專利名稱：發(fā)電設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種從由氧的吸收帶內(nèi)的高功率微波束保持(anchored)和控制的大氣對流單體(cell)產(chǎn)生清潔電能的方法。
背景技術：
由于人類活動向大氣中釋放越來越多的二氧化碳(主要的溫室氣體)而導致的全球變暖已成為對于現(xiàn)代社會未來發(fā)展的主要擔憂。在解決這一巨大問題的過程中的一個重要步驟是對全球范圍內(nèi)的電網(wǎng)脫碳。應采取可能有幫助的任何措施，但除非幾千(幾萬)千兆瓦級的零排放發(fā)電站在本世紀中葉之前投入使用，高度可預測的環(huán)境災難將不可避免。目前，全球存在約4太瓦(TW)的發(fā)電裝機容量，幾乎全部依賴于包括核能在內(nèi)的不可再生能源。在美國，裝機容量為約1TW。平均起來，50%的容量實際上是由于不可避免的需求波動而使用。在2005年，49. 7 %的發(fā)電量來自煤；19. 3 %來自核能；18. 7 %來自天然氣；6. 5%來自水電；3%來自石油；1.6%來自生物質；其余1.2%來自地熱、太陽能和風能。 因此，只有9. 3% (大部分來自水電)是可再生的，并且71. 4%以上導致二氧化碳排放。雖然風電和太陽能發(fā)電快速增長，但在過去幾年中，對可再生資源的相對使用一直沒有總體上的增長，就絕對值而言，對煤和天然氣的使用甚至變得更快。全球的總能源需求為約15TW，并且到本世紀末，該值可以擴大為50TW，或者甚至100TW。隨著石油供應達到峰值并隨后減少，預計電能將代替大部分石油。在不導致二氧化碳排放的現(xiàn)有技術中，只有核能能夠足夠快速地擴大規(guī)模以滿足這種需求，但由于多種原因，這種情況不會發(fā)生。此外，鈾的供應也是會枯竭的。即使核聚變獲得突破，也不會消除對于核能發(fā)電的一些主要擔憂。二氧化碳的螯合作用雖然在技術上可行，但不能滿足轉化為可再生能源的基本需求。本發(fā)明提供了用于利用由微波束產(chǎn)生的太陽能煙囪(solar chimney)形成人造龍卷風以發(fā)電的可再生能源。在與作為“人造龍卷風”的渦旋有關的現(xiàn)有技術(Michaud LM USP 7, 086, 823 ； Michaud LM, Vortex process for capturing mechanical energy during upward heat-convection in the atmosphere，Applied Energy,62, (1999) :241-251)中，假設一旦形成，渦旋將僅僅基于可視為在地面水平處的邊界條件保持穩(wěn)定。雖然龍卷風提供了可用的例證并且啟發(fā)了本發(fā)明人以及本文引用的其他人，但渦旋作為到更高的大氣的穩(wěn)定導管的使用需要超出現(xiàn)有技術提議所提供的任何機制以外的機制。自然龍卷風是一種由在非常大的風暴系統(tǒng)中的多個因素匯集產(chǎn)生的短暫現(xiàn)象。能量必須擴大以保持渦旋，并且必須有意地用來代替在自然龍卷風中由龍卷風渦旋自身周圍的風暴系統(tǒng)產(chǎn)生的條件。然而，龍卷風，特別是可怕的吸入旋渦，的確教導了“動力學煙囪” 的物理可能性。可再現(xiàn)天然存在的風型(wind pattern)的龍卷風計算機模擬系統(tǒng)使用“加壓功能”(forcing function)對龍卷風中心的豎直上升氣流進行模仿(Nolan DS, Almgren AS, Bell JB, Studies of the relationship between environmental forcing and the structure and dynamics of tornado-like vortices, Lawrence Berkeley National Laboratory Report LBNL-47554，S印t. 2000)，在自然中，這種豎直上升氣流是熱反常的結果，即，熱反常是指在地面以上幾千米的高度處存在比在地面水平更熱的空氣。沒有加壓功能，將不存在龍卷風，并且如果加壓功能被置于地面水平，則渦旋將不會到達更高的高度。事實上，自然龍卷風的渦旋形成在更高的高度上，并且僅僅在沿其旋轉軸線向下延伸時觸及地面。常規(guī)的太陽能煙囪概念已經(jīng)過充分的測試，并且目前存在建造100MW級大電站的計劃(Schlaich J, Bergermann R, Schiel W, Weinrebe G, Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems-Utilization of Solar Induced Convective Flows for Power Generation, J. of Solar Energy Engineering, 127(1), (2005) :117-124)。太陽能煙囪電站的功率與由煙囪的高度和地面處的溫室頂篷限定的體積大致成比例。目前在澳大利亞的大電站的計劃需要為200MW的發(fā)電站提供1000m高的煙囪和直徑7km的玻璃頂。由根據(jù)本發(fā)明的微波束形成的“動力學煙囪”可達到5000m或以上，因而將此類發(fā)電站的功率增加五倍至千兆瓦級，并且所有發(fā)電站結構保持在地面水平附近。Steven K. Levine的USP 3，936，652公開了一種基于由現(xiàn)有發(fā)電站(如核電站) 的冷卻塔產(chǎn)生的上升氣流的發(fā)電系統(tǒng)。Gerald I. StiIlman和 Rudolf A. Wiley 的 USP 4，397，793 公開了一種通過經(jīng)由冷卻塔或煙囪的壁中的豎直縫引入渦旋來提高冷卻塔或煙囪的效率的方法。John Ε. McAllister, Jr.的USP 4，499，034公開了一種附加渦旋的冷卻塔，該渦旋經(jīng)由置于入口通道內(nèi)的風車提高了效率，因而允許提取電能。Melvin L. Prueitt的USP 5，483，798公開了其中通過經(jīng)由水噴霧冷卻空氣來驅動氣流的對流塔。Michael A. Dunn的USP 6，772，593公開了一種渦旋驅動發(fā)電站，其中空氣在太陽能收集器下被加熱，其概念類似于上文已引用的太陽能煙囪。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于提取由熱力發(fā)動機發(fā)電產(chǎn)生的功的解決方案，該熱力發(fā)動機由沉積到優(yōu)選地在亞熱帶/熱帶緯度上的海洋或陸地表面的太陽熱來提供動力。最高至對流層頂?shù)母叨鹊膲毫蜏囟鹊姆植记宄乇砻鳎苡锌赡軓拇髿庵刑崛」?，只要某些自然對流單體被穩(wěn)定化和保持在功率提取點上，這依賴于已知的渦輪機械的工作原理。簡言之，熱的濕空氣被由發(fā)電站上方的空氣柱的浮力產(chǎn)生的負壓抽吸而穿過發(fā)電站，其中空氣柱被發(fā)電站自身發(fā)出的高功率微波束加熱。微波發(fā)生器可由發(fā)電站產(chǎn)生的一小部分電能提供動力。微波發(fā)生器的頻率可以為大約60GHz，在分子氧的吸收帶內(nèi)，并被調(diào)節(jié)以允許有效加熱至幾千米的高度。振動陀螺儀是一種可用來產(chǎn)生微波束的成熟的市售微波源?？刹渴鸲鄠€MW級連續(xù)波(CW)振動陀螺儀機組來滿足這樣的微波束的功率需求。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，科里奧利效應(Coriolis effect)使引入的潮濕空氣產(chǎn)生循環(huán)。入口葉片可引導空氣以有助于產(chǎn)生科里奧利效應。引入的空氣在其低端進入發(fā)
4電站并在其穿過入口葉片時獲得速度。渦輪機為發(fā)電機提供動力，所產(chǎn)生的一些電能用來為微波束發(fā)生器提供動力。微波發(fā)生器由電網(wǎng)供電以啟動發(fā)電站，直到單體循環(huán)建立并穩(wěn)定為止。在渦輪機之后，空氣優(yōu)選地穿過收縮部，其中由于速度增加引起的壓降導致冷凝， 冷凝通過注射水霧成核。該階段之后是旋風分離器，其將由此冷凝的水與一般的氣流分離。 由冷凝釋放的蒸發(fā)潛熱被傳遞至氣團，這促進了氣流的上升。干燥且更暖的空氣在以微波束為中心的渦旋中離開發(fā)電站。這種熱力發(fā)動機理論上將在大約300K的海面溫度和約250K的對流層溫度之間工作，地球向空間的大多數(shù)輻射冷卻從該對流層溫度開始進行。因此，最大理論效率將為η =(1-250/300)*100 = 17%。大多數(shù)現(xiàn)代化熱力發(fā)動機在其理論極限的大約一半下工作， 對于通常較高的源溫度，該理論極限接近80%。因此，總效率仍低于50%。如果本發(fā)明的發(fā)電站在半徑IOkm的區(qū)域上工作并達到1 %的效率，即理論極限的6%，則其能夠產(chǎn)生千兆瓦的電能。大型機器的經(jīng)濟性最受關注。這種發(fā)電站的發(fā)電機是普通的，但在低壓/低溫下運行的這樣的大功率渦輪機到目前為止還沒建造出來。高強度復合材料的使用應允許建造在相對高的速度下運行的非常大的機器。替代地，可將多個較小的渦輪發(fā)電機組組合成單個發(fā)電站，例如，每臺的額定功率為35至70麗的32或16臺機組。無論一些大氣對流單體的尺寸是否比另一些更穩(wěn)定，從理論和觀測都可以知道其似乎表示一種“特征值”，但對颶風的深入研究已經(jīng)表明，在這些最大的風暴內(nèi)存在中尺度渦旋(mesovortice)，這些風暴具有可視為用于本發(fā)明的發(fā)電站的對流的基本單元的大致規(guī)模，即半徑IOkm和高度IOkm的規(guī)模。在地球的大氣中的對流單體的尺寸范圍從分子間距到幾千千米，后一種尺寸是稱為哈得來環(huán)流、極地環(huán)流和費雷爾環(huán)流的地球對流單體特征性的。從沉積到大氣中的太陽熱自然提取的功僅僅是風流和洋流的功，其總計約2%。從在最有利的地點可用的熱量提取的功(對流的自然過程平均產(chǎn)生的一半) 似乎是理想的目標。沿著離目前和未來使用者所處位置不遠的溫暖海洋的海岸錨固幾個數(shù)萬GW級的發(fā)電站可最終提供現(xiàn)代社會可能需要的所有電能，并且是以零排放和較低的運營和維護成本提供。平臺和上部結構將優(yōu)選地通過現(xiàn)代化技術由高強度混凝土構造構成。 諸如在造船中使用的鋼結構可提供對混凝土的替代方式，最終選擇將基于預計壽命期內(nèi)的總成本和環(huán)境影響進行。沿著最受大型風暴(在大西洋稱為颶風，在太平洋稱為臺風，在印度洋稱為熱帶氣旋)威脅的海岸錨固幾排這樣的發(fā)電站也將產(chǎn)生這些風暴無法逾越的屏障，因為海面空氣將更冷，并且濕度更低(Alamaro M, Michele J, Pudov V，A preliminary assessment of inducing anthropogenic tropical cyclones using compressible free jets and the potential for hurricane mitigation, J. of Weather Modification,38, (2006) :82-96)。世界正變得越來越熱，但也很危險的是缺乏水資源。在置于水上時，在本發(fā)明的發(fā)電站中涉及的熱傳遞機制之一是通過冷凝來自流入的濕空氣的水而釋放蒸發(fā)的潛熱，就像在颶風中發(fā)生的那樣。冷凝的水在發(fā)電站內(nèi)部被收集并泵送至陸地。正如在這些錨固的機器內(nèi)發(fā)生的“降雨”那樣，大量空氣穿過這些機器。如果全世界所有發(fā)電都以這種方式進行，則地球的所有大氣將在約5年內(nèi)穿過這些機器。雖然目前的CO2水平是主要顧慮，可以想到積極的去除，但需要為了進行去除而使空氣可接近。如果一次循環(huán)可除去的C02，那么在50至100年內(nèi)將(X)2濃度降低10%將變得可行。
替代地，這樣的發(fā)電站也可建造在干燥的陸地上，優(yōu)選地建造在干旱炎熱的沙漠上。濕氣和海洋熱容量的缺乏將導致較低的效率和晝夜運行之間更強的差異，但建造將更簡單，并且成本可能更低。


圖1示出以微波束為中心的大氣對流單體。圖2是發(fā)電站的示意圖，該發(fā)電站利用微波束形成大氣對流單體并收集圍繞其中心和接近地面水平的一些空氣流以將其動能中的一些轉化為電能。圖3示出基于漂浮式平臺的發(fā)電站，其具有用于通過降低經(jīng)過的空氣的濕度來產(chǎn)生潔凈水的冷凝和旋風分離級。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的陸地發(fā)電站。圖5示出具有太陽能收集器的陸地發(fā)電站。圖6示出由用于提高其效率的微波束補充的組合式冷卻塔/煙囪。圖7示出微波驅動的煙塔。圖8是在沒有頂篷構造的漂浮式平臺上的發(fā)電站的示意圖。
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電站優(yōu)選地在漂浮在海上的平臺上運行，并利用濕熱空氣作為熱源和高層大氣作為熱沉。這些發(fā)電站在平均吸收的太陽輻射量在200至300W/m2的范圍內(nèi)且海面溫度為約300K的地方沿著熱帶/亞熱帶海洋的大陸海岸錨固，因此能夠建造成在千兆瓦(GW)級下連續(xù)運行。發(fā)電站的中心周圍的空氣環(huán)流就像天然的旋風分離器；由從發(fā)電站向上指向的微波束加熱的發(fā)電站上方的空氣柱的浮力引發(fā)豎直外流。微波束的頻率集中在大約60GHz，在分子氧的吸收帶范圍內(nèi)。微波束的優(yōu)選來源為振動陀螺儀。除了清潔的電能之外，發(fā)電站還能通過潮濕海平面空氣的冷凝來提供清潔的水。 沿著最受大型風暴(在大西洋稱為颶風，在太平洋稱為臺風，在印度洋稱為熱帶氣旋)威脅的海岸錨固幾排這樣的發(fā)電站也將產(chǎn)生這些風暴無法逾越的屏障，因為海面空氣將更冷， 并且濕度更低。此外，大量空氣將移動經(jīng)過這樣的發(fā)電站，從而為積極地除去大氣中的二氧化碳提供了可能。替代地，這樣的發(fā)電站也可建造在干燥、炎熱、不適合居住的陸地上。在另一個選擇例中，可通過溫室罩殼有利于空氣的流入，該溫室罩殼例如被提出用于太陽能煙囪發(fā)電站，但煙@的物理結構被微波產(chǎn)生的上升氣流代替，該上升氣流可到達對流層頂，因而增加了最大發(fā)電能力，同時避免了建造煙囪的巨大成本。此外，常規(guī)的煙囪(尤其是工業(yè)型的)可以用微波束驅動的上升氣流補充或代替。在本發(fā)明中，上升氣流由從發(fā)電站中心指向上方的微波束產(chǎn)生，微波的頻率被選擇以有效地加熱微波束穿過其中的空氣柱。當空氣從較低的高度向上移動時，其穿過微波束并在其上升過程中繼續(xù)吸收能量。頻率的理想選擇為約60GHz，在分子氧的吸收帶內(nèi)。穿過大氣壓空氣的過程中，該頻率的微波以約10dB/km的速率被吸收，即微波束穿過Ikm的空氣將留下其90%的能量。由于高度越高密度越低，吸收減少，因而微波束將穿透到更高。 在峰值上下吸收更低，因此穿透更高(詳細數(shù)據(jù)可見于=Tretyakov M Yu, Koshhelev MA, Dorovskikh W, Makarov DS, Rosenkranz Pff,6O-GHz oxygen band :precise broadening and central frequencies of fine-structure lines, absolute absorption profile at atmospheric pressure, and revision of mixing coefficients, J. of Molecular Spectroscopy, 231, (2005) :1-14)。吸收光譜的峰值也隨著空氣的壓力和溫度變化，這使微波束穿透復雜化，但也是優(yōu)化微波束穿透的機會。最后，在優(yōu)化微波束時，需要考慮熱空氣和附帶風的豎直速度，順風地傾斜微波束能部分地補償附帶風的影響。因此，微波束產(chǎn)生到更高大氣的導管，即動力學煙 ，其效率和穩(wěn)定性被向外推動更冷更稠密的空氣的渦旋而提尚。在過去的十年中，高功率微波發(fā)生器已經(jīng)在效率和功率方面出現(xiàn)快速進步，其發(fā)展很大程度上是受ITER計劃(國際熱核聚變實驗堆，基于托卡馬克的熱核反應堆)推動， 但也受毫米波長微波不斷擴大的工業(yè)用途推動。以連續(xù)波模式在2MW的功率和從30GHz至遠高于IOOGHz的頻率下工作的振動陀螺儀是可以達到的，那些功率在1麗附近的振動陀螺儀是市場上可獲得的。效率已經(jīng)超過50% (G. G. Denisov, V. E. Zapevalov, A. G. Litvak, and V. Ε. Myasnikov,Megawatt Gyrotrons for ECR Heating and Current-Drive Systems in Controlled—Fusion Facilities, Radiophysics and Quantum Electronics, Vol. 46, No. 10, 2003) 0由穹頂覆蓋的拋物線天線將使微波束準直并向上發(fā)送。如果需要偏軸轉向微波束以對風進行補償，優(yōu)選地，這種轉向可通過以機械方式傾斜天線來進行，電子轉向將需要對振動陀螺儀進行相位控制，這是一種成本高昂的方案(J.T.Kare and K.L. G. Parkin, A Comparison of Laser and Microwave Approacahes to CW Beamed Energy Launch，Beamed Energy Propulsion :Fourth International Symposium,American Institute of Physics，2006)。渦輪機從空氣流提取動能，該空氣流徑向穿過地面水平的入口進入發(fā)電站并從發(fā)電站頂部上的出口軸向地離開。出口由微波導向的動力導管連接到更高的大氣。主入口葉片將引入的空氣引導至機器的中心，并且該主入口葉片還支撐安裝在漂浮式平臺上的整個結構。進入發(fā)電站的空氣流就像自然的旋風分離器，即一種微型的颶風。颶風是由太陽的熱能驅動的相當穩(wěn)定的自然現(xiàn)象。颶風的確需要特殊的條件，因為能量轉換循環(huán)包括僅在狹窄的海面溫度范圍內(nèi)發(fā)生的水的蒸發(fā)和冷凝。與在海水水體上方移動并在其尾流中冷卻表面水的自然颶風相比，這些發(fā)電站有意形成到更高大氣的固定導管，并由在分子氧的吸收帶內(nèi)適當調(diào)整的微波束產(chǎn)生上升氣流，通過這種方式使用一小部分可用功率來保持環(huán)流圈。由濕空氣冷凝釋放的焓提高了本文提出的高功率微波束產(chǎn)生的上升氣流的效率。冷凝通過因速度增加導致的壓降和在注入濕空氣的水霧上方的成核實現(xiàn)。冷凝水在空氣在豎直渦旋中離開發(fā)電站之前的旋風分離階段與空氣分離。圖Ia示出了地面3上方的空氣的對流單體100的豎直剖面圖，其位于直徑D的圓形區(qū)域上，并具有大氣柱的有效高度H。對流單體以微波源1為中心，該微波源產(chǎn)生朝對流單體的頂部4向上指向的微波束2。在對流單體中心內(nèi)的上升氣流5受由微波束2附加地加熱的地面熱空氣的浮力驅動。在大氣的上層中，徑向外流6被向空間中的輻射7冷卻。冷卻的空氣接著沿著單體的外邊界向下8移動。經(jīng)由地面相互作用直接或間接沉積到地面水平空氣的太陽熱10加熱向心空氣流9。如圖Ib所示從上方觀看，沿地面的空氣入流9可實現(xiàn)或多或少的環(huán)流11，該環(huán)流由科里奧利效應引起并依賴于地理位置?；緦α鲉误w尺寸的第一估計為20km的直徑D和IOkm的高度H。圖加示出了發(fā)電站20的基本布局的豎直剖面圖，該發(fā)電站設計成捕集在對流單體的正中央處的一些空氣環(huán)流并提取其能量中的一些。微波束2通過微波源1從由穹頂 120保護的天線12發(fā)出，微波源1設置在地面水平3處。發(fā)電站結構的頂篷21被成形為將空氣流22有效地引入發(fā)電站。在對流單體內(nèi)循環(huán)的大多數(shù)空氣將不可避免地繞過發(fā)電站，如箭頭27所示。然而，第一估計表明，在當前建造技術的物理和經(jīng)濟限制內(nèi)，發(fā)電站可以建造得足夠大，以達到千兆瓦凈功率的預計目標。圖2b的發(fā)電站俯視圖顯示了大型葉片 23的切向布置，該葉片將發(fā)電站的空間分成相等的扇段M，并且支撐頂篷21。在本發(fā)明的其中一個實施例中，扇段M中的每一個容納渦輪機25和發(fā)電機沈的機組。葉片23的切向布置在微波束2上方從發(fā)電站的頂部賦予空氣外流觀角動量，通過經(jīng)龍卷風模擬證明的吸入管機制增加其豎直達到距離。圖3示出了基于部分地潛入水平面30以下的環(huán)形漂浮式平臺31的發(fā)電站20的豎直剖面圖。該圖為示意圖，真實的平面剖面圖將顯示部分地切割的葉片23，為清晰起見， 未顯示部分切割的葉片。由于進入發(fā)電站的空氣22含水量較高，提供了冷凝裝置，該裝置允許水在空氣流在渦旋28中通過發(fā)電站的頂部離開之前冷凝。在穿過渦輪機25之后，空氣流過收縮部32，以增加速度和降低壓力。在空氣流通過收縮部時向空氣流中注入水霧33 起到在空氣流進入塔段34之前使冷凝成核的作用，其中塔段34充當旋風分離器。冷凝水與空氣分離并被甩到塔段34的壁上，從那里如箭頭35所示順著壁向下流動并收集在水池 36中。這種水中的一些用來使冷凝成核，大部分則用泵37泵送至陸地上。平臺由多個錨定索38固定位置并抵抗由空氣流產(chǎn)生的扭矩。諸如圖3中所示的發(fā)電站可另外借助于從流過發(fā)電站的空氣除去二氧化碳而配備設備。雖然未示出細節(jié)，但可以容易地將一些已知的化學方式結合到收縮流的成核/冷凝過程中，然后進行旋風分離。必須對對流單體內(nèi)的空氣流進行詳細模擬，以估計目標GW功率級下的機器尺寸。 水平面上方的結構的高度將可能需要為約150m，平臺的直徑高達500m，即為對流單體直徑的約2.5%。由平臺覆蓋的區(qū)域將僅占單體面積的約0.06%。雖然本文所提出的太陽能收集的效率確實很低，但日射面積比發(fā)電站自身大1600倍的事實指出了與所有現(xiàn)有技術太陽能系統(tǒng)的主要區(qū)別，現(xiàn)有技術太陽能系統(tǒng)通常需要完全覆蓋能量收集區(qū)域。為了給人深刻印象，這些尺寸在今天建造的類似的發(fā)電和輸電相關的結構的范圍內(nèi)，所述結構為例如發(fā)電站的冷卻塔、船體、核電站的安全殼結構、石油鉆井平臺和集裝箱碼頭(Iijima Kauhiro, Kim Yasunobu, Yao Tetsuya, A Structural Feasibity Study on a Concrete Large Floating Structure，Kaiyo Kogaku Shinpojiumu,Vol. 19 ；pg. Rombunno. 16,2006)。如果使用具有水平軸線的更常規(guī)結構的多臺渦輪機(如16臺機組)，則渦輪機的直徑將為約30m至40m，并且可能具有多個級。需要高強度復合材料以允許高旋轉速度。對有護罩渦輪機進行的模擬表明，護罩(在這種情況下由平臺結構的基部、頂篷和葉片限定的進氣口)應在渦輪機周圍留有間隙，以實現(xiàn)由護罩提供的面積增加的可能(M.GaniS，CFD Analysis of the Characteristics of a Shrouded Turbine, Thesis, U. of Udine,2003,www. diplom. de)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的陸地發(fā)電站。上部結構40與圖2中所示用于海洋發(fā)電站的相同，但直接建造在地面41上。進入隧道42允許對微波源1進行維修。如可對海洋發(fā)電站進行的，頂篷21的頂部表面涂漆以吸收熱量，該熱量接著通過加熱穿過發(fā)電站的空氣或僅在發(fā)電站上方的空氣來支撐上升氣流。在日光輻射量大約500W/m2的情況下，由直徑500m的頂篷收集的總功率為大約100MW。圖5示出了太陽能發(fā)電站50，該發(fā)電站組合了結合太陽能煙囪提出的溫室頂篷的已知原理(Schlaich J, Bergermann R, Schiel W, Weinrebe G, Design of Commercial Solar Updraft Tower Systems-Utilization of Solar Induced Convective Flows for Power Generation, J. of Solar Energy Engineering, 127(1), (2005) :117-124)，但煙囪被微波束代替或在高度上延伸。中央結構伸出至直徑51，溫室頂篷52覆蓋直徑幾千米的大得多的區(qū)域53。微波束源1同樣顯示為在發(fā)電站中央，并且具有將通過塔M的中心向上輻射微波束2的天線12。天線12由穹頂120覆蓋。由軸57連接的渦輪機55和發(fā)電機56 可略微傾斜以使空氣流沿地面保持良好的流線形。如果建造在赤道以下的澳大利亞南部， 則葉片58應順時針引導空氣流以增強科里奧利效應并增加離開的空氣流59的角動量。圖6示出了有時建造在燃煤發(fā)電站中的組合式冷卻塔/煙囪。通過增加由源61 產(chǎn)生且經(jīng)波導管64為天線63提供動力的高功率微波束62可顯著提高塔在其物理限制范圍內(nèi)的效率。穿過塔的冷卻空氣流65和煙氣流66兩者都大大增加，并且在渦旋67內(nèi)的頂部處離開塔。圖7示出了工業(yè)煙囪，其中煙囪的高的物理結構被動力學煙囪代替，動力學煙囪利用微波束70引導優(yōu)選地經(jīng)由至少兩個切向口進入煙囪72的熱空氣71在渦旋73中穿過上覆的大氣。微波發(fā)生器74通過波導管75驅動天線76。天線由穹頂77保護。整個結構可以低至50m，但它可以有效地達到地面以上幾千米，該高度遠高于已建的最高常規(guī)煙囪-由哈薩克斯坦的GRES-2發(fā)電站保持的420m的記錄。利用微波束引導更溫暖的低海拔空氣穿過大氣是本發(fā)明的主要創(chuàng)新概念。必須強調(diào)的是，由微波束消耗的功率不用來提升空氣本身，而是用來提供在大氣中的“洞”，由日照加熱的地表空氣可穿過這個洞逸出到更高的高度?？捎玫谋容^是在盤子底部鉆孔以允許水流出盤子，鉆孔所需的能量與可從在重力作用下流出的水提取的功沒有直接關系。但沒有這些孔，就不能提取功。對于任何可能的環(huán)境破壞，60GHz的微波束強度非常低，微波束的功率在天線盤非常大的表面區(qū)域(對于大型發(fā)電站，直徑為約50m)上擴散，因而不能導致任何分子級的改變。由包括水在內(nèi)的任何其它大氣成分吸收的量可忽略不計。就與通信有關的潛在問題而言，正是由于被氧大量吸收，該波段不可用于長距離通信，并且事實上是不受管制的。最近，正是由于其不受管制，該波段被用于超短距離室內(nèi)通信。圖8a示出了在漂浮式平臺上的發(fā)電站80的豎直剖面圖，該發(fā)電站只有豎直葉片 83，而沒有任何頂篷構造。雖然這可能較低效地捕集對流單體空氣流，但卻非常容易建造。 包括一排振動陀螺儀的微波源81在發(fā)電站上方向上發(fā)送微波束82。圖8b示出了具有朝產(chǎn)生渦旋的中心引導空氣的葉片83的發(fā)電站的俯視圖。發(fā)電機86自葉片83懸掛下來并由高速渦輪機85(基本上顛倒的直升機轉子)提供動力。在葉片83之間的每個風道中可以懸掛用于最佳功率捕集的若干個渦輪發(fā)電機組。例如，如圖所示，在由16個葉片形成的16個風道中的3組將導致48臺渦輪發(fā)電機組。每臺機組可具有大約30MW的功率，并且具有直徑約35m的高速轉子。平臺直徑為約600m。類似的構造可用于陸地發(fā)電站。已經(jīng)公開了本發(fā)明的至少一個實施例，各種變型、修改、添加和改進對于本領域的普通技術人員將是顯而易見的。這些變型、修改、添加和改進被視為僅由所附若干項權利要求限定的本發(fā)明的一部分。
權利要求
1.一種用于發(fā)電的系統(tǒng)，包括高功率微波束，所述高功率微波束豎直地設置以產(chǎn)生大氣上升氣流；和至少一個發(fā)電機，所述至少一個發(fā)電機設置在由所述大氣上升氣流產(chǎn)生的空氣流內(nèi)以進行發(fā)電。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高功率微波束的頻率集中在分子氧的吸收帶內(nèi)。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高功率微波的頻率集中在大約60GHz。
4.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括大氣對流單體，所述大氣對流單體由所述高功率微波束保持的太陽熱提供動力。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述大氣對流單體設置在漂浮式發(fā)電站上方，并且其中所述發(fā)電機設置成從所述對流單體接收動能。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，還包括用于從流過所述發(fā)電站的空氣冷凝水分以產(chǎn)生潔凈水的裝置。
7.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，還包括用于從流過所述發(fā)電站的空氣除去二氧化碳的裝置。
8.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述大氣對流單體設置在陸地發(fā)電站上方，并且其中所述發(fā)電機設置成從所述對流單體接收動能。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括多個輸入葉片，所述多個輸入葉片設置在所述高功率微波束周圍以在所述大氣上升氣流中產(chǎn)生渦旋。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括設置成產(chǎn)生所述高功率微波束的至少一個振動陀螺儀。
11.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，還包括多個振動陀螺儀。
12.一種用于產(chǎn)生大氣上升氣流的系統(tǒng)，其包括豎直設置的高功率微波束。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述高功率微波束設置成對在陸地太陽能發(fā)電站上方的上升氣流進行促進；并且其中所述太陽能發(fā)電站包括有利于捕集太陽熱的溫室頂篷。
14.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述高功率微波束設置成對在冷卻塔上方的上升氣流進行促進。
15.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述高功率微波束設置成對在煙囪上方的上升氣流進行促進。
全文摘要
一種利用熱地表空氣作為熱源、高層大氣作為熱沉并且利用向上指向的微波束提供上升氣流以引發(fā)和控制大規(guī)模空氣環(huán)流進行發(fā)電的方法。微波束的頻率集中在大約60GHz，在分子氧的吸收帶內(nèi)。還公開了高功率微波源、渦輪發(fā)電機組、以及用于漂浮式平臺的冷凝器/旋風分離器，可通過從潮濕的海平面空氣冷凝來提供潔凈水?？蓮目諝庵谐ザ趸肌Ｓ晌⒉ㄊa(chǎn)生的動力學煙囪可替代地結合太陽熱發(fā)電站、工業(yè)煙囪和常規(guī)發(fā)電站的冷卻塔來部署，以增加它們的有效高度。
文檔編號F03G6/00GK102597512SQ201080037778
公開日2012年7月18日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權日2009年7月20日
發(fā)明者斯洛博丹·泰皮奇 申請人:斯洛博丹·泰皮奇