[发明专利]具有受保护涡轮机的柱结构

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年8月22日提交的标题为“Fine Arts Innovation”’的美国临时专利申请61/189,950以及2008年11月24日提交的标题为“Column Structure with Protected Turbine”的美国临时专利申请61/193,395的优先权，两份专利申请的公开内容通过参引整体结合入本文。

背景技术

据美国能源部的记载，现代风力驱动发电机诞生于二十世纪七十年代晚期。见美国能源部2008年7月的“20％Wind Energy by 2030”。直至二十世纪七十年代早期，风能仅占有很小的市场份额，为碾磨谷物和泵水提供机械动力，以及为农用电池充电提供电力。除了电池充电器及通过较大发电机的少量实验之外，1850年和甚至1950年的风车与它们源于的原始设备区别很小。当下，风能占美国总发电量的近1％。

如图1中图示的，绝大多数现代风力涡轮机典型地具有安装在60至80米的塔12顶部处的直径为10至80米的三叶片转子10。2006年美国安装的平均涡轮机可以生产近1.6兆瓦的电能。涡轮机功率输出通过在叶片绕转子轮毂11旋转时使叶片10绕其长轴线转动以改变相对于相关风的迎角(斜度)来进行控制。涡轮机通过使机舱13绕塔转动(偏转)而指向风中。涡轮机典型地以30至150台机器的阵列(电厂)的形式安置。斜度控制器调节功率输出及转子速度以防止结构性部件过载。一般地，涡轮机将在风速为约5.36米/秒时开始发电，并在风速为约12.52至13.41米/秒(28至30英里每小时)时达到最大功率输出。在风速为约22.35米/秒(50英里每小时)时，涡轮机将使叶片倾斜或顺流以停止发电及转动。

在二十世纪八十年代，使用来自于其他工业的低成本零件生产机械的方法通常奏效，但是很笨重、维护成本高并且电网友好性差。加利福尼亚风能走廊中使用了小直径机器，大部分为密集布置的阵列，这在乡村环境中很不美观。这些密集布置的阵列通常也阻挡来自邻近涡轮机的风，给下风位机器带来大量的湍流。对由湍流引起的结构性载荷了解很少，导致重要零件的频繁失效及早期失效。结果影响可靠性及可用性。

认为风驱动电能总量的增长将主要使用集中在有利风条件区域中的当前风机发电厂的概念。另一方面，“分布风技术”(DWT)应用指电表客户端的涡轮机安装。从历史的观点说，DWT已经成为小型机的同义词。二十世纪九十年代的DWT市场集中在用于离网家庭的电池充电、远程电信站及国际村电能应用。

再次根据能源部的记载，DWT从历史的观点说成为小型机的同义词，并且使用尾翼进行被动偏转控制的三叶片设计占主导地位。收拢或用机械联动装置使机器斜向一边转向风几乎普遍用于转子超速控制。商业公司的Endurance Windpower供应一种示例性的小型风力涡轮机。根据其2008年的网站描述，收拢在99.9％的时间里是奏效的，但仍不足以保护在安装中的投资。Endurance Windpower的产品包括冗余制动钳以在某些故障及风力情况下使转子停止。此外，网站表述说风力涡轮机必须放置在任意障碍的湍流区的外部。

已经提出了各种其他设计。可以在1978年9月的《Popular Science》的V·Chase的文章《Winners or Losers？Energy Experts Evaluate 13Wind Machines》中找到一些示例。但是，根据能源部的记载，如果风能想为美国总电力需求作出更多贡献而不仅限于几个百分点，风能技术必须继续演进。

发明内容

本发明实施方式的目标是利用过去未能显著利用的可再生能源的资源。本发明的其他目标是：

(i)将发电能力集成到主要目的可能不是获取风能或水能的建筑物及其他结构中；

(ii)通过利用主要目的可能不是获取风能或水能的建筑物固有特性获得发电效率；和

(iii)通过在消费端提供发电能力而减少发电网上的载荷，以及为电网供电。