专利名称：通过渐开的、可伸缩的和自支撑的烟囱产生机械能的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过具有可伸縮性和自支撑性并由复合材料制成的 渐开形的烟囱来产生机械能的装置。倾斜的烟囱壁成形为向顶部加宽，
并在内部气流上施加远远大于浮力的推力，使涡轮的速度接近100m/s。 烟囱内的低气压使整个装置可以自升起。
背景技术：
将靠近地面的热空气导入烟囱并抛至一定高度，从而进行发电的原 理已众所周知，特别是成为西班牙和澳大利亚的研究课题("太阳塔计划)。 在1986年至1989年间，195 m高的实验塔在马德里南部的曼萨纳雷斯 建成并运行，它可以产生50kW的平均功率，且可靠率达到95%。
所使用的方法包括使空气垂直通过预应力混凝土烟囱的横截面， 并利用与交流发电机连接的涡轮收集空气，由于外部空气和导入内部的
更热更轻空气之间存在密度差，因此产生了浮力，在浮力的作用下，内 部气流的部分能量持久运转。
澳大利亚连续提出在几年里建立1000 m高塔的计划，但是存在技术 困难，特别是在大高度、地震需求以及约5~7.5亿美元的昂贵成本方面 限制了建设。全世界还有其他类似的发明，但是仅在浮力方面得以实现， 而且存在的主要缺点是，需要成本昂贵的结构来满足操作所需的必要和 足够的高度，据估计高度为200 m至超过1000 m。
发明内容
与利用施加在通过烟囱的热空气上的浮力的已知技术相比，本发明
具有以下优点
1)通过倾斜烟囱壁作用在烟囱内向上运动的内部热气流上的推力
比作用在相同气流上的浮力高超过1000倍。这样使得在空气进入烟囱之 前，在关口安装的涡轮处的空气速度超过100m/s,远远超过仅使用浮力 而广泛进行的早期实验的结果(所记录的速度约为15m/s)。因此，能量效 率达到十倍。
2) 所述烟囱在空气中是自支撑的，并且不需要昂贵的混凝土或其他 材料的结构来支撑，还可以容易地设立于任何地方，包括海面上(没有海 浪的条件下)或地震区。这种优点是由于烟囱内部从涡轮所在的关口到高 处的空气出口的任何水平均处于持续低压下的原因。由于存在压差，使 外部空气在倾斜烟囟壁上施加强度足以抵消向上运动的内部气流引起的 向下推力的向上推力并抵消烟囱结构的重量。所述压差产生比被加到向 上运动的空气作用在烟囱罩上的向下推力上的烟囱重量更强的向上推 力。
3) 所述烟囱内任何高度处呈现出的低压是由于气流在通过关口处 的涡轮时吸收能量以及气流在通过渐縮形的进气管导入烟囱时加速的原 因。
4) 所述烟囱是可伸縮的，因而可以在地面进行组装，不会因为大高 度而导致高成本的工作，并且可以相距地面展开和折叠，特别适于维护 和在恶劣天气的情况下。
具体实施例方式
本发明在于制造主要由复合材料(玻璃纤维、碳或其他耐日光的材料) 制成的非常轻的烟囱，它可以漂浮在空中并提供几百兆瓦的有用输出(参 照图1和图2)。
使用这些材料使结构既非常轻又有足够的硬度，尽管存在自身重量 和相关气动载荷的影响，但是它可以保持形状不变。
烟囱3的主体是可伸縮的，并由端部与端部稳固相连的去掉顶端的 锥体4构成。顶部最高元件为下表面敞开的半凸圆状的导流板输出9。由 此，该烟囟形成为
-渐开部分，其与中心轴形成的角度5为1°~5°，-几百米的高度6和几十米的直径13。
该烟囱的伸縮元件处在高于内部空气的外部大气压下，由复合材料 制成的水平固定轮15设在伸縮元件的顶端，并且象自行车轮一样施加预 应力，使其不变形， 一个以上的相同类型的可垂直移动的中间轮16用于 加强各伸縮元件4的气流截面。在该烟囱展开时，该各中间轮在用于展 开的外壳内垂直地向下移动；在该烟囱折叠时，在该固定轮的下方向上 移动至与该伸縮元件形成互锁(参照图5)。
导流板输出9通过六个垂直罩20与最后元件相连接，将作用在该导 流板输出上的流体施加的力传递至该烟囱的外围。该垂直罩沿着六个径 向跨度放置以引导气流，从而减小物料损失。从顶部滑动到底部的六个 内部电动滑板IO可以打开和关闭各出气口，且具有良好的气密性。该六 个出气口还可以调节气流方向，以便根据该烟囱整个高度上受到的横向 风力来引导该烟囱头部的位置。
在包括作用在导流板输出9上的向上推力的气动力的作用下，该烟 囱的伸縮元件保持在垂直张力下，所述张力通过该烟囱的外围罩。没有 拉紧的线缆14沿该烟囱的轴从最后元件垂直向下移动到地面，在地面上 通过绞盘(图未示)拉紧。该线缆包含止推环，在每个固定轮上配置一个止 推环，与连接在各轮上的隔板相对，使得可以将各伸縮元件向下拉。该 线缆的作用是在展开和折叠阶段中将元件向下拉至最靠近地面。
进气管1具有整体上渐縮的截面，由两个重叠的3D表面11和12 界定，通过绕该烟囱的轴旋转四分之一圆周生成。下表面12的中部被加 强，因为它受到进入进气管的空气的推力，气流首先沿该烟囱的径向流 向轴向，之后转换成与该烟囱的轴平行的向上方向。
上表面11通过六个沿径向排列和分布的垂直罩固定在该下表面上， 垂直罩具有双重功能，即将该下表面和该上表面固定在一起和以尽可能 减少物料损失的方式将空气导入该烟囱的关口。
通过水平布置在该关口处的涡轮2收集机械能，该关口将该进气管 1与该烟囱3的主体分开，以便在空气速度最高的地方收集能量，获得最 佳输出。
图l示出装置的剖视图。
图2示出装置展开的总体视图。
图3示出伸缩元件的总体视图。
图4示出两个伸縮元件之间的接合处的细节图。
图5示出相互嵌入的两个伸縮元件的细节图。
图6示出导流板9的下部的视图。
附图中相关标记具有以下含义
1. 进气管
2. 涡轮
3. 渐开形的烟囱
4. 由复合材料制成的伸縮元件，厚度0.2cm 2cm
5. 角度，1°~5°
6. 高度，200m l,500 m
7. 热空气
8. 冷空气
9. 下表面敞开的半凸圆状的导流板
10. 电动滑板
11. 进气管的3D上表面
12. 进气管的3D下表面
13. 直径，10m 50m
14. 伸縮元件的牵引线缆
15. 固定轮，由复合材料制成并被下面的17约束
16. 中间轮，由复合材料制成
17. 两个元件之间的外部固定
18. 两个元件之间的内部固定
19. 伸縮元件高度，10m 20m
20. 出气管的垂直罩
操作方法
当内部空气持久运动时，渐縮形进气管以及穿过涡轮的通道中的空 气加速使烟囱内形成低压。外部与内部气压之间的压差在整个烟囱倾斜 罩的圆周上施加推力，由于烟囱由轻质材料制成，使得向上的推力可以 升起烟囱，其中轻质材料由不可变形的复合材料构成。
展开
烟囱升起的过程如下以一个元件嵌入另一个元件内的方式(参照图 5)，将所有元件放置在地面上。最后元件，即顶部的导流板，盖住所有 其他元件。如图5所示，当装置折叠时，作为顶部元件的最后元件盖住
所有的元件。
在导流板上的最后元件被填充不会泄漏的热空气，因为在开始时，
滑板维持在高处位置(图5)以保证紧密封闭。
由于外部空气与最后元件内束缚的热空气之间的密度差，烟囱受到 类似热气球的浮力，从而向上运动。当上部元件上升到足够高时，其本
身沿以下下部元件的较高边缘固定(图4)，接头有助于确保两个元件之间 的接合处密封，浮力将这两个元件升起，之后，同样地，直到所有的元 件均被升起。第一个元件保持固定在涡轮机的出口，从而确保整个烟囱 密封。为了维持烟囱内的低压并确保烟囱的升起，密封是最重要的。
当所有元件均在空气中升起时，为了让空气出来，在导风口9出口 下面的最后伸縮元件的滑板IO完全打开。然后，束缚在烟囱里的热空气 8通过顶部出去，这样又从地面吸入热空气7，并穿过烟囱开始空气运动。
稳定状态
接近地面的空气被导入分成六个相等径向跨度的进气管1以减少进 入时的物料损失，接着进行从初始的径向运动到向上的垂直运动的圆形 导引。
空气驱动水平布置在烟囱路径和进气管出口处的涡轮2。
在烟囱的出口处，空气8被导入分成六个相等跨度的下表面敞开的 半凸圆状的导流板中。六个跨度的分割允许将空气以最小物料损失传递
到出口。下表面敞开的半凸圆状的导流板9的形状驱使空气向下运动，
因此可以收集牵引整个结构所需的推力。
根据六个区域的各个方向，通过电机致动的滑板IO来调节流出的气
流。因此，出口处的气流方向可以按需调节，从而允许在烟囱顶部产生 用于抵消施加在整个高度上的风力的水平推力。气流的方向由计算机从 地面上来控制。
该装置必须建立在温暖区域以防止冰的沉积，而冰的沉积会增加结 构高度直到超过气动推力并可能对稳定性产生威胁。控制由涡轮保持的进气速度和功率，使温度保持在正值(摄氏度)， 以防止冰在结构内部的沉积。
折叠
为进行维护操作或者在极恶劣的天气情况下，伸縮元件4可以通过 沿着烟囱轴向下行走的由复合材料制成的线缆14返回到地面。通过作用 在隔板上的类似止推环的装置与每个固定轮15连接的线缆仅在最靠近地
面的伸縮元件上施加牵引力。在下降过程中，直至导流板输出的较高元 件通过它们周围的罩维持在牵引状态。
当各元件接触地面时，通过一种装置将隔板打开，释放止推环并使 线缆继续下降。此时，较高元件的隔板处于牵引状态并被向下拉，使它 与地面上固定它的元件分离。按此方式直到最后的元件。
由于在导流板输出处的空气被引导向下运行，所以在下降过程中可 以维持结构在牵引状态下，并可以随时控制折叠过程。
在此阶段中，烟囱内进气速度由涡轮维持，并为气流提供必要的能
量，以确保折叠操作的安全。 工业应用
本发明可以从完全可再生的能源产生电力，而不会产生任何工业浪 费和任何温室效应。
本发明尤其适于地球上没有冰冻危险的温暖区域。可以在涉及监测
以及展开与折叠的棘手操作的人为干涉最小的情况下，不间断地运行。
本发明可以在任何地方建立，只需建立进气管所需的基础设施，在 地面上需要45 m~100 m的区域。本发明也可以建立在没有海浪的海面 上。在这种情况下，可以与水解海水的氢工厂连接。
权利要求
1.一种从空气产生机械能的装置，其特征在于，所述装置包括固定在地面上渐缩形的进气管(1)、涡轮(2)、具有渐开形(5)和极大高度(6)的自支撑烟囱、以及驱动气流向下运行的输出导流板(9)，所述装置吸入靠近地面的热空气(7)，所述热空气在浮力和倾斜壁产生的气动推力的作用下运动；输送的空气在通过关口时驱动涡轮，产生机械能，其中所述输出导流板通过在出口处将空气(8)向下抛出而牵引所述烟囱的整个结构，其中当所述烟囱离开地面时，利用固定于地面上的绞盘与各元件的隔板之间拉紧的线缆(14)以及由作用在隔板上的类似止推环的装置来控制上升速度，由此，整个结构保持在牵引状态下并在展开和折叠时确保安全。
2. 根据权利要求l所述的装置，其中，所述装置由非常轻和耐久的 材料制成，如复合材料、碳或玻璃纤维。
3. 根据权利要求l所述的装置，其中，在所述烟囱内部持续保持空 气的低压状态，从而使其在有关气动力的作用下自支撑。
4. 根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括在所述输出导 流板处的用于根据需求方向增加或减小出口气流动量的六个滑板(IO)，所 述滑板在地面进行控制，由此可以控制整个高度受到风力作用的所述烟 囱顶部的位置，并且在展开过程中所述滑板保持关闭，从而在所述烟囱 内部束缚热空气直到展开完成。
5. 根据权利要求l所述的装置，其中，所述装置由去掉顶端的锥形 元件(4)构成，所述各元件以伸縮方式彼此嵌入并保持相互关联，以确保 方便和安全地展开和折叠所述装置，特别是在维护或恶劣天气的情况下。
6. —种通过渐开形的烟囱产生机械能的方法，其中，各伸縮元件以 可控制和精确有序的方式被展开和折叠，并且其中a)在展开过程中，滑板保持关闭的顶部元件被充入热空气并开始升 起，随着它的升起，逐个拉起其后的元件，当所述烟囱离开地面时，利 用固定于地面上的绞盘与各元件的隔板之间拉紧的线缆(14)以及由作用 在隔板上的类似止推环的装置控制上升速度，由此，整个结构保持在牵 引状态下并在展开时确保安全，并且其中，在到达终点时，打开所述滑板(10)使所述热空气(8)出来，从而所述空气(7)在所述烟囟里开始运动。 b)在折叠过程中，距离地面的第二个元件由所述轴向线缆向下拉， 开始向地面下降，随着它的下降，所有在它上面的元件下降，并且其中， 当它接触地面时，装置放开所述隔板，使所述线缆继续下降并将下一个 元件向下拉，然后所有在它上面的元件沿着轨道下降，按此方式，直到 最后元件接触地面，由此使所述烟闺安全地折叠起来。
全文摘要
一种通过渐开的、可伸缩的以及自支撑的烟囱产生机械能的装置。本发明涉及一种通过200m～1500m高的烟囱产生机械能的装置，其中，该烟囱是渐开的、可伸缩的和自支撑的，并由赋予轻质和刚性的复合材料制成。该装置包括外部空气(7)用的进气管(1)、涡轮(2)、由去掉顶端的锥形的元件(4)构成的可伸缩的烟囱主体以及在顶部偏转空气(8)的半凸圆状的导流板(9)。渐开形的烟囱由于具有倾斜的烟囱壁，因此对内部空气施加比浮力大得多的推力，从而驱动涡轮速度在大约100m/s的范围内。内部空气的低压使该装置升起。
文档编号F03G6/04GK101360915SQ200780001551
公开日2009年2月4日 申请日期2007年6月5日 优先权日2006年7月17日
发明者马克·雷纳尔 申请人:马克·雷纳尔