专利名称：浮动的太阳能竖井的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够与太阳能收集器和风涡轮发电机协作和形成由太阳能动力工作的发电站的太阳能竖井。
利用太阳能能量和太阳能收集器和太阳能竖井的方法的这传统的发电系统是基于在一大面积太阳能收集器内的太阳能加热空气的原理之上。由于太阳能竖井的高度，温暖的空气向上移动、通过基于收集器的中心上的一协作的太阳能竖井到达大气的上层，得到上升气流速度。温暖空气的这上升气流的热能的一部分通过在太阳能竖井的基底中的一风涡轮和发电机系统转化为电能。由增强的混凝土制造这传统系统中的太阳能竖井。这具有下列后果；·较高的制造成本；·由于来自建筑材料和来自外部限制(例如地震)的技术局限性，产生太阳能竖井的有限高度。
已知这一电站的输出大致正比于太阳能竖井的高度与协作的太阳能收集器的面积的乘积。因此，对于来自这一太阳能电站的某一功率输出，太阳能竖井的高度决定了它的协作的太阳能收集器的面积。
能够从由JORG SCHLAICH在1995年出版的“来自太阳的太阳能竖井电”书中找到关于太阳能竖井的信息。
本发明的宗旨是对于某一给定的功率输出通过增加太阳能竖井的高度、降低它们的建筑成本和太阳能接收器的面积以及因此相应的发电厂的总成本，消除上述所有缺点。
如果我们将太阳能竖井构造成由用于气球或飞艇的耐用的弹性材料形成的、并充满使竖井比空气轻的氦气(或其它不可燃的轻的气体)的双壁，就能够实现这目标。比空气轻的浮动的太阳能竖井能够具有比由增强的混凝土形成的相应的太阳能竖井更高的高度，同时它的成本比由增强混凝土形成的传统的竖井显著地低些。
考虑太阳能竖井唯一地用于温暖空气的上升气流，比空气较轻的浮动的竖井的结构是可用的。因此，由外部风和来自温暖空气的内部气流的伯努利压力产生太阳能竖井应力。一灵巧设计的、简单的和花钱不多的结构能够有效地面对这些应力。用于飞艇或气球的现代塑料和组成材料能够用于结合重量轻和极限应力中的高强度和在任何外部条件下的较长使用寿命的这一结构。
所提出的发明的优点是很重要的，以及指示性地、但不唯一地如以下所述·浮动的太阳能竖井的高度能够无限制地增加到将由材料、技术和成本决定的某最佳高度。
·浮动的太阳能竖井的建筑成本会比传统的增强的混凝土竖井的成本显著地下降。
·浮动的太阳能竖井的横剖面能够随着关于太阳能竖井的优化操作的高度易于改变。
·对于太阳能电站的相同的额定功率输出，协作的太阳能收集器的面积将与高度的增加成比例地下降，因此太阳能收集器的结构成本会成比例地下降。
·能够选择浮动的太阳能竖井的高度和太阳能收集器的面积的优化组合，用于实现优化的技术经济效果。
·该区域的地震活动不影响该结构。
因此，所提出的发明能使带有浮动的太阳能竖井的太阳能电站对于所产生的千瓦小时能量的每千瓦功率的其它电站具有经济上的竞争力。
所提出的浮动的太阳能竖井是基于支座(1.4)上，如图1a所示·主竖井(1.1)是由许多部分构成的。它具有其中充满比空气轻的不可燃气的双壁，从而产生了必要的浮力。在没有外部风的情况下这提升力迫使主竖井取一垂直位置。
·通过重的可动基底(1.2)悬浮主竖井。该重的可动基底的总重量大于主竖井的总浮力。这产生这样的结果在没有外部风的情况下重的可动基底位于竖井的支座(1.4)上。
·在没有外部风的情况下竖井(1.3)的折叠的下部位于支座的上部内。
如果有外部风，主竖井(1.1)倾斜至一平衡角度。被支撑在支座的边缘内的重的基底(1.2)也接受相应的倾斜位置，固定在重基底的下部中的竖井的折叠部分(1.3)顶起和接受这倾斜，保持竖井的连续性，如图1b所示。
在以下的诸段落中提出了构造浮动竖井的指示性的方法。因为在进行此工作中存在若干方法，所以所得出的构造方法是指示性的。所提出的构造是基于以下的设计思想由气球或飞艇的柔性外包皮(具有0.068公斤/米2的平均表面密度)形成的多个水平的圆筒形气环(balloon cylindrical ring)(环D1、图2)包围主太阳能竖井。各圆筒形气环D1的内部充满氦气(它在常规状态下产生10.36牛顿/米提升力)或其它轻的不可燃气体(例如NH3、在常规状态下带有4.97牛顿/米提升力)。该环具有一矩形横剖面和诸执行阀(valves offulfillment)。环D1的矩形横剖面的尺寸主要取决于太阳能竖井的直径。由处于水平应力状态的耐用的支撑环D2(图3)将各圆筒形环D1与相邻的环分开。由硬塑料或合成材料或铝制成环D2，并带有适当的直径和厚度。因此，环D2由变形的压缩力支撑气环D1。环D2的总重量必须小于气环D1的剩余的提升力。这样各气环D1与至少一环D2一起作为浮动的太阳能竖井的一部分将能够上升到任何大气高度。环D2的外部具有适当的末端，用于在高强度线的帮助下在它们之间紧固诸环D2，以便使诸中间气环D1处于压力作用之下。
所提出的浮动太阳能竖井是由不变数量的气环D1和支撑环D2构成的一套多个单独的连续的部分。各部分是由于它的浮力能够浮起的紧凑的耐用的一套件。通过在重的可动基底(1.2)旁边的至少三根高强度线使竖井的各部分悬浮，见图1a。
这样各部分能够毫无问题地接受由外部风所强加的任何倾斜位置。浮动的竖井的诸连续部分是分开的，并带有充有来自环境空气的一气环，该气环不用执行阀，而是具有一简单的孔或一专用阀，根据由可变的外部风所产生的竖井的诸连续的单独部分的相对运动该孔或阀允许空气进入和流出。对于这中间空气环，浮动的太阳能竖井的各部分变成在动力学上与其余部分彼此独立。浮动的主太阳能竖井(1.1)是单独地紧固于重基底的、彼此连续且动力学上独立的诸部分的总和。这套件和它的各部分能够自身浮动和承受来自由温暖空气的内部上升气流所产生的伯努利压力(Bernoulli pressure)和外部风所产生的作用力。气环D1的厚度足以使它满足从具有较低温度的外部空气通过太阳能竖井流动的内部温暖空气流的热隔离。
浮动主太阳能竖井(1.1)通到它的重的可动基底(1.2)。重的可动基底(1.2)由两个相同重量的环构成，在它们之间用特别耐用的高强度和高模量的线连接，并用柔性的耐用的塑料膜包围，以致它能接受任何倾斜位置，同时保持连接于竖井支座的顶部。重基底(1.2)的总重量超过主竖井的总提升力并与它形成一组。在常规状态下，用比支座(1.4)的上部的直径大的直径制造的重基座的上环位于竖井的支座(1.4)上，同时具有比支座(1.4)的上部的内径小的直径的下环保持在竖井的支座(1.4)的内部。通过重基座(1.2)的内环的下部悬吊了浮动的太阳能竖井的最后折叠部分(1.3)。以如主竖井的类似方式构造手风琴型的这折叠部分，其差别在于构成它的诸气环D1不用执行阀而具有依据主太阳能竖井的倾斜允许大气的空气进入和从它们流出的一简单的孔(或专用阀)。计算折叠部分的高度，以便它能够接受主太阳能竖井的最大倾斜。
与中间支撑环D2相结合的高强度和高模量的线保证了这折叠部分对于它受到的诸力的强度，并且当它倾斜和展开时它们不允许它的横剖面变形。当有外部风迫使太阳能竖井接受平衡的倾斜角度时，这允许浮动的太阳能竖井的平稳工作。
如果浮动的太阳能竖井是自由的、没有外部风，将具有由主竖井的诸气环D1的净提升力所迫使产生的垂直位置(图1a)。外部风迫使浮动的太阳能竖井接受重基座跟随的和最后折叠部分接受其的倾斜，如图1b所示。倾斜角度将是这样的一个角度，在该角度时垂直于风速的竖井分量上的法向阻力等于浮动的太阳能竖井的净提升力的平衡分量。
在这情况下，外部风的流动的动力场便于热空气在太阳能竖井顶部流出，因此便于主竖井内部的温暖空气的上升。
由于有外部风而接受的倾斜，这作用潜在地补偿了浮动的太阳能竖井的实际高度的下降。因此，浮动太阳能竖井的功率输出能够实际上与外部风无关。
应该选择这太阳能电站的适当的安装位置，以便所预期的局部风不超过为确保安全的某强度。在外部风的最不利状态下(即使这些情况实际上不可能出现)，高强度线能够保证浮动的太阳能竖井被安全地保持住(withholding)，通过该高强度线使诸紧固环D2之间紧固和最终紧固于重基底(1.2)。
图1a处于垂直位置中的浮动的太阳能竖井(没有外部风)。
1.1主竖井1.2重的可动基底1.3折叠的下部1.4竖井座1.5主竖井的第(N-1)部分图1b倾斜状态中的浮动的太阳能竖井。
1.1主竖井1.2重的可动基底1.3折叠的下部1.4竖井座1.6风的方向矢量图2浮动的太阳能竖井的圆筒形气环(环D1)。
2.1环D1的内径2.2环D1的宽度2.3环D1的厚度图3支撑环(环D2)。
3.1环D2的内径3.2环D2的宽度注意尺寸2.1和3.1分别大致等于尺寸2.2和3.2。
权利要求
1.一种浮动的太阳能竖井(图1a，1b)，它由三个基本部分组成·主竖井(1.1)，·重基底(1.2)，·折叠部分，主竖井(1.1)由许多动力学上自身独立的浮动部分组成；主竖井(1.1)的各部分由带有高强度的增强塑料形成的材料、并被比空气较轻的不可燃气体注满的诸圆柱形气环(图2)组成；依靠组成它的诸圆柱形气环的浮力各个部分能够浮起、自己上升；许多硬塑料或合成材料或铝材管子以铰接结构形成的诸中间支撑环(图3)增强了各个部分的结构，以致浮动的太阳能竖井能承受压力；在诸支撑环(图2)上的诸末端的帮助下用诸高强度线连续地扎紧诸气环(图2)，以致它们形成一紧凑的部分；主竖井的各紧凑部分由固定数量的气环和支撑环组成，并用至少三根高强度和高模量的线单独地紧固在重基座(1.2)上；用充满能够自由地进入和流出的大气中的空气的一气环将各紧凑部分与相邻的部分分开，以致它变成在它的相邻部分旁边的动力学上独立的部分；竖井的重基底(1.2)由两个相邻的重量相等的、带有不同外径的环组成，以致上环具有比竖井支座(1.4)的外径大的外径和下环具有比该支座的内径小的直径；重基座(1.2)的总重量比主竖井的净上升力大；重基座(1.2)的两只环在它们之间用充分数量的具有特别高强度和模量的线扎绑，这些线被高强度的柔性膜包围，该膜不允许太阳能竖井的空气在重基底的两部分之间逃逸；浮动太阳能竖井的折叠下部由重基座的下环紧固并是柔性的手风琴类型；主竖井由诸气环(图2)和诸支撑环(图3)组成；折叠下部的诸气环不充有较轻的气体；各气环具有适当的孔或阀，以便环境空气能够从它们自由地进入和流出；由此，在外部风的影响下这折叠部分能够弯曲和接受倾斜，它将接受主竖井和重基底，保证太阳能竖井的连续性(图1b)。
2.按照权利要求1的浮动太阳能竖井，其特征在于它由较轻的耐用材料、其内充满不可燃的气体(例如He、NH3等)形成的双壁制成，以及，它能够自己上升并是柔性的，从而它能够成功地承受和面对来自外部风的力和来自通过它流动的温暖空气的上升气流的伯努利低压力。
全文摘要
浮动的太阳能竖井由三部分、主竖井(1.1)、重基底(1.2)和折叠的下部(1.3)组成，如图1(a)所示。主竖井(1.1)由充满不可燃的较轻气体的诸圆筒形气环D1(图2)组成。这诸圆筒形气环D1在诸支撑环D2(图3)的帮助下在它们之间被扎紧，以致它们形成紧凑的热绝缘的圆筒形竖井。主竖井的诸紧凑部分被紧固于可动的重基底上。诸连续的紧凑部分由能够进入和流出的环境空气充满的诸环D1分开，以致保证诸连续部分的动力学的单独性。主竖井能够浮动；自上升和通过可动的重基底(1.2)被紧固于支座(1.4)。在它的重基底的下部内紧固太阳能竖井的折叠下部(手风琴类型，1.3)。空气能够自由地进入和流出折叠下部的诸环，从而浮动的太阳能竖井能够接受任何适当的倾斜，以致承受外部的风(图1b)。
文档编号F03D1/04GK1742158SQ03825948
公开日2006年3月1日 申请日期2003年9月8日 优先权日2003年3月27日
发明者赫里斯托斯·帕帕耶奥尔尤 申请人:赫里斯托斯·帕帕耶奥尔尤