太陽能和風力的能源轉換器的製作方法

2023-12-10 08:29:02

專利名稱：太陽能和風力的能源轉換器的製作方法
太陽能和風力的能源轉換器
相關申請案
本申請要求於2009年8月11日提交的美國專利申請號12/539，似6的優先權。在先申請作為參考文獻全文引入。
背景技術：
這個應用是與太陽能和風的能源轉換器有關。風能量能夠轉變成有用的形式例如電力。它已呈現為最快速成長的能源來源，提供乾淨，可更新的和友善於生態，是替代傳統石油煤碳為主的能源來源。然而，由於風力強弱的季節性和風速每日的變化，一個風能轉換器的輸出是經常變動。太陽能是能夠轉換成電力的另一類型乾淨能源。然而，太陽能轉換器的輸出也仍然非常地依靠天氣條件。例如，許多太陽能面板是設計成僅僅在陽光充足白天期間才能轉變成太陽能。在陰暗天或者夜間他們是無法生產夠數量的太陽能能量。

發明內容
此發明的部份一般概念是有關對於提供整合型和互補性而能夠轉變太陽能和風力的能源轉換為電力產生的一個系統和方法。在白天，這樣的混合併行發電系統同時從風和太陽能能源得到能量。在夜間，能夠不管天氣條件如何此混合併行發電系統能夠連續不斷轉換風能量為電力。由於風流動和陽光照射的最強高度常於每日和一年中的不同時期發生(例如，風在有較少的陽光的冬天方面較強烈以及在夜間更強烈)，這兩個能源能夠彼此補充。利用雙能源來源的一個混合併行發電系統都能夠減少綜合電力輸出的高低起伏和在白天城市和市郊的地區，當電力需求通常更高時提供更多的電力。一種系統，例如，包括風力發電的子系統，其具有用以接收風力以產生機械能量的扇葉，和第一支傳動軸連接於扇葉和發電機之間，以供將經產生的機械能量傳送到發電機。 該系統也包括為接收太陽能產生熱能量的一太陽能動力子系統，其具有用以接收太陽能量之一太陽能收集器以產生熱能，與太陽能的收集器連接的一個熱能機械引擎，其將經產生的熱能量轉變成機械能量，以及與熱能機械引擎機械地連接的一第二傳動軸。一個相互連結子系統達成將第二傳動軸結合到第一傳動軸而傳送經由風力和太陽能共同產生的機械能量傳送到發電機上。這些方面的實體可以包括在下面的特性當中的一項或更多。太陽能動能的熱能機械引擎子系統可以是一個外部燃燒發動機，例如，有一個或多個的斯特林發動機(Stirling engines)組。每一個斯特林發動機都可包括熱區和冷區。 一個封閉環路流通系統提供了傳輸熱能傳送流體循環在斯特林發動機的熱區。在一些例子中，封閉環路流通系統包括熱能傳送流體儲存槽來存儲這個熱能傳送流體，一個旋轉泵為抽吸流體儲存槽中的熱能傳送流體經由第一輸送管傳向熱源區加熱再經由第二輸送管傳向熱能機械引擎的熱區。在一些例子中，另有第二個流通系統循環冷媒以保持熱能機械引擎的冷區達到低溫度。
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這個太陽能的收集器可以包括一個或更多個的收集器組合，比如拋物線聚光反射器，拋物線聚光槽，複合拋物線聚光器(CPCs)，真空太陽能集熱管和菲涅爾(Fresnel)透鏡聚焦器，經由上述各式太陽能收集器的排列陣式，聚集太陽光線在一個熱能吸收器上加熱給熱能傳送流體循環至熱能機械引擎的熱區中。這加熱過的熱能傳送流體循環到熱能機械引擎的熱區將熱能量轉變成機械能量機械能量。這種機械能量透過第一傳動軸和第二傳動軸之間的結合而傳送到發電機。在一些具體實現中，風力發電的子系統更包括風罩架構可旋轉地安裝在第一傳動軸上。風罩架構可包括一對弧圓柱片狀的結構在風車扇葉的外框以外對稱放置。它也可以包括一對風嚮導向結構安裝在相應的弧圓柱片狀的結構的外邊引導風向流動至設想的風車扇葉部位。每一個風向定向板也可在相對外邊安裝一個方向相反的彎折片。相互聯接子系統的一個具體實現包括一套滑輪組和一條或更多條的V型傳動帶可有選擇地結合滑輪組的裝置，設置一個電力馬達以控制信號帶動運作指定的滑輪組從而經由V形傳動帶繃緊特定的滑輪組使第二傳動軸與第一傳動軸結合在一起。相互聯接子系統可包括一個控制組件產生控制信號給電力馬達來響應環境條件，例如，風條件，太陽條件，和熱能機械引擎中和熱能吸收器中的溫度。在一些例子中，控制組件包括用以探查熱能機械引擎裡面和在熱能吸收器中之一熱能傳送流體溫度的溫度傳感器。在一些具體實現中，太陽能動能子系統包括追蹤導向組件經由獲得太陽光線的測量值和以取得的測量值作為基礎來導引這個太陽能的收集器到太陽方向。風力發電的子系統可包括一個垂直軸心風力渦輪機或者一個水平軸心風力渦輪機。太陽能動能子系統可進一步包括一套或更多組合的太陽能面板裝置在太陽能的收集器上作為產生額外的輔助電力提供給風力發電的子系統或者太陽能動能子系統上一種或數種電力消耗裝置。關於此發明的部份一般概念是對於一個混合併行能量系統運用的方法將風力發電的子系統以及太陽能動能子系統與一個發電機結合。風力發電的子系統經由第一傳動軸把由風力發電的子系統產生的機械能量傳送到發電機，並且太陽能動能子系統為傳送由太陽能動能子系統產生的機械能量。方法包括獲得特定環境條件的測量值(例如，風的條件或者太陽的條件)，並且決定激活運行條件是根據這些取得的測量值是否達成。在激活運行條件的滿意上，第一傳動軸與第二傳動軸的連結使由太陽能動能子系統產生的機械能量與由風力發電的子系統產生的機械能量得以相結合，並且把兩者結合的機械能量傳送到發電機。方法也包括決定脫離及停止運作的條件根據這些取得的測量是否達成。一旦滿足脫離及停止運作的條件，第二傳動軸會脫離第一傳動軸以停止由太陽能動能子系統產生的機械能量對發電機的傳送。在一些具體實現中，方法進一步包括根據這些取得的測量值決定激活條件是否達成，並且如果是這樣，使用一個負責聯結/脫離機制電力馬達將機械性地結合第二傳動軸並且驅動第二傳動軸開始旋轉運動。在太陽能動能子系統的一些具體實現中包括一個使用熱能傳送流體之熱能機械引擎。在這些這些情況案例中，取得特定環境條件的測量值包括獲得熱能機械引擎中和熱能吸收器中的溫度值。在一些例子中，激活運行條件是與一個第一個溫度門限有關，並且脫離及停止運作的條件是與第二個溫度門限有關。關於此發明的另外一般概念是有關一個風力發電系統擁有一個風力渦輪發電機以及一根中心傳動軸和一套二片或二片以上的風車扇葉與上述的中心傳動軸可圍繞旋轉地結合，也包括一組風罩架構與上述的中心傳動軸可圍繞旋轉地結合以引導風向流動至風力渦輪發電機上設想的風車扇葉部位。風罩架構可包括一對弧圓柱片狀的結構對稱地安置且與中心傳動軸的經度軸心相同的輻射狀距離來局部封閉一組二片或二片以上的風車扇葉，並包括兩個風向定向板也可在相對外邊安裝一個方向相反的彎折片。每個風向定向板以特定角度裝置在相對應的弧圓柱片狀的結構的末端且對中心傳動軸的經度軸心而論的相對方向定位，這使得上述弧圓柱片狀的結構組在風力下穩定到位進而改善風能量的轉換效率。此發明各種方面的具體實現中可包括下述的一項或多項特性和優點。在一些應用方面，混合併行的電力產生系統所產生的功能相比起一個單一風力渦輪發電機或者一個單一太陽能發電機是優於各別的表現。例如，由於混合併行的電力產生系統中各種綜合之間的先天共生作用，比起任何這些單一部分更有效的產生電力輸出。同樣地，在白天混混合併行的電力產生系統能夠提供更高的電力輸出和遍及日日夜夜不會中斷的電力輸出，從而減少電力生產的費用和對可能是昂貴和不可靠的蓄電池的需求。在一些應用方面，整個系統能夠安裝在垂直的，水平的，或者其它不同的操作位置並且轉換氣流為電力加上從太陽能斯特林發動機得到的機械能量共同產生電力。同樣地， 這個架構平衡的設計大量採用高強度，非腐蝕性，抗衝擊性，振動減緩性和輕質性高級複合材料(例如，玻璃纖維，碳纖維和Kevlar超強化防彈纖維)，來減少重量和噪音和保持高操作的效率和低的保養費用。例如，系統可使用壓縮成型拋物線集光碟，拋物線集光槽，單絲纏繞型傳動軸，支撐管，薄片積層加壓成型的風車扇葉，弧圓柱片狀風罩架構，風向定向板， 拉擠成型的梁柱，管杆，面板等等。這一混合風力和太陽能並行發電系統尤其是在城市和市郊的地區能夠結合太陽能和風力能量產生電能可供當地和中小企業使用。在一些執行應用中，此系統包括太陽能收集器，一套聯裝式複合太陽能斯特林(一種熱能機械引擎)，使用高強度和輕質高級複合材料各式風車扇葉的風力渦輪發電機，一個激活裝置，連結-脫離的機制和旋轉式幫浦組。，整個系統能夠安裝在垂直的，水平的，或者其它不同的操作位置。太陽能收集器透過拋物線集光功能或者Fresnel的透鏡集光。首先使用一套太陽能收集器將日光聚集在一個熱能吸收器上以加熱內裝的熱能傳送流體並且使其循環至一套聯裝式複合太陽能斯特林發動機之熱區裡，這組太陽能斯特林發動機將熱能量轉變成機械能量以對風力渦輪發電機提供輔助動力。太陽能斯特林發動機能夠低噪音地且高效率地利用這些太陽能收集器的熱能。這些聯裝式複合太陽能斯特林發動機能夠分享高熱(例如，高達攝氏400度)依次輪流和徹底利用這個熱能以增加動能的輸出因而提供輔助驅動力到風力渦輪發電機上。由聯裝式複合太陽能斯特林發動機產生的輔助驅動力可以相當可觀的，取決於太陽強度，作為一個混合風力和太陽能並行發電系統達到互相補充發電操作功能的發電機， 即使是處於低風下效率狀態減少時但是仍有日光照射。同樣地，當夜間或者多雨和陰沉的期間，沒有日光的輻射可用時，它能夠作為純粹一個風力渦輪發電機來使用。在這個模式下，風力渦輪發電機只靠風力來旋轉。在一些具體實現中，風力渦輪發電機至少包括兩個風車扇葉(例如，薄長葉片，機翼型葉片，罩杯葉片，半筒式扇葉或者大面積扇葉，)和在風力渦輪發電機的周邊定位的弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板。多數量風車扇葉片的使用是可提供低的翼端速度，低的噪音釋放和更高的效率，但是也可能激活困難或者力量薄弱無法產生足夠電力以滿足應付小型商業或住家的電負荷。在這種情況下，使用者可希望從太陽能能源提供一個輔助動力以更高的速度來加速這個風車扇葉帶動正值轉矩力量並且產生更多電力。在一些執行中，風力渦輪發電機具有一個基座和主軸並且有至少包括兩個風車扇葉可圍繞旋轉地結合中心傳動主軸在風的流動中轉動。具有自行定向功能的弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板能夠以傳統的或者強力磁懸浮軸承裝置機械式地被安裝在風力渦輪發電機上，或者能夠在風力渦輪發電機周遭安置的圓環軌道上進行轉動，將這風的流動充分地僅僅指向特定的風車扇葉並且同時阻擋風的流動吹向這些風車扇葉的背面導致阻礙了風車扇葉的旋轉。在一些例子中，在面對風流動中具有彎折片的風向定向板被裝置在相對弧圓柱片狀風罩架構的外部以一個更有效的角度把風流導向這些風車扇葉上。至少二種類型的弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板被對稱地裝置在風力渦輪發電機的兩邊。當風流動改變方向時，弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板將照樣地被風轉動然後呈現面臨與風的流動方向相同的角度。裝有指向相對方向彎折片的風向定向板具有自行調整和自行平衡的特性，當風流動施力於任一風向定向板時整個弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板傾向被轉動而不再呈現面臨與風的流動方向相同的角度，這時裝置在風力渦輪發電機兩邊的風向定向板允許各自提供一種抗衡風阻力量讓彼此相對保持平衡回復與風的流動方向相同的角度，這雙風罩架構能夠由，比如說軸承組與另一與風力渦輪發電機中心傳動軸同軸心線的傳動軸結合，並且擁有弧圓柱片狀姐結構部分在風力渦輪發電機之風車扇葉周圍自由地轉動。當空氣流向風收集者移動時，使風罩架構和風向定向板被移動成與風的流動方向平衡和角度相同的位置。這雙風罩架構和風向定向板放置和成型導引風流動充分地指向僅僅在與風流動相同方向轉動的風車扇葉上。它們也阻擋風流吹向與風流動相反方向的風車扇葉上。太陽能收集器的例子包括拋物線日光的收集器，它們是所謂的「太陽影像的聚集器」眾多例子在試圖產生小的但是高強度的太陽能「影像」焦點或者聚集線。因應他們「影像光學設備」的幾何學，聚焦者的孔徑需要直接面對太陽，避免聚焦效率的損失和保持「太陽影像」在太陽能的吸收器上。在一些例子中，拋物線太陽能的收集器和Fresnel的透鏡聚焦器能夠用太陽軌跡追蹤裝置(太陽定位器)來使他們持續定向太陽。太陽能的收集器的一些其它的例子包括Fresnel透鏡聚焦器。Fresnel透鏡能夠由有著平順表面，具彎曲性，透明的聚合物材料所製成，其中一面是平滑表面而其反面是由眾多具縮影線性的Fresnel微細稜柱並排組成的，由平滑表面有效地形成每一個稜柱的光學面之一。此外，每一個稜柱都包括可以折射這個光的光學面。每一個稜柱也都有無作用的光學面或者光學階梯不阻礙或者幹擾日光的折射射線。這樣，薄膠片中眾多微細稜柱被特定排列使得由這些微細稜柱所形成的光學階梯不致妨礙入射日光射線的折射。更進一步地，在一些具體實現中，讓這Fresnel透鏡薄膠片有固定聚光面向，因此較易磨損破碎的 Fresnel微細稜柱那一面不會直接暴露在冰雹，雨，或者其它具破壞性的大自然環境因素。
太陽能收集器的更進一步的例子包括使用複合拋物線聚焦器(CPC)所採用的一種經濟型拋物線聚光槽類型允許更寬廣的太陽光線接收角度和更有效的能量收集，不需要用昂貴的太陽追蹤器去鎖定那每日在天空半球留下它明顯運行軌道的太陽。可以設定CPC 的一個軸心粗略地平行於地球的南北極旋轉軸心線。用於北半球時，極性軸線能夠指向北方角度，並且這個軸心和這個垂直的之間的角度等於幅度。在一些例子中，用實時控制器和線性傳動裝置臂來移動拋物線聚光槽數組相對於太陽方位角的運動。這種設定也可每月或者雙月沿著第二個軸心來調整太陽高低角度調整。第個調整是當太陽夏天高掛在天空並且進一步偏向北方時使這些複合拋物線聚光槽數組面向太陽，當太陽冬天低掛在天空並且進一步偏向南方時使這些複合拋物線聚光槽數組面向太陽，因此取得對於每一個季節最理想位置。它可經由手動調整(每月或者雙月)或者自動化操作，取決於極性軸線的方向安排。這種類型的太陽能收集器就可以不一定使用複雜昂貴以及由於雲幹擾而傾向對不準且有時不可靠的太陽定位器(太陽跟蹤系統)。在一些執行中，這些聯裝式斯特林發動機可能需要某種初始驅動使其能從靜態不穩定的狀態過渡到反覆活塞運動。這個初始驅動需要足以使這些聯裝式斯特林發動機置換活塞開始有些運動讓斯特林發動機內的工作氣體激活進一步並且重複的加熱或者冷卻和作為更進一步的擴張或者收縮。冷熱能量再生供應器包含團狀纖細的金屬絲，通常位於斯特林發動機的冷熱區之間。在一些例子中，這些聯裝式斯特林發動機的初始驅動可能會被斯特林發動機裡面分隔冷熱區的常規密封物之間的摩擦力所阻止。如果初始驅動不足以克服摩擦力的，那工作氣體沒能被足夠的轉移和置換來產生足夠壓力變化使反覆活塞運動得以繼續下去。一個激活斯特林發動機初始驅動的可靠方法是用能量負荷或者外部來源的輸入來產生這個初始驅動。這能夠允許斯特林發動機產生初始驅動即使它是水平排列比起垂直排列有著更大的密封摩擦力。這是個簡單的激活機制，既廉價又不需要周期性調整或者保養。它能夠依日光強度配合斯特林發動機電力生產來發生。這樣的一個激活機制的一個例子包括一個輔助激活電氣馬達，熱電偶，兩個旋轉幫浦，滑輪組和V型傳動帶機制和封閉巡迴式的熱能傳送流體(HTF)流通系統。這些飛輪和幫浦的葉片的外部結構聯結在聯裝式斯特林發動機的共同傳動軸上以及輔助激活電氣馬達經由滑輪和V型傳動帶和斯特林發動機的傳動軸也有聯繫。這個聚集的太陽能光線使太陽熱能吸收器中的熱能傳送流體熱度提升至一設定溫度(例如，攝氏100度)然後熱電偶激活這個輔助激活電氣馬達和旋轉幫浦循環輸送熱能傳送流體通過聯裝式斯特林發動機熱區。熱能傳送流體將給聯裝式斯特林發動機熱區持續地加熱並且由輔助激活電氣馬達驅使的轉動飛輪驅動斯特林發動機曲軸，動力活塞和置換活塞開始進行反覆活塞運動。一旦流經聯裝式斯特林發動機熱區的熱能傳送流體的溫度達到一個更高的設定溫度(例如，攝氏150度)，風力渦輪發電機傳動軸將先連結上已經在轉動中的聯裝式斯特林發動機的共同傳動軸然後輔助激活電氣馬達和聯裝式斯特林發動機的共同傳動軸分離並且接著停機。 這時風車和聯裝式斯特林發動機結合兩重動力能量共同驅動發電機以產生電力。第一組聯結/脫離機制使用上述滑輪組和V型傳動帶機制機械性地聯結和脫離輔助激活電氣馬達的傳動軸和聯裝式斯特林發動機的傳動軸之間的連結。連結傳動軸之滑輪組使用橡膠V型傳動帶機制傳送驅動力從輔助激活電氣馬達到聯裝式斯特林發動機的傳
8動軸上。上述聯結/脫離機制有第三個滑輪與輔助激活電氣馬達的傳動軸上之滑輪和聯裝式斯特林發動機的傳動軸之滑輪形成三角形設置加上一個負責聯結/脫離機制小型電力馬達被與輔助激活電氣馬達相同的熱電偶啟發運行。這個聯結/脫離機制小型電力馬達在熱能傳送流體達到第一個設定溫度(例如，攝氏100度)縮退/繃緊這個V型傳動帶使原本脫離之滑輪組產生聯結令聯裝式斯特林發動機開始反覆活塞運動。當熱能傳送流體達到第二個設定溫度(例如，攝氏150度)，聯裝式斯特林發動機正有力運轉且輔助激活電氣馬達停機時，這個聯結/脫離機制小型電力馬達伸出/鬆開V型傳動帶使原本聯結之滑輪組發生脫離，所有三個滑輪都有大法蘭盤以保持槽中的V型傳動帶在鬆弛和非聯結狀態下時不致從中脫落。第二組聯結/脫離機制使用上述滑輪組和V型傳動帶機制機械性地聯結和脫離聯裝式斯特林發動機的傳動軸和風力渦輪發電機傳動軸之間的連結。連結傳動軸之滑輪組使用橡膠V型傳動帶機制傳送驅動力從聯裝式斯特林發動機的傳動軸到風力渦輪發電機傳動軸上。上述第二組聯結/脫離機制也有第三個滑輪與聯裝式斯特林發動機的傳動軸之滑輪和風力渦輪發電機傳動軸上之滑輪形成三角形設置加上一個負責聯結/脫離機制小型電力馬達被控制組件中的第二個熱電偶啟發運行。這個聯結/脫離機制小型電力馬達在熱能傳送流體達到第一個設定溫度(例如，攝氏150度)縮退/繃緊這個V型傳動帶使原本脫離之滑輪組產生聯結令聯裝式斯特林發動機傳動軸旋轉動力傳送到風力渦輪發電機傳動軸上。當熱能傳送流體達到第二個設定溫度(例如，攝氏100度)，這個聯結/脫離機制小型電力馬達伸出/鬆開V型傳動帶使原本聯結之聯裝式斯特林發動機傳動軸上之滑輪和風力渦輪發電機傳動軸上之滑輪發生脫離導致動力傳送因此中斷，所有三個滑輪也都有大法蘭盤以保持槽中的V型傳動帶在鬆弛和非聯結狀態下時不致從中脫落。這個熱能傳送流體是一個密封迴路系統中循環以保持這個高熱並且整個系統是雙層的隔離層保溫(例如，用玻璃纖維)減少熱損失。在一些例子中，聯裝式斯特林發動機能夠用冷媒流通環襯裝置圍住斯特林發動機的冷區。旋轉幫浦從冷水輸出槽循環冷卻水至聯裝式斯特林發動機冷媒流通環襯裝置(冷區)再回冷卻水槽組中的熱水回收槽。冷卻系統的水槽組包括冷水輸出槽和與其頂部相連接的隔離層保溫熱水回收槽。把被隔離層保溫的熱水回收槽連接到建築物熱水使用系統而冷水輸出槽則與自來水供應線進行補充。當流回隔離層保溫的熱水回收槽中的熱水被建築物熱水使用系統使用時無法回饋輸出槽裡，冷水輸出槽內的浮標裝置將觸發自來水供應線自行補充這個冷水。這個冷水的補充替換將大大地減低冷卻系統冷水輸出槽的溫度得以進一步強化其冷卻過程和增加聯裝式斯特林發動機的動力輸出效率。當對於聯裝式斯特林發動機的動力輸出效率需求增加時，降低冷區溫度是很重要的；例如，理想化的斯特林循環效率條件下，在冷區內降溫攝氏10度的變化能夠等於在熱區內升溫攝氏30度變化的相同影響。因此，散熱器類型之冷卻器(有許多金屬散熱片的裝置)包裝在往上輸送到冷媒流通環襯裝置的冷媒輸送管外圍並且與風車扇葉軸心相平行並排安裝。風的流入或流出風車扇葉可使冷的空氣穿過這些散熱片之間因而能夠大大改進熱量從這些散熱片轉移到周圍空氣中，冷卻系統的熱能傳送流體，在此是以水為例，在一個半封閉的環路系統中循環以保存水資源並且可提供熱水和暖氣設備之熱能到居住空間。在一些例子，在寒冷氣候和暖氣需求高的地區中，聯裝式斯特林發動機能夠與主要由室內產生之附加熱量來源的第二種熱收集器相結合，例如，從室內暖氣設備比如燃燒天然氣或者燃燒木頭的火爐與壁爐在陰冷天氣或夜間。聯裝式斯特林發動機加熱系統的旋轉幫浦使用相同熱能傳送流體從室內熱收集器循環熱能(例如，天然氣燃燒器)到聯裝式斯特林發動機的熱區再回流以完成另一個封密加熱循環系統。響應環境條件，例如，風條件，太陽條件和溫度的條件，這兩個封密加熱循系統環能夠相結合以加強聯裝式斯特林發動機在白天的輸出能量或者這個附加熱來源可在夜間驅動聯裝式斯特林發動機。在冷天， 能夠把從聯裝式斯特林發動機冷區返回的熱水為室內暖氣設備加熱能。這樣，這個太陽能和風力結合的熱電共生系統(CHP)在電力生產的利益外再加上利用這個剩餘熱量作為室內暖氣並提供熱水。在一些運用執行中，聯裝式斯特林發動機的反覆動力活塞使用飛輪，驅動軸和V 型傳動帶把機械動力傳送到風力渦輪發電機。在陽光充足和弱風期間，聯裝式斯特林發動機會全力運行以將太陽能轉換成更多的機械能量。在弱日光的多雨天或者陰沉天期間，太陽收集器也許無法產生足夠的熱能來轉動聯裝式斯特林發動機。這樣，風力渦輪發電機可以與聯裝式斯特林發動機分離自行運轉發電。在夜間，聯裝式斯特林發動機和風力渦輪發電機的結合也是採分離狀態，好除去聯裝式斯特林發動機對風力渦輪發電機的重量負荷和機械上的摩擦力。這樣，在白天此系統作為太陽能和風力的混合併行發電機操作，在夜間， 多雨的，陰沉和多雪天風力渦輪發電機獨立出來自行運轉發電，另外一種情況是在陰冷天氣或夜間聯裝式斯特林發動機能夠利用室內火爐與壁爐產生之之熱量來源轉換成機械能量傳送到風力渦輪發電機。此套系統綜合性和靈活性的設計不需要複雜電子裝置和製造方面高精度的需求。 因為主要設計上不需要高熱容忍度的材料，太陽能收集器和聚焦器能夠大量使用高強度， 抗腐蝕性，高吸震性，振動減緩性的高級複合材料(例如，玻璃纖維和碳纖維)。風力渦輪發電機的這個風收集部位採用高強度和輕質的高級複合材料(例如，S玻璃纖維，高模塊碳纖維和Kevlar超強化防彈纖維)機翼式葉片，修長葉片，罩杯葉片或者大面積扇葉以更有效率地產生電力。這樣的一個完整架構也足以抗拒強風，溫度，潮氣和其它的大自然因素的損壞。在一些例子，聯裝式斯特林發動機，太陽能收集器的反射鏡層，Fresnel透鏡薄膠片能夠採用工業等級鋁材，鋁塗裝反射聚酯薄膜，丙烯酸塑料片，從而減少製造費用。 在一些執行運作中，這太陽能收集器可安裝在風力渦輪發電機頂部或者在它下方才不致於阻礙了風吹向風車扇葉。因為系統使用輕質架構，模塊化設計，平衡結構，簡單又緊密的構造，所以是容易擴充的只要增添更多斯特林發動機或者風車部或者加大太陽能收集器和風車扇葉尺寸。由於風動力是隨著風車扇葉表面積大小採立方值增加以及風車部高度值而增加，風力能夠徹底被利用如當系統擴大風車扇葉表面積或者使用更高獨立支柱以產生更多的動力。此外，在實際應用方面，這樣的系統能夠安裝在例如屋頂或者在後院中以獨立支柱裝置，適合於住宅和商業的使用。發明的其它特性和優點可從下面的描述和專利要求得以明白展示的。


圖1的描述是一個混合併行系統為從風力和太陽能產生能量的方塊圖表。圖2A是圖1風力和太陽能混合併行系統設置在一個垂直操作位置的外觀圖。
圖2B是圖1風力和太陽能混合併行系統設置在一個水平操作位置的外觀圖。圖3是圖1風力和太陽能混合併行系統與附加熱源結合更進而成為一熱電共生 (CHP)的外觀圖。圖4是風力和太陽能混合併行系統設置在塔上，竿子上和其它的獨立支柱位置和搭配不同種類的太陽能收集器的各種安裝架構外觀圖。圖5是風力和太陽能混合併行系統設置在山形屋頂上採用各種安裝方式和搭配不同種類的太陽能收集器的各種安裝架構外觀圖。圖6是風力和太陽能混合併行系統設置在便平面屋頂上採用各種安裝方式和搭配不同種類的太陽能收集器的各種安裝架構外觀圖。圖7是圖1風力和太陽能混合併行系統操作的流程圖表。圖8A圖樣說明能夠與一個風力渦輪發電機結合的各種類型風罩架構和風向定向板。圖8B圖樣說明安裝風罩架構和風向定向板在風力渦輪發電機上的兩種方法。圖8C圖樣說明風罩架構和風向定向板在各種風吹方向下的運行位置。圖9在圖樣說明一個Mvonius風車的風車扇葉在風中三個旋轉位置A_B_C然後回到A，風罩架構和風向定向板與風流動的相互作用。圖10在圖樣說明四個Mvonius風車的各式風罩架構和風向定向板例子與風流動的相互作用。圖IlA圖樣說明斯特林發動機一個代表性的裝置。圖IlB展示圖IlA之斯特林發動機在斯特林運行周期中四個代表位置的俯視圖。圖12圖樣說明在一個輔助激活電氣馬達，斯特林發動機和風力渦輪發電機傳動軸之間的聯結基構。圖13A-13D展示風力和太陽能混合併行系統兩組聯結/脫離機制的四個操作的位置。圖14A是包含太陽能收集器，風力渦輪發電機，斯特林發動機和兩個循環流通系統的風力和太陽能混合併行系統的俯視圖。圖14B是圖14A內的熱能傳送流體封閉式循環流通系統的俯視和側視圖。圖14C是圖14A內的冷媒半封閉式循環流通系統的俯視和側視圖。圖15是圖14C內的冷媒半封閉式循環流通系統的組合側視圖。圖16展示風力和太陽能混合併行系統包含實時控制器和線性傳動裝置臂的複合拋物線太陽能收集器(CPC)以及手動或者自動化調整這個複合拋物線水槽陣式對於太陽方位角移動至季節中最理想位置的俯視和透視圖。圖17A-D展示從日出到日落太陽方位角的順序運動。圖17E-G展示圖16裝置複合拋物線太陽能收集器(CPC)的風力和太陽能混合併行系統之順序運動，基於季節性變化手動或者自動化調整最理想位置。圖18展示各種類型的斯特林發動機結構型式，包括一個阿爾法型發動機，一個貝爾塔型發動機和一個加瑪型發動機。圖19展示各種類型的風力渦輪機具體結構，包括一個Darrieus類型風力渦輪機， 兩個&ivonius類型風力渦輪機和Giromills風力環渦式輪機。
圖20展示把太陽能面板用於產生額外電力供給風力和太陽能混合併行系統的電力需要或者透過電力結合方法併入其它電流。
具體實施例方式
1概沭提到圖1，一混合併行系統100系組配來從風力和太陽能能源產生電力。系統100 包括有風力發電的子系統110，其包括一風車扇葉112(例如，一個風力渦輪機)轉換風力以產生機械能量和一個機械傳輸機制114(例如，一套齒輪和/或者傳動軸)為把產生的機械能量傳輸給風力渦輪發電機子系統110的主要傳動軸116以驅動一個電力發電機140。取決於特定應用，電力發電機140可以是一個同步發電機或者一個異步發電機，並且發電機的電力輸出能夠使用在負荷150(例如，家庭電器)，存儲在存儲單位160中(例如，一套電池)，或者輸出至電力網絡170。風力和太陽能混合併行系統100也包括太陽能發電子系統120裝配有太陽能收集器122(例如，拋物線集光碟)可使太陽能轉變成熱能，和一個熱能機械發動機124(例如， 一個外部燃燒發動機)可接著使熱能轉變成機械能量以驅動太陽能發電子系統120的一根主要傳動軸126。為了利用由太陽能發電子系統120產生的機械能量，相互聯接子系統130可分離式結合風力渦輪發電機子系統的主要傳動軸116和太陽能發電子系統的一根主要傳動軸 126。結果，從風力和太陽能的來源分別得到的機械能量被結合來驅動電力發電機140。通常，不管天氣條件如何，風力渦輪發電機子系統110多多少少在運轉著，但是， 從風力產生的電能的數量則是取決於當地風吹速度。另一方面，太陽能發電子系統120，則是有選擇地運轉發電，例如，基於太陽光強度。太陽能發電子系統120的操作期間，當太陽能發電子系統傳動軸126與風力渦輪發電機子系統傳動軸116結合時，由於從兩個子系統 110和120得到了機械能量的疊加而增加對電力發電機140的總機械能量輸入。這樣，當兩個子系統110和120以一個相互補充模式運作時風力和太陽能混合併行系統100能夠生產更大量的電力。當如同在夜間或者多雨和陰沉的天氣期間時沒有日光的輻射可用，風力和太陽能混合併行系統100也能夠作為一個獨立風力發電機系統來運作，在此情況下風車扇葉112僅僅由風力單獨吹動旋轉。下面的描述包括圖1的混合併行系統100之各種具體實現的論述，和透過其機制此系統如何運作。圖2A展示圖1之風力和太陽能混合併行系統100採行垂直設置運作的一個具體實現。這個系統包括太陽能收集器1，一組聯裝式斯特林發動機2(—種熱能機械發動機)，一個風力渦輪機3，一個電力發電機4，第一個循環熱能傳送流體的旋轉幫浦5，第二個循環冷媒的旋轉幫浦6，一個輔助激活電氣馬達7，兩組聯結/脫離機制電動機8和9和裝置在冷媒上行輸送管6-1之熱能交換器6-9。軸3-1為風力渦輪機3的主要傳動軸，並且軸 2-8為聯裝式斯特林發動機2的主要共同傳動軸。這兩根傳動軸能夠進行結合和分離動作與電動機9產生聯結/脫離機制，在這個文件的稍後部分將詳盡描述。
太陽能收集器1接收到太陽能並產生熱能(例如，高達攝氏400度)驅動聯裝式斯特林發動機2運用這一種補充力量在風力渦輪機3的傳動軸3-1上帶動電力發電機4轉動，從而同時產生電力。為了使機械能量轉變成電能，機械對電力的轉換器，例如，一個電力發電機4被使用。這個電力發電機4由傳動軸3-1機械地結合到風力渦輪機3以產生有用電力輸出。如果有需要，電力發電機4可在一個電能存儲裝置中存儲產生出的電力，例如在被使用前先使用電池組13。如同在圖2A中展示那樣，整個風力和太陽能混合併行系統混合系統自身齊備且佔地小。值得注意的是圖1的風力和太陽能混合併行系統可垂直地，水平地或者其它的操作位置安裝以徹底利用這個位置的環境條件(例如，如果安裝在建築物頂部)。圖2B說明這個風力和太陽能混合併行系統100安裝在一個水平的操作位置的另一個具體實現。此系統裝置在山形房頂上其斜坡能夠增加捕捉風的範圍並且風車扇葉3-2 導引這個風流動，這也能夠增加這個風的流動量和力量，從而產生更多動力輸出。在一些應用方面，在圖2A中展示垂直裝置被採用，因此風的流動不管它的方向如何，總是能夠驅動風車扇葉3-2的旋轉並不需要調整風力渦輪機3的傳動軸3-1的軸心線。圖3進一步展示風力和太陽能混合併行系統100的具體實現。在寒冷氣候和暖氣需求高的地區中，聯裝式斯特林發動機能夠與主要由室內產生之附加熱量來源的第二種熱收集器相結合，例如，從室內暖氣設備比如燃燒天然氣或者燃燒木頭的火爐與壁爐在陰冷天氣或夜間。聯裝式斯特林發動機加熱系統的旋轉幫浦使用相同熱能傳送流體從室內熱收集器循環熱能(例如，天然氣燃燒器16)到聯裝式斯特林發動機的熱區再回流以完成另一個封密加熱循環系統。響應環境條件，例如，風條件，太陽條件和溫度的條件，這兩個封密加熱循系統環能夠相結合以加強聯裝式斯特林發動機在白天的輸出能量或者這個附加熱來源可在夜間驅動聯裝式斯特林發動機。在冷天，能夠把從聯裝式斯特林發動機冷區返回的熱水為室內暖氣設備17加熱能。這樣，這個太陽能和風力結合的熱電共生系統(CHP)在電力生產的利益外再加上利用這個剩餘熱量作為室內暖氣並提供熱水。圖4是展示風力和太陽能混合併行系統100設置在塔上，一枝或多枝支撐竿子上和其它的獨立支柱結構並搭配不同種類的太陽能收集器。圖5和圖6是展示風力和太陽能混合併行系統100分別安裝在傾斜屋頂和平屋頂上的進一步具體實現。在上述的具體實現中，太陽能收集器1聚集日光焦點或者焦點線在一個熱能吸收器11上。在這個焦點或者焦點線，日光包含的能量聚集在小範圍。為了將太陽能收集器1 恰當地追蹤太陽於每日行空的軌道，使用太陽跟蹤系統單位(例如，日光定位器)12來調整太陽能收集器1的方向變化以瞄準太陽。如同在圖5和圖6展示那樣的一些房頂安裝的類型，太陽能收集器1能夠被安裝在屋頂上或者在風力渦輪機3旁邊。為如同在圖4展示那樣的一些獨自站立類型，這太陽能收集器1能夠被安裝在風力渦輪機3頂部或者在風力渦輪機3下方，因此不致阻礙風流直接吹向風車扇葉3-2。圖7展示一個具體實現從風和太陽能源得到它的能量輸出的風力和太陽能混合併行系統100之操作程序流程圖表。
3一個風力渦輪機的風罩架構使用
現在提到圖8A，一個弧圓柱片狀風罩架構3-4和風向定向板3_5把風流導向這些風車扇葉3-2上，在這個例子中，它們被對稱地裝置在風力渦輪發電機3的兩邊。風向定向板可裝有指向相對方向的彎折片3-6。風罩架構3-4和風向定向板3-5加彎折片3-6將這風的流動充分地僅僅指向特定的風車扇葉3-2並且同時阻擋風的流動吹向這些風車扇葉的背面導致阻礙了風車扇葉的旋轉。每個風罩架構3-4具有一對弧圓柱片狀，具有彎折片的風向定向板3-5被裝置在相對弧圓柱片狀風罩架構3-4的外部當面對風流動中以一個更有效的角度把風流導向這些風車扇葉3-2上。二組弧圓柱片狀風罩架構3-4和風向定向板3-5被對稱地裝置在風力渦輪發電機3的兩邊。當風流動改變方向時，弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板將照樣地被風轉動然後呈現面臨與風的流動方向相同的角度如圖8A所示。關於圖8B，風力渦輪發電機具有一個自行定向功能的弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板能夠以傳統的或者強力磁懸浮軸承裝置上部軸承組3-7和下部軸承組3-8機械式地與風力渦輪機同軸心線被安裝在風力渦輪發電機上使其能夠自由地在風力渦輪機外圍旋轉，例如，風力渦輪發電機周遭安置的圓環軌道3-9上進行轉動或以懸浮支架3-10支撐與風力渦輪機同軸心線地旋轉。關於圖8C，當空氣以各種不同方向吹向風力渦輪機時，弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板將照樣地被風轉動然而最後會自我調整定位並呈現平衡和面臨與風的流動方向相同的角度，如圖所示。這雙風罩架構和風向定向板被放置和製成特定形狀以導引風流動充分地指向僅僅在與風流動相同方向轉動的風車扇葉上。它們也阻擋風流吹向與風流動相反方向的風車扇葉上。值得一提的是每個風罩架構3-4具有對稱結構之弧圓柱片狀風罩架構和裝有指向相對方向彎折片的風向定向板被裝置在風力渦輪發電機3的兩邊具有自行調整和自行平衡的特性，當風向改變時風力流動施力於任一風向定向板3-5時，整個弧圓柱片狀風罩架構和風向定向板傾向被轉動而不再呈現面臨與風的流動方向相同的角度，這時裝置在風力渦輪發電機兩邊的風向定向板允許各自提供一種抗衡風阻力量讓彼此相對保持平衡回復與風的流動方向相同的角度，換句話說當風流動改變方向時，對稱結構之風罩架構3-4 和裝有指向相對方向彎折片的風向定向板3-5最終將承受相同的壓力彌補了因風力改方向產生的暫時旋轉和失衡而達到平衡。圖9展示一個風力渦輪機其四片風車扇葉3-2，風罩架構3-4和裝有指向相對方向彎折片3-6的風向定向板3-5在風中風車扇葉三個旋轉位置A-B-C然後回到A與風流動的對照關係。當風進入風力渦輪機中後順著風罩架構3-4內側彎面持續驅動風車扇葉3-2直到從下個缺口逸出，這有助於保持風流動能進而增加風力渦輪機動量輸出的效率。圖10展示風力渦輪機使用不同數量的0，3，4和5)風車扇葉片3_2和不同類型風罩架構3-4及裝有指向相對方向彎折片3-6的風向定向板3-5在風流動中各自運動位置與旋轉的對照關係。
4斯特林發動機一個斯特林發動機是一種外部燃燒發動機能夠使熱能轉變成機械能量的(例如， 以驅動動力形式)透過連續不斷加熱和使一個內裝的工作氣體冷卻。關於圖IlA和圖11B，斯特林發動機2的一個例子，是冷縮熱脹的原理當加熱一個工作氣體會使其體積膨脹冷卻它時體積會收縮。斯特林發動機包括熱區2-1，冷區2-2，冷媒流通環襯裝置(冷區)2-3，一個置換活塞2-4，一個動力活塞2-5，一個曲軸2-6，一個飛輪2-7，一根聯合傳動軸2-8和熱能再供應器2-9者。當熱能傳送流體給這個斯特林發動機的熱區2-1加熱時，膨脹的工作氣體將驅使這個置換活塞2-4和動力活塞2-5產生反覆循環運動。熱能再供應器2-9包含團狀纖細的金屬絲，通常位於斯特林發動機的冷熱區之間。 曲軸2-6和飛輪2-7機械性連接聯裝式斯特林發動機2的一根聯的傳動軸2-8上。這個斯特林發動機熱區2-1包括散熱器類型之冷卻器5-4 (例如，一個吸熱排出裝置)有許多金屬散熱片或其它增加表面積的方法覆蓋在斯特林發動機熱區2-1上。圖IlA也展示一個相應的布局包括輔助激活電氣馬達7，聯結/脫離機制，輸送管 5-1，5-2和旋轉幫浦5循環熱能傳送流體。圖IlB展示斯特林發動機活塞2-4，2-5，曲軸 2-6和飛輪2-7四個代表位置的暫停呈現。
5聯結/脫離機制關於圖12，這個風力和太陽能混合併行系統包括一個輔助激活電氣馬達7，聯結 /脫離機制的小型馬達8，9，兩個旋轉幫浦5，6，V型傳動帶4-4，4-8，滑輪組4-1，4-2，4-3，
4-5，4-6，4-7，飛輪2-7，曲軸2-6和熱能傳送流體(HTF)儲存槽。一個熱能傳送流體流通系統包括旋轉幫浦5，熱媒上行輸送管5-1，熱媒下行輸送管5-2，熱能傳送流體儲存槽5-3 和斯特林發動機2熱區2-1的散熱器類型冷卻器5-4。一個冷媒流通系統包括旋轉幫浦6， 冷媒上行輸送管6-1，冷媒下行輸送管6-2，安裝在冷媒上行輸送管6-1散熱器類型冷卻器 6_9(例如，有許多散熱片的金屬裝置)和斯特林發動機2冷區2-2的散熱器類型冷卻器
5-5。一個傳動軸系統包括斯特林發動機2的傳動軸2-8和風力渦輪機3的傳動軸的3-1。一個聯結/脫離機制提供了斯特林發動機2的傳動軸2-8和風力渦輪機3的傳動軸的3-1的連接(或者分離)功能需求。這個機制包括一個小型馬達9，一套V型傳動帶 4-8和滑輪4-5，4-6，4-7用以連接斯特林發動機2的傳動軸2_8和風力渦輪機3的傳動軸的3-1 二者以形成結合的動力來源。另一個聯結/脫離機制包括一個小型馬達8，一套V型傳動帶4-4和滑輪4-1，4-2, 4-3用以連接輔助激活電氣馬達運動軸7-1和斯特林發動機2的傳動軸2-8。這個機制提供一個方法讓斯特林發動機傳動軸2-8能夠從靜止狀態被激活然後開始旋轉。圖13A-圖13D展示兩個聯結/脫離機制一系列操作之四個程序。起先，當太陽光線聚焦於熱能吸收器11時，雖然只要太陽為斯特林發動機熱區產生足夠熱能時會帶動旋轉幫浦5循環熱能傳送流體但是熱能傳送流體需要先被外力從熱能吸收器11循環至斯特林發動機熱區。所以這個太陽能收集器1開始對熱能吸收器11聚集太陽光線時，此熱能傳送流體循環系統開始激活輔助激活電氣馬達7然後開始驅動旋轉幫浦5以及與它連接的斯特林發動機傳動軸2-8的旋轉。圖13A展示聯結/脫離機制在夜間所有傳動軸處於脫離狀態風力渦輪機的轉動和這風力和太陽能混合併行系統的電力只有從風力產生。當太陽升起時並且熱能傳送流體溫度達到一個設定溫度(例如，攝氏100度)，一個負責聯結/脫離機制的小型馬達9被激活 (例如，被熱電偶)開始縮回使在這些滑輪4-1，4-2，4-3上之V型傳動帶4-4逐漸繃緊。如同在圖13B中展示那樣，原本脫離分開的輔助激活電氣馬達7的傳動軸7-1和熱能傳送流體旋轉幫浦5，冷媒旋轉幫浦6和斯特林發動機2的聯合傳動軸2-8被聯結傳動在一起。
不久熱能傳送流體溫度達到另一個設定溫度(例如，攝氏150度)，熱電偶激活這個負責聯結/脫離機制的小型馬達8，開始伸出使在這些滑輪4-1，4-2，4-3上之V型傳動帶4-4逐漸鬆脫。結果，原本聯結傳動在一起的輔助激活電氣馬達7的傳動軸7-1和斯特林發動機2的聯合傳動軸2-8的聯結被脫離分開然後熱電偶關閉這個輔助激活電氣馬達。當日光逐漸增強，已經脫離輔助激活電氣馬達7的斯特林發動機開始強有力地運轉，因此輪到第二個負責聯結/脫離機制的小型馬達9，開始縮回使在這些滑輪4-5，4-6， 4-7上之V型傳動帶4-8逐漸繃緊。原本脫離分開的風力渦輪機3的傳動軸的3-1和斯特林發動機2的聯合傳動軸2-8被聯結傳動在一起因此驅動力從聯裝式斯特林發動機2傳送到風力渦輪發電機4上如同圖13C中展示那樣。當天空陰沉或者在夜間，風力渦輪機和聯裝式斯特林發動機採分離狀態，好除去聯裝式斯特林發動機對風力渦輪發電機的重量負荷和機械上的摩擦力。太陽能和風力的混合併行發電機，在夜間，多雨的，陰沉和多雪天只剩風力渦輪發電機獨立出來自行運轉發電。上述那個負責聯結/脫離機制的小型馬達9，開始伸出使在這些滑輪4-5，4-6，4-7上之 V型傳動帶4-8逐漸鬆脫。原本聯結傳動在一起的風力渦輪機3的傳動軸的3-1和斯特林發動機2的聯合傳動軸2-8被脫離分開如同圖13D中展示那樣。一個完全的序列說明如同在圖13A，圖13B，圖13C，圖13D，再回到圖13A中所展示其周而復始地實。在一些例子中，所有施六個滑輪都有大法蘭盤4-9以保持槽中的V型傳動帶在鬆弛和非聯結狀態下時不致從中脫落如以上各圖所示。
6流體流通機制現下提到第14A-14C圖，在一陽光充足天，加熱這熱能傳送流體(例如，高達攝氏 400度)，在太陽能收集器1中的熱能吸收器11傳送高熱的熱能傳送流體透過熱媒下行輸送管5-2循環在斯特林發動機2的熱區2-1。在熱交換於聯裝式斯特林發動機2的熱區2-1 裡面發生了以後，旋轉幫浦5傳送這熱能傳送流體透過熱媒上行輸送管5-1回到熱能吸收器11完成封閉式加熱循環如同圖14A中表明那樣。這個高熱(例如，高達攝氏400度)熱能傳送流體依次流過這些聯裝式複合太陽能斯特林發動機熱區之熱能交換器5-4，因而能夠依序遞減地熱交換高熱並且徹底利用這個熱能以增加動能的輸出因而提供輔助驅動力到風力渦輪發電機上。熱能傳送流體封閉環路流通系統包括一個熱媒旋轉幫浦5，熱媒輸送管5-1，5-2，熱能傳送流體儲存槽5-3基本上安裝於聯裝式斯特林發動機2的下方加上太陽能斯特林發動機熱區之散熱器類型熱能交換器5-4，如同圖14B中展示那樣。另外一個冷媒半封閉式循環流通系統包括一個旋轉幫浦6，冷媒輸送管6-1，6-2，冷媒流通環襯裝置2-3環繞安裝在太陽能斯特林發動機冷區2-2上，太陽能斯特林發動機冷區2-2外圍之冷媒流通環襯裝置2-3，散熱器類型熱能交換器5-5 (有許多金屬散熱片的裝置)包裝在往上輸送到冷媒流通環襯裝置2-3的冷媒輸送管6-1外圍，如同圖14C中展示那樣。如同圖15中展示，在一些例子中，多管斯特林發動機能夠用冷媒流通環襯裝置 2-3內含散熱器類型熱能交換器5-5是採用許多金屬散熱片的裝置或其它可增加散熱面積的方法圍繞裝置在斯特林發動機的冷區2-2上。散熱器類型熱能交換器5-5排出斯特林發動機的冷區2-2中熱能透過冷媒流通環襯裝置2-3中的冷媒向周圍空氣放熱。旋轉幫浦6 從冷卻水槽組的冷水輸出槽6-3循環冷卻水流經冷媒上行輸送管6-1至多管斯特林發動機之冷媒流通環襯裝置2-3 (冷區2- 與熱區2-1中的熱能交換熱量後再流經冷媒下行輸送管6-2流回冷卻水槽組的熱水回收槽6-4。冷卻系統的水槽組包括冷水輸出槽6-3和與其頂部相連接的隔離層6-7保溫熱水回收槽6-4。把被隔離層6-7保溫地熱水回收槽6-4以水管連接到建築物熱水使用系統而冷水輸出槽則與自來水供應線6-6連接以進行冷水補充。當熱水回收槽6-4的熱水經由熱水閥6-8被建築物熱水使用系統使用時無法回饋冷水輸出槽6-3裡，冷水輸出槽內的浮標裝置6-5將觸發自來水供應線6-6自行補充這個冷水。這個冷水的補充替換將大大地減低冷卻系統冷水輸出槽6-3的溫度得以進一步強化其冷卻過程和增加多管斯特林發動機的動力輸出效率。可注意的是對於多管斯特林發動機2的動力輸出效率需求增加時，降低冷區2-2 溫度是很重要的；例如，理想化的斯特林循環效率條件下，在冷區內降溫攝氏10度的變化能夠等於在熱區2-1內升溫攝氏30度變化的相同影響。因此，散熱器類型之冷卻器6-9(有許多金屬散熱片的裝置)包裝在往上輸送到冷媒流通環襯裝置2-3的冷媒上行輸送管6-1 外圍並且與風車扇葉軸心3-1相平行並排安裝。風的流入或流出風車扇葉可使冷的空氣穿過這些散熱片之間因而能夠大大改進熱量從這散熱器類型之冷卻器6-9轉移到周圍空氣中，另外為維持熱能傳送流體的高熱度，斯特林發動機2的熱區2-1，熱媒旋轉幫浦5，熱媒上行輸送管5-1，熱媒下行輸送管5-2，熱能傳送流體儲存槽5-3均是採用雙層密閉式的隔離層6-7保溫(例如，用玻璃纖維層)減少熱損失和增加斯特林發動機2的輸出功率。
7擴展和應用以上所描述的系統和方法可以是實有的且在其方面有許多可能的應用。例如，除生產電力以外，這個風力和太陽能混合併行系統(或者系統中的子系統)也能夠使太陽能轉變成熱能量為辦公室或者住家供應熱水和室內暖氣熱量。各種類型的太陽能收集器1可以被布署在這個風力和太陽能混合併行系統中。關於圖16，例如，使用複合拋物線聚焦器(CPC)所採用的一種經濟型拋物線聚光槽類型允許更寬廣的太陽光線接收角度和更有效的能量收集，不需要用昂貴的太陽追蹤器 12去鎖定那每日在天空半球留下它明顯運行軌道的太陽。這套複合拋物線聚焦器(CPC)系統採用廉價的實時控制器配合線性傳動裝置臂10來移動拋物線聚光槽數組相對於太陽方位角的運動。複合拋物線聚焦器的一個軸心可以被設定粗略地平行於地球的南北極旋轉軸心線。它可經由手動調整(每月或者雙月)或者自動化操作來調整第二個軸心太陽高低角度。太陽在春季晝夜平分時的高低角度偏差是0度在夏天時上升至22. 5度然後在秋天時降回至在0度再到冬天那時晝夜平分往下達到-22. 5度。這種高低角度設定調整當太陽夏天高掛在天空並且進一步偏向北方時可使這些複合拋物線聚光槽數組面向太陽，當太陽冬天低掛在天空並且進一步偏向南方時可使這些複合拋物線聚光槽數組面向太陽，因此取得對於每一個季節最理想位置如圖16所示。它可經由手動調整(每月或者雙月)或者自動化操作，取決於極性軸線的方向安排。這種類型的太陽能收集器就可以不一定使用複雜昂貴以及由於雲幹擾而傾向對不準且有時不可靠的太陽定位器12(例如，太陽跟蹤系統)。圖17A-圖17D是採用複合拋物線聚焦器的風力和太陽能混合併行系統的一個俯視圖，圖樣說明從日出到日落順著太陽方位角的順序運動。這線性傳動臂裝置10驅動複合拋物線聚焦器以複合拋物線聚焦器之系統支柱軸心為圓心作東西向有順序的轉動。圖 17E-圖17G圖樣說明整個複合拋物線聚焦器沿著太陽高低角度的第二個軸心作南北向有順序的俯仰運動是採用手動或者自動化操作的調整取得對於每一個季節最理想位置。手動調整機制包括轉輪，連接柱和齒輪組來延伸和回縮線性傳動臂裝置10並且驅使複合拋物線聚焦器沿著其支柱軸心繞轉。自動化操作的調整設置則需要附加電力馬機和實時控制
ο圖18展示能夠用於風力和太陽能混合併行系統的三種斯特林發動機，包括阿爾法型發動機，貝爾塔型發動機和加瑪型發動機的例子。這些各型發動機以工作氣體被斯特林發動機活塞於其熱區和冷區之間的不同驅動方式作為區分。其它類型斯特林發動機或者熱能機械引擎也能夠被使用。圖19展示能夠用於風力和太陽能混合併行系統的各種風力渦輪機，包括 Darrieus機翼葉片類型風力渦輪機，Mvonius半筒類型風力渦輪機，Giromills長條葉片類型風力環渦輪機及其它的例子。其它類型風力渦輪機也能夠被使用。圖20展示能夠用來直接從日光獨立產生電流的一套太陽能面板14可以裝置在風力和太陽能混合併行系統的太陽能收集器1上。這些太陽能面板14能夠利用太陽定位器 12的功能更有效率地產生這額外電力供給風力和太陽能混合併行系統的電力需要或者透過電力結合方法併入其它電流如圖所示。在一些執行中，太陽能收集器和聚焦器能夠大量使用高強度，抗腐蝕性，高吸震性，振動減緩性的高級複合材料(例如，玻璃纖維和碳纖維)。風力渦輪發電機的這個風收集部位採用高強度和輕質的高級複合材料(例如，S玻璃纖維，高模塊碳纖維和Kevlar超強化防彈纖維)機翼型葉片，修長葉片，罩杯葉片，半筒式扇葉或者大面積扇葉以更有效率地產生電力。這樣的一個完整架構也足以抗拒強風，溫度，潮氣和其它的大自然因素的損壞。這套風力和太陽能混合併行系統能夠因使用輕質量的複合材料以保持高操作效率和充分地減少製造和保養的成本從而降低銷售及維護費用，適合小商業，辦公室和住家的低價位需求。此外，因為輕質架構，簡單構造和模塊化設計可廣泛地應用於小型商業屋頂上，停車場，住家屋頂上或者後院的電力產生。此外，甚至開發中國家城市和市郊地區對於家庭及小型商業能量需求也可負擔的起。必須理解的是以上所描述說明是就此發明要求的範圍來定義而不必是限制此發明的範圍，這是要由以下附加的申請專利範圍要求來定義的。其它具體實現也包含在以下這些申請專利範圍之內。
權利要求
1.一種用以轉換風力和太陽能能源以供與電力發電機使用之系統，其特徵在於，包含一個風力發電的子系統，其包括一組風車扇葉，其作為承受風力而產生機械的動力；和一支第一傳動杆，其在風車扇葉和發電機之間機械地連結，作為傳送該生產出的機械動力到該電力發電機；一個太陽能動力的子系統，其包括一個太陽能收集器，其作為接收太陽能而產生熱能；一個熱能機械引擎，其連接該太陽能收集器，以供轉換太陽能源成機械動力；和一支第二傳動杆，其機械地連結該熱能機械引擎；和一個互連的子系統，其作為可分離式地連結該第二傳動杆和該第一傳動杆，以供將該等風力發電和太陽能動力的子系統所生產出的機械動力結合，來傳輸至該電力發電機。
2.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該太陽能動力子系統的該熱能機械引擎包括一個外部燃燒發動機。
3.如權利要求2所述之系統，其特徵在於，該外部燃燒發動機包括一套一具或更多具的斯特林發動機。
4.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該太陽能收集器包括一具或更多具從下列群組選出定的聚焦器拋物線聚光反射器，拋物線聚光槽，複合拋物線聚光槽(CPCs)，真空日光集熱管和菲涅爾透鏡聚光器。
5.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該風力發電的子系統包括一風擋結構，其可旋轉地安裝在該第一傳動杆。
6.如權利要求5所述之系統，其特徵在於，該風擋結構包括一對弧圓柱形構件，其對稱地放置在該風車扇葉的周圍之外。
7.如權利要求6所述之系統，其特徵在於，風擋變流結架構進一步包括各在一個對應弧圓柱形構件的外部邊緣角度安裝的一對導流器風向定向板，作為引導風吹向該風車扇葉的一所欲範圍。
8.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該互連子系統包括一套滑輪組和一條或更多條的V型傳動帶，以供選擇地結合該組滑輪。
9.如權利要求8所述之系統，其特徵在於，該互連子系統進一步包括一電力風車扇葉， 其用以當由一控制信號激活時移動該組滑輪的一選定者，藉此在該組滑輪上方使V型傳動帶縮緊，以將該第二傳動杆與該第一傳動杆連結。
10.如權利要求9所述之系統，其特徵在於，進一步包括一個控制組件，其用以響應環境條件而產生控制信號來激活該電力馬達。
11.如權利要求10所述之系統，其特徵在於，該環境條件包括風的條件和太陽的條件中之一項或多項。
12.如權利要求10所述之系統，其特徵在於，該個環境條件包括在該熱能機械引擎內部或在太陽能收集器裡的一溫度條件。
13.如權利要求12所述之系統，其特徵在於，該控制組件包括一具或多具溫度傳感器。
14.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該熱能機械引擎包括熱區和冷區。
15.如權利要求14所述之系統，其特徵在於，該太陽能動力子系統包括一個封閉迴路流通系統，其用以循環熱能傳送流體流經該熱能機械引擎的熱區。
16.如權利要求15所述之系統，其特徵在於，該封閉迴路流通系統包括用以容納該熱能傳送流體一個流體儲存槽，和一個旋轉幫浦，其用以抽取該個流體儲存槽內的該熱能傳送流體流經第一個輸送管到一個被加熱的熱源，隨後流經第二個輸送管到該熱能機械引擎的熱區。
17.如權利要求16所述之系統，其特徵在於，該太陽能動力子系統進一步包括一個第二循環系統，其用以循環冷卻媒體以保持該熱能機械引擎之冷區的一個低溫度。
18.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該太陽能動力子系統進一步包括一太陽追蹤組件，其用以獲得太陽光線的測量值並，且用以基於所獲得的測量值導引該太陽能收集器到與該太陽光線相關聯之一希望的方向。
19.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該風力發電的子系統包括一個垂直軸心渦輪機或者一個水平軸心渦輪機。
20.如權利要求1所述之系統，其特徵在於，該太陽能動力子系統進一步包括連結到該太陽能收集器之一組的一或更多個太陽能面板，其用以產生額外電力以使風力或者太陽能動力子系統中的一個或多個的耗電設備有電。
全文摘要
一個整合的混合併行的能源生產系統能夠轉換風力和太陽能能源使之用於一個電力發電機。在白天，這樣一個混合風力和太陽能並行發電系統同時地從風力和太陽能能源得到能量。在夜間，此系統不管天氣條件如何仍然能夠連續不斷轉換風能量為電力。
文檔編號F03D9/00GK102598499SQ201080035994
公開日2012年7月18日 申請日期2010年8月10日 優先權日2009年8月11日
發明者傑森·曹 申請人:傑森·曹