮至将其冷凝回液体的冷凝器195g。然后液体流到泵196g，泵196g 将工作流体抽回交换器192g用于转换回蒸气。提供膨胀箱以允许热传递流体在 太阳能热系统中的膨胀。
除了将风和太阳能量系统组合在一个结构中带来的成本节省之外，太阳能 和风涡轮具有附加优点在最需要功率输出的白天提供额外的功率输出。 L.本发明的第八实施例
现在参考图IO描述本发明的第八实施例。和前述实施例中的部件相同或相 似的该第八实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"h，，后 缀以区分第八实施例的部件。该第八实施例包括太阳能热能量系统以及具有热回收的发动机系统，使用 相同的风涡轮支撑结构将风功率的优点、太阳能功率的优点、以及发动机功率 的优点结合起来。
图10示出了用于组合的太阳能热系统和具有热回收的发动机系统的工艺
流程。在发动机加热回收系统中，离开发动机24h的热发动机排气流到其中排 气中的热生成蒸汽的热回收蒸汽发电机144h。在被释放到大气之前，冷却的排 气然后流到发射控制单元146h用于处理。锅炉馈水泵148h将水抽到热回收蒸汽 发电机144h以提升蒸汽。蒸汽和水的混合物流到蒸汽鼓149h，以允许蒸汽从混 合物分离并流到蒸汽涡轮辅助驱动25h,蒸汽鼓149h是热回收蒸汽发电机144h 的一部分。通过转动涡轮叶轮并使用超越离合器来驱动齿轮26h和发电机22h， 该蒸汽涡轮25h将蒸汽能量转换为机械功。在将其能量的一部分给予蒸汽涡轮 25h之后，蒸汽流到气冷式冷凝器152h,在气冷式冷凝器152h中，该部分能量 被冷凝回水。然后蒸汽冷凝物在流到锅炉馈水泵148h之前流过真空脱气机154h 用于氧移除，锅炉馈水泵148h将馈水抽回热回收蒸汽发电机144h以生成更多的 蒸汽。
在太阳能热系统中，至太阳能吸收器132h的太阳能输入被转换为蒸汽，该 蒸汽驱动耦合至风涡轮主发电机22h的蒸汽涡轮25h。蒸汽然后离开蒸汽涡轮 25h并流入其中蒸汽被冷凝回水的气冷式冷凝器152h。水然后流过真空脱气机 154h以移除氧并且然后流至馈水循环泵148h，在馈水循环泵148h中被移除氧的 水被抽回太阳能吸收器以生成更多的蒸汽。 M.本发明的第九实施例
现在参考图1 l描述本发明的第九实施例。和前述实施例中的部件相同或相 似的该第九实施例中的部件将具有相似的附图标记，该附图标记带有"i"后 缀以区分第九实施例的部件。相应地，存在推进器叶片28i和轮毂30i。还存在 速度改变功率部20i、发电机22i以及辅助速度改变部26i、辅助驱动部24i以及 第二辅助驱动功率25i，第二辅助驱动功率25i在该例中是蒸汽驱动的涡轮的形 式。
该第九实施例和前述实施例的不同之处在于支撑结构(即发动机抢13i) 具有发动机抢的下部结构14i以提供用于各种目的的另外工作区域，例如以容纳和例如辅助蒸汽涡4仑驱动相关联的热回收i殳备。
现有的技术使用风涡轮支撑塔和发动机舱中的空间以容纳操作风涡轮所 需的所有设备。有的时候将所有的设备以成本有效的方式安装到允许的空间中 是个挑战，对任何附加的设备来说都几乎没有地方。因为发动机抢旋转以使得
必须解决旋转的问题。这意味着设计必须包括挠性接头、电缆、软管或允许必 要旋转的其它互相连接。通过在发动机舱下面并且在支撑塔的下风侧的上面安
装发动机舱的下部结构，可以提供大量空间以安装和发动机舱一起旋转的设 备。因而，消除了接口设备不和旋转的设备一起旋转的问题。
发动机舱的下部结构的另一个优势是能够被牟间制造并且由起重机升起 以固定到发动机抢的下侧。由于发动机艙的下部结构被设计具有不宽于支撑塔 的宽度，对于经过塔的高效气流没有有害作用，这对于风涡轮输出会有负面影 响。相反，发动机抢的下部结构罩的形状会如同塔后的尾巴以辅助偏航控制。
该第九实施例对于前述实施例中描述的任何选项(包括没有这些选项的标 准风涡轮)都有利。该下部结构能够用于标准的风涡轮以容纳电齿轮或位于塔 中的其它设备以在制造过程中实现成本节省。由于极高的支撑塔，可以设计下
所有设备。
在其它选项中示出的各种其它配置同样地适于和发动机抢的下部结构协作。例
如，在图11中，示出了在下部结构的上部的通常由260i指示的热回收蒸汽发电 机或有机朗肯循环热回收设备。然后在上部的下面是由262i指示的气冷式冷凝 器。在发动才几抢的下部结构14i的下面是支撑结构272i,支撑结构272i对下部结 构提供支撑并且也能够为发动机艙13i本身的至少部分提供支撑。该支撑结构 272i包括连接至塔lli的一对圓形环274i，并存在滚柱轴承268i，滚柱轴承268i 被可旋转地安装用于绕塔11 i在环274i上的圓周运动。然后下部结构的支撑结 构，例如由278i所指示的，由这些轴承环所支撑。
发动机艙的下部结构具有和塔相同的宽度。因而，下部结构能够向塔的下 面进一步延伸以包容额外的设备。存在各种选项，包括1. 发动机抢中的^f又发动机配置；
2. /HRSG/蒸汽涡轮/气冷式冷凝器；
3. 发动机/orc热回收/气冷式冷凝器；
4. 太阳能蒸汽发电4几/蒸汽涡轮/气冷式冷凝器；
5. 发动机/HRSG/太阳能蒸汽发电机/蒸汽涡轮/气冷式冷凝器；
6. 太阳能热吸收器(热传递流体)/orc热回收/气冷式压缩机；
7. 发动机/太阳热吸收器(热传递流体)/orc热恢复/空气冷却器。 发动机抢的下部结构141i被固定到发动机舱的下侧从而和发动机艙旋转。
各种设备260i可以位于各种级别上的下部结构中。例子是热回收设备260i、气 冷式冷凝器262i和冷却风扇264i。如上所示的，用于发动机抢的下部结构的结 构支撑274i由塔使用金属支撑环270i来支撑，以当发动机抢旋转至朝向风时使 发动机舱绕支撑环270i具有辊(roll )。太阳能热吸收器280i自身位于支撑塔上。
显然，发动机抢的下部结构的垂直维度能够相当大地变化。在图l的子发 动机舱的表示中，其深度维度(图ll中的"b"所指示)是水平长度维度(图 ll中的"a"所指示)的大约40%，从发动机舱的前向工作端延伸到后面工作 端。显然，根据各种因素，该垂直维度"b"能够被相当大地增加或减小。例 如，该40%维度能够被减小至大约30%、 20%、 15%或10%,甚至低至5%。 同时，该40%维度能够被增加到例如50%、 75%、 100%、 150 0/。、 200%、 250 %、 300%、 400%、 500%的值或甚至可能的更高值。
发动机抢的下部结构是很好的简单方法，用于提供和发动机抢一起旋转的 设备的大量空间并因而消除了和旋转的以及非旋转的设备的接口问题。额外的 重量也会是风涡轮叶片的抵消重量，并且允许该叶片位于远离塔的位置，从而 降低当叶片经过塔时的叶片挠曲。
为了总结本发明的至少一些特征，本发明的实施例提供了下述优点
1. 辅助驱动系统会允许风涡轮生成恒定功率而不是非恒定功率。
2. 将太阳能热回收系统包括风涡轮的混合风涡轮允许由风涡轮和太阳能 热功率发电机使用相同的发电机、开关设备、支撑塔、房地产、以及 传送线。
3. 发动机抢下部结构提供了额外的空间用于安装必须和发动机抢中的设备一起移动的设备，例如热回收系统发电机、空气冷却器、有机朗肯 循环热回收系统和电齿轮。
4. 发动机抢的下部结构罩会作为风涡轮上的尾鳍以辅助偏航i空制。
5. 发动机舱的下部结构模块能够在具有理想工作条件的车间中制造，因 而提高了工人的生产率并降低了制造成本。
6. 位于发动机舱的下部结构中的设备能够被安装在直立的位置并且在整
个制造处理中保持直立的位置。支撑塔中的设备必须在车间制造、运 输或制造处理过程中的某些点被翻转到侧面。
7. 当与单独热能量转换系统的BTU/KWH中的热速率相比时，由于来自风 和太阳能系统的非热能量输入，混合风涡轮的BTU/KWH中的能量转换 效率是非常有效的，该混合风涡轮在一个组合系统中使用风和/或太阳 能和/或热能量输入。
造混合风涡轮的所有部件。 9.发动机抢的下部结构提供在发动机舱中发生火灾的情况下用于操作人
员的替换逃生路线。 尽管通过几个实施例的描述说明了本发明并且详细描述了说明性实施例，
围。所附权利要求的范围内的额外优势和变型对本领域普通技术人员已经显 现。因此，在其更广方面的本发明不限于特定细节、代表的装置和方法、以及 示出和描述的说明性示例。相应地，在不偏离申请人的总体概念的精神和范围 的前提下可以远离这样的细节。
权利要求
1.一种风涡轮组件，能够提供总的恒定功率输出，所述组件包括a.组合的风涡轮支撑结构和功率生成支撑结构，所述风涡轮支撑结构包括塔，所述功率生成支撑结构被可旋转地安装到所述塔；b.发电机部，位于功率生成支撑结构里或在功率生成支撑结构处；c.风功率部，安装到功率生成支撑结构并且至少包括旋转安装的叶片部以提供非恒定风功率输出；d.辅助功率部，将为所述发电机部提供辅助恒定功率输出；e.所述组件设置有功率和/或其它能量传递连接、风功率部以及所述辅助功率部，所述连接用于实现一个或多个所述发电机部之间的旋转功率传递和/或其它能量传递；f.所述风涡轮组件被布置为能够通过在至少三种不同的操作模式中操作来在期望的功率水平向发电机部提供恒定功率，所述三种不同的操作模式是i.“仅风功率模式”，用于存在足够的风速从而叶片部自身就能生成足够的非恒定功率并且辅助功率部能够保持静止的情况；ii.“仅辅助功率模式”，其中风速足够低从而不能驱动叶片部，或者至少低至小的值，并且能够激活辅助功率部以向发电机部提供足够的恒定功率以维持所需的功率输出；和iii.“组合风功率/辅助功率模式”，其中风速使得叶片部的旋转能够仅提供仅部分满足所需功率水平的充足的功率，并且辅助功率部被在向发电机部提供足够的功率以满足所需的功率水平的水平下操作。
2. 根据权利要求l所述的组件，其中存在主驱动部，所述主驱动部包括所述风功率部和将旋转功率从风功率部发送到发电机部的功率传递部。
3. 根据权利要求1所述的组件，其中所述主驱动部包括速度改变驱动部， 以增加发送到发电机部的旋转速度。
4. 根据权利要求2所述的组件，其中所述发电机部包括具有第一和第二 发电机驱动输入连接的发电机，其中第一发电机驱动输入连接具有至主驱动部的第 一可操作连接，第二发电机驱动输入连接具有至辅助功率部的第二可操作 连接。
5. 根据权利要求4所述的组件，其中存在在所述主功率部和发电机驱动 输入部之间的第一超越驱动连接，并且存在位于发电机部和辅助驱动部之间的 第二超越驱动连接，从而所述发电机不需要在具有所述主驱动部的驱动模式下就能够被从辅助功率部驱动，并且当发电机不在具有主驱动部的驱动模式下能 够由辅助功率部驱动。
6. 根据权利要求1所述的组件，其中所述辅助功率部包括转矩变换器以 向所述发电机部提供可变速度功率输入。
7. 根据权利要求2所述的组件，其中所述主驱动连接也从来自所述辅助 功率部的至少 一个功率源^^收功率输入以从所述至少 一个辅助功率源向所述 发电机部发送功率。
8. 根据权利要求2所述的组件，其中所述辅助功率部包括内燃机、外燃 机、蒸汽涡轮机、蒸汽机、混合驱动机、汽油发动机、柴油发动机、天然气发 动机、气体涡轮发动机、斯特林发动机、气体膨胀机、液压马达、以及电动马 达中的一个或多个，用于辅助功率部的功率源能够是液压能量、汽油、柴油燃 料、喷气燃料、重油、天然气、丙烷、氢、乙醇、煤、木头、或任何其它适于 辅助功率部的能量源中的一个或多个。
9. 根据权利要求1所述的组件，其中所述辅助功率部包括具有发动^14非 气和液体发动机冷却剂的燃料燃烧发动机，发动机排气和液体发动机冷却剂被 引导至热回收部以提取废弃能量并将废弃能量转换为有用功率。
10. 根据权利要求9所述的组件，其中在朗肯循环部完成来自排气和发动 机冷却剂的热回收，其中冷却的排气被释放并且冷却剂被返回发动机。
11. 根据权利要求l所述的组件，进一步包括蒸汽生成部和蒸汽涡轮，其 中所述蒸汽生成部位于所述塔中或临近所述塔，所述蒸汽涡轮至少部分包括辅
12. 根据权利要求1所述的组件，包括太阳能吸收部、泵和导管部，所述 泵和导管部被布置用于将液体介质引导通过太阳能吸收部以加热液体介质从 而提供气体介质部分、以及液体介质部分，并且将液体介质部分引导回太阳能吸收器以进一步吸收太阳能热并继续提供液体的液体形式和液体介质的气体 形式，所述组件进一步包括气体液体涡轮机以作为至少部分非恒定辅助功率部，从而存在三种驱动发电机的功率源，所述三种功率源是iv. i.风；v. ii.太阳能生成的功率；以及vi. iii.由能量的恒定源提供燃料的辅助驱动部的部分。
13. 根据权利要求12所述的组件，其中所述液体介质包括水。
14. 根据权利要求1所述的组件，其中所述功率生成支撑结构具有旋转的垂直轴、位于旋转的垂直轴和组件的叶片部的位置之间的前面到后面的前面支 撑结构部分以及位于旋转的垂直轴和支撑结构的端部分之间的后面支撑结构部分，所述支撑结构的端部分相对于旋转的轴位于和前向端部直径方向相反的 位置，所述组件包括下部结构，所述下部结构位于后面支撑结构部分的下面， 从而和所述后面支撑结构部分垂直对准并且连接到所述支撑结构，从而当支撑 结构旋转到各种方向时保持在位于后面支撑结构部分的下面，从而叶片部朝向 风，所述下部结构具有能够存储各种设备的容纳区域。
15. 根据权利要求14所述的组件，其中所述下部结构具有相对于前面至 后面的对准轴的侧面部分，其中所述侧面具有不宽于塔的宽度位置的侧面部分 从而保持避开向后面并且围绕塔流动的气体蒸汽。
16. 根据权利要求14所述的组件，其中所述下部结构具有包含区域的垂 直维度，所述区域至少是下部结构的包含工作区域的水平长度维度的大约20 %。
17. 根据权利要求14所述的组件，其中所述下部结构至少部分由支撑结 构支撑，所述支撑结构被安装到塔从而能够和功率生成支撑结构闺绕塔旋转。
18. —种提供和操作风涡轮组件以提供恒定功率输出的方法，所述组件包括a. 提供组合的风涡轮支撑结构和功率生成支撑结构，所述风涡轮支撑结 构包括塔，所述功率生成支撑结构被可旋转地安装到所述塔；b. 将要被定位的发电机部定位于功率生成支撑结构里或在功率生成支撑 结构处；C.将具有叶片部的风功率部安装到功率生成支撑结构并将这些定位到风位置以向发电机部提供非恒定风功率输出；d. 操作辅助功率部以为所述发电机部提供辅助恒定功率输出；e. 以选择的模式继续操作所述风涡轮组件从而以至少三种不同的操作模 式来在期望的功率水平向发电机部提供恒定功率，所述三种不同的操 作模式是i. "仅风功率模式"，用于存在足够的风速从而叶片部自身就能生成足 够的非恒定功率并且辅助功率部能够保持静止的情况；ii. "仅辅助功率模式"，其中风速足够低从而不能驱动叶片部，或者至 少低至小的值，并且能够激活辅助功率部以向发电机部提供足够的恒定 功率以维持所需的功率输出；和iii. "组合风功率/辅助功率模式"，其中风速使得叶片部的旋转能够仅 提供仅部分满足所需功率水平的充足的功率，并且辅助功率部被在向发 电机部提供足够的功率以满足所需的功率水平的水平下操作。
19. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括提供太阳能吸收部并将液体介质引导通过太阳能吸收部以加热液体介质从而^是供液体介质部分以及气所述发电机部提供恒定功率源，从而存在三种驱动发电机的功率源，所述三种 功率源是i. 风；ii. 太阳能生成的功率；以及iii. 由能量的恒定源提供燃料的辅助驱动部的部分。
20. 根据权利要求18所述的方法，进一步包括提供蒸汽发生部并将蒸汽 1导至辅助功率部以驱动蒸汽涡轮来提供用于发电机的功率。
全文摘要
一种能够提供总的恒定功率输出的风涡轮组件和方法。存在从风涡轮向发电机部传递非恒定功率的风功率部。也存在能够向相同的发电机部提供恒定功率的辅助功率部。这可以在三种操作模式中操作，即仅风功率模式、仅辅助功率模式和组合的风功率和辅助功率模式。
文档编号F03D9/00GK101595303SQ200880003362
公开日2009年12月2日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月30日
发明者托马斯·麦克马斯特 申请人:托马斯·麦克马斯特