CN101539097A - 无轴的笼式垂直轴式风轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无轴的风轮机，该风轮机包括一垂直结构，在垂直结构内置有风力驱动的转子。该垂直结构包括多个围绕外部圆周设置的柱体和与外部圆周同心地设置的中空圆形芯。转子含设置在柱休和所述垂直结构的中空芯之间的多个风力驱动叶片，在吹入该垂直结构的风作用下转子环绕中空芯转动。

Description

无轴的笼式垂直轴式风轮机

技术领域

本发明总体涉及一种风轮机，并且更具体地涉及垂直轴式风轮机。

背景技术

随着对能源需求的持续增长，尤其是在发展中国家，并且意识到传统的化石燃料供给是有限的，人们越来越对新的和经改良的利用可再生能源的方法感兴趣，例如日光、风、雨(水)、潮汐和地热等可再生能源，它们是可以自然地再补充的。水力发电成为主要的可再生能源已经几十年了。但是，随着对堰塞水道造成的环境影响日益重视以及意识到新鲜饮用水是重要的资源，水力发电计划的认可变低。人们的注意力现在转到将风力作为未来大规模发电的资源。

风轮机可以分类为水平轴式的或垂直轴式的风轮机。典型地，水平轴式风轮机具有一塔，塔上置有大型的风扇状叶片，非常像风车。迄今最大的水平轴式风轮机大约高40层楼，具有接近126米的叶片直径。为了产生足够的电力供给到公用电网，水平轴式风轮机被设置于能包含数百台风轮机且分布于广大区域的风力发电场。虽然它们可利用大量的可再生能源，但这些风力发电场占地面积大并且有碍观瞻。

垂直轴式风轮机具有垂直延伸的主转子轴。垂直轴式风轮机的主要优点在于：发电装置和齿轮箱可以位于轴的底部、靠近地面处，这意味着塔不用承担这些重量。此外，垂直轴式风轮机能够接收任何方向的风并且不需要转动以捕取风力。然而，由于垂直轴式风轮机的受风面积较大，垂直的轴和风轮机结构需耐受巨大的侧向作用力。因而，迄今已知的垂直轴式风轮机的规模受到实际的限制。此外，因为它们随着风垂直地转动，转子的一部分随着风移动，而转子的直径相对的部分朝向风移动并且必须遭受迎面而来的风的作用力。

发明内容

本发明的目的在于提供垂直轴式风轮机，所述风轮机能够制造成比迄今为止已知的风轮机具有更大的规模，能更大地利用风能。本发明的另一目标在于提供垂直轴式风轮机，所述风轮机克服或至少改进已知风轮机的一些缺点，或至少为公众提供有用的选择方案。

根据本发明的第一方面，提供一种无轴的风轮机，包括：

垂直结构，所述垂直结构具有围绕外部圆周设置的多个柱体和与外部圆周同心设置的中空圆芯，和

转子，所述转子包括设置在所述垂直结构的柱体和中空圆芯之间的多个风力驱动的叶片，用于在吹入该垂直结构的风作用下使转子环绕中空圆芯转动。

优选地，无轴的风轮机还包括至少两个转子，一个位于另一个之上地置于柱体和中空圆芯之间，每个转子环绕中空圆芯独立地转动。

优选地，每个转子与发电装置机械地连接。

优选地，具有发电装置，由转子驱动。

优选地，所述发电装置位于中空圆芯内。

优选地，无轴的风轮机还包括与中空圆芯同心的环形支撑梁，转子悬挂在该环形支撑梁上。

优选地，所述环形支撑梁包括位于所述中空圆芯处的第一环形支撑梁和位于所述垂直结构的圆周处的第二环形支撑梁，转子悬挂在所述第一和第二环形支撑梁之间。

优选地，所述转子包括位于柱体和中空圆芯之间用于环绕芯转动的环形框架，多个叶片设置在环形框架上。

优选地，所述转子包括上环形框架和下环形框架，并且所述叶片包括支撑在所述上和下环形框架之间的半脊形帆。

优选地，无轴的风轮机还包括与中空圆芯同心的环形支撑梁，并且上环形框架悬挂在环形支撑梁上。

优选地，环形支撑梁包括于所述中空圆芯处的第一环形支撑梁和位于所述垂直结构的圆周处的第二环形支撑梁，上环形框架悬挂在所述第一和第二环形支撑梁之间。

优选地，无轴的风轮机还包括垂直延伸的遮挡装置，该遮挡装置设置在支撑结构的外部圆周处并可环绕支撑结构的外部圆周转动。

优选地，所述遮挡装置的圆周跨度为支撑结构外部圆周的54到90度。

优选地，所述遮挡装置的圆周跨度为支撑结构外部圆周的60度。

本发明的其他方面将通过下面的描述变得清晰。

附图说明

现以根据本发明的实施例，仅作为例子进行描述，并以附图作参考，其中：

图1a是根据本发明的多层风轮机的截面正视图；

图1b是风轮机的转子空间框架的示意图；

图1c是风轮机的叶片的示意图；

图1d是图1c中的叶片的骨架框架的示意图；

图2是风轮机的单层的顶部的截面平面视图；

图3是风轮机的单层的底部的截面平面视图；

图4是通过风轮机的单层的截面正视图；

图5a是风轮机的转子框架的一半的放大的截面正视图；

图5b用于悬挂转子的中间支撑的详图；

图6是风轮机的传输和发电装置部件的截面正视图；

图7是根据本发明的风轮机的可选实施示例的单层的顶部的截面平面视图；

图8是通过根据可选实施示例的风轮机的单层的底部的截面视图；

图9-13示出能与风轮机的每个实施示例一起应用的风遮挡装置的各个实施示例。

实施示例的描述

现对本发明以大型(即，高建筑物规模)的无轴的垂直轴式多层风轮机来进行描述。风轮机的设计使它能被制成非常大的规模，尤其是比已知的风轮机大很多。迄今为止，最大的风轮机为叶片直径达126米的水平轴式风轮机。发明人意指的大型风轮机是指根据本发明的风轮机，其覆盖的基座处可达到直径或宽度250至350米之间，其垂直高度达到300至500米之间或更高。然而，此表述并无意图限制本发明的使用或功能。本领域的技术人员将会理解到本发明的原理可以适用于任何规模的风轮机，更大的或更小的。

根据本发明的风轮机能够制造成如此大的规模，使它能够在风速较高的更高高度捕取得大面积的风力。空气的动能(KE)由1/2mv²给出，其中质量(m)涉及受风面积和风速。因为达到300米的宽度，风轮机呈现对风的大的叶片面积。因为能达到500米高或更高，意味着风轮机暴露到更高速的风中，并因此根据本发明的风轮机能够从风中攫取更大的能量。

具有上文所述的规模的风轮机的构建可以用熟知的建筑物建造技术和大型工程技术。世界上大多数国家已经建造了许多高达500米或更高的高楼，并且对于这样的结构的建筑和建造技术是易于包含在本领域技术人员的实际技术知识中的。这些已知的构造技术适用于所述风轮机的个别结构的元件和特点。

优选的实施例的装置是“多层的(multi-stage)”，在该装置中多个独立的风轮机，各有其自己的转子，围绕公用的转动轴线垂直地层叠。每个风轮机机械地连接到其各自的发电装置。因为垂直的风轮机可以延伸到几百米高度，其在不同高度可能经受不同的风向和风速。每个风轮机可以因应它经受的不同风力条件，独立地与设置在不同高度的发电装置，自由地转动。然而，对本发明这并不是必需的，风轮机可只有一个转子。

根据本发明的风轮机是无轴的。在本文中，“无轴”指的是风轮机的每个转子均是一个自由转动的结构。没有与转子共轴线的轴以传送扭矩给发电装置，此有别于常规转动发电机和已知的垂直和水平轴风轮机。

这里用到的术语“笼”指的是包括转子框架100和用于支撑转子的结构的部件，它具有类似笼状的形状。

首先参见图1，其中示出了根据本发明的无轴的垂直多层风轮机的截面正视图。虽然规模对于本发明并不是关键的，然而，该风轮机基本上是圆筒形的结构，在其基部具有300米的直径并且达到500米的高度。风轮机具有三个基本的功能性部分，也就是垂直支撑结构，至少一个位于所述垂直支撑结构内的风力驱动转子和由所述转子驱动的用于发电的发电装置。在示出的实施例中，有四个独立地转动的转子1、2、3、4。转子以一个位于另一个之上的方式被垂直地层叠，并且每个转子与位于所述垂直支撑结构的中空圆芯10内的四个对应的传输和发电装置各自连接。

主要的笼式或垂直的支撑结构本质上是一具有中央圆形中空芯10的开口圆形建筑物。中空圆芯用已知的建筑物构建技术建造，并且为所述结构提供了强度以承受大的侧向作用力。在所述中空圆芯10内，每一个转子1、2、3、4，有至少一个横向支撑结构或楼层11。每个楼层置在靠近其相应的转子的顶部，并提供用于机器室的空间以容纳发电装置6和相关设备。进出每个楼层，如建筑物构建领域所熟知的情况一样，由升降机12及楼梯13提供。位于所述垂直支撑结构的外部圆周处的是环绕芯的多个垂直外部柱体14。柱体14形成笼结构的外部边界，所述笼结构基本上是开口的，以允许风吹过该结构。每个横向支撑结构或楼层11包括延伸于中空圆芯10和每个柱体14之间的径向横梁15。中空圆芯结构有平的、倾斜的或穹顶形的顶(未示出)覆盖。

所述垂直支撑结构的每一层包括位于圆形建筑内的转子1、2、3、4，所述转子延伸于中空圆芯10和外部柱体14之间，其形状一般为环形，可环绕中空圆芯10自由地转动。每个转子含刚性空间框架100，空间框架100具有共轴线的上和下环形构件101、102，上和下环形构件位于各自的上和下平面格子框架40、41的中央，所述上和下平面格子框架40、41是六边形的且彼此平行。框架40、41通过垂直杆件和对角支撑杆结合。刚性转子框架100承载多个叶片骨架21，所述叶片骨架非径向地位于转子框架的内部圆周和外部圆周之间。叶片骨架21支撑着轻量、柔性的、张紧的纺织物面板，形成可风力驱动的叶片或帆22。帆22具有在横向平面内恒定的精确的轮廓，并在沿轴向狭长地延伸于上和下框架40、41之间。帆的纺织物可以是例如在游艇业中已知的多种高强度轻量纺织品中的任一种。

转子笼或框架100、叶片骨架21和轻量纺织物的帆22形成刚性的相对轻量的转子，所述转子位于中空圆芯10和外部柱体14之间，自其上端悬挂下来。正如稍后将要更详细讨论的，帆22并不是从转子的外部圆周延伸全程到内部圆周。事实上，在优选的实施例中，帆22从转子的外部圆周朝向转子的内部圆周延伸，但没有延伸其全程。这允许风在叶片22和中空圆芯10之间通过，以驱动转子后续的帆。位于转子框架内的叶片骨架21为柔性风帆22提供支撑结构。骨架将风帆保持为基本上曲线形状，以使当风围绕帆22吹过时，在帆22的任一面产生高的和低的压力区域。当低的压力区域在帆22的前导面时，前导面处的风速会增大(相对于曳尾面而言)，此有助于转动转子。

参见图1b和2，上转子框架40包括内部齿圈25，所述内齿圈25在上环形构件101内并且与上环形构件101共轴线。多个径向转子杆件27在上环形构件101和六边形边的顶点之间延伸。边缘杆件28沿框架40的六个边的每一边延伸于径向转子杆件27外端部之间，并且内部横向杆件29延伸于在朝向径向杆件27的近侧端部的点之间，形成两个在径向杆件27之间、同心的横向支撑加固环形。下环形转子框架41具有类似上环形转子框架40的结构。多个垂直杆件设置在位于上和下框架40、41上的径向杆件27、31之间并且通过对角的支撑加固。支撑加固亦对角地设置在上和下框架径向杆件27、31之间和外部、内部横向杆件27、29、32之间。

参见图4、5a和5b，其中更清楚地示出了第一实施例的转子的转动支撑，在风轮机的每层的上部有内部和外部环形滚子轨道横梁42、43。内部滚子轨道横梁42环绕所述中空芯10的外周设置并且固定在其上面。外部滚子轨道横梁43设置在邻近所述垂直支撑结构的外周并且通过在圆周点处固定至所述垂直支撑结构的垂直外部柱体14，并被保持在既定的位置上。固定于上环形构件101内部的内齿圈25与被设定围绕竖直轴线转动的驱动齿轮52接合。安装在中空芯10上的轴承105在转子最上部的径向的内端部处支撑转子，承载轴向或垂直的负载(也可选择是横向或径向负载)。定位环44容纳在横梁42中的环形凹槽内。可选择地，位于定位环44和环形凹槽之间的低摩擦滚子可以提供转子的必要的横向或径向定位。在类似的方式中，转子的最上部的径向外部端部的重量由环形轨道横梁43支撑。

为了给转子的下部提供横向支撑，在下框架41的环形构件102的圆周间隔位置处设置抵着中空芯10外周的滚子45。如此，转子的自重主要产生拉力载荷于与框架40、41连接的构件中，在结构上可形成更有利的载荷体系。

如前面所述的，根据本发明的优选实施例的直径可以达到300米。如果中空芯10和外部柱体14合并起来占直径的15米，则转子上框架的内部齿圈25和外部圆周环26之间的径向距离将接近90米。在这种情况下，所述垂直支撑结构可在中空芯10和外部柱体14之间设置同心环形悬挂轨道横梁46、47，提供径向内部和外部端部之间的中间支撑。横梁46、47由两个构件组装而成，每个构件具有直立的梁腹106a和下凸缘106b，横梁46、47与间隔开的凸缘106b对称地配置。容纳在横梁中的滚子108成对支撑，每对滚子中的一个支撑在各自的凸缘上，并且悬挂构件与滚子108结合且在凸缘106b之间延伸以接合上框架40。

中空芯10的壁在邻近每层风轮机的的转子齿圈25处均有开口51通往设置发电装置6的机器室。在实际应用中，可以提供其他开口或入口通道，使其通过中空芯壁进入转子区域，用于进行构建和维护，但这些对于本发明并不是必需的，这里不作讨论。发电装置驱动齿轮52设置于壁开口51中，邻近于转子齿圈25，与转子齿圈25的内周接合。发电装置驱动齿轮52连接到驱动齿轮组53、54的轴，齿轮组依次直接或通过齿轮箱驱动位于机器室内的发电装置6，例如用于对应不同输入速度保持恒定输出速度的变速齿轮箱。因而，转子的转动驱动机器室中的发电装置并产生电力。

图7和8示出根据本发明的可选择的另一实施例，其中设置第二多个垂直柱体70，第二多个垂直柱体70在与中空芯10同心的圆上间隔开并且向外与中空芯10间隔开。在内部圆周处的第二多个柱体70限定了转子的体积在内部柱体70和多个外部柱体14之间。在实际应用中，内部柱体70将位于邻近风帆的内部边缘所在的位置处。转子框架的内齿圈71将置于内柱体70形成的内部圆周。内部滚子轨道齿轮围绕内部柱体70设置，使得转子可在界定的转子空间内自由地转动，该转子空间界定在内部柱体70和外部柱体14之间。风帆横跨转子的整个径向尺寸，并且风能够通过内部柱体70和中空芯10之间以冲击转子的其他帆22。在本实施例中，因为转子的跨度较短，因此不需要中间环形悬挂横梁。传输和发电设备6从中空芯10移出到内部柱体70、以接合转子齿圈71。传输和发电设备6可以悬挂在内部柱体70之间的框架上，或者设置混凝土底板在邻近的柱体70和中空芯10之间、以支撑传输和发电设备6。可通过中空芯10进出这个机器底板。

当风吹过所述垂直支撑结构的外部正面的柱体時，风会作用到转子的帆并且转动转子，因而产生电力。因为所述垂直支撑结构非常高，大约400-500米，风向和风速会根据结构的高度改变。因而，风轮机设置有多层，正如前文所述地垂直叠置，每层置有转子和发电装置。转子能够独立地转动，并且能够按它们在所述结构内所处的具体水平位置响应风速和风向。

在这里所述类型的阻力型风轮机，轉子的叶片同时有部分是顺风、有部分是逆风的。为了解决由前进叶片造成的损失，本发明的风轮机设置有遮挡装置，可把风引导离开邻近转子前缘的前进叶片。遮挡装置设有连续延伸覆盖所述垂直支撑结构的部分外部圆周的覆盖物或阻挡物，以便保护这些帆在迎风移动時不受风影响。每个遮挡装置具有在相对于所述转子的轴线在横向平面上测量的30到90度之间的圆周跨度，并且垂直地延伸通过风轮机的每个转子或每层的整体高度，遮挡装置类似转子一样垂直地叠置。每个遮挡装置安装在转动轨道上，绕所述结构的外侧运行，使得遮挡装置可以绕所述结构的圆周移动以适应风向的改变。遮挡装置包括滚子和驱动马达，以绕滚子轨道驱动遮挡装置到所述结构的不同的圆周位置上。遮挡装置的位置可以通过接受来自风向指示装置的输入的计算机或逻辑控制器自动地被控制。每个遮挡装置的位置的细微调整可以通过带有控制器的遮挡装置后面的空气压力传感器、应用引起遮挡装置位置改变的风向和空气压力信息来微调遮挡装置的位置来实现。位于不同层、不同高度的遮挡装置能够独立地转动以适应位于所述垂直结构的不同水平高度上的不同风向。在图2、3、7和8示出的平面视图中，遮挡装置用附图标记80标示。本发明的两个实施例中，遮挡装置提供相同的目的和功能，遮挡装置的效果通过参照根据本发明的第二实施例的附图9示出。当风，用从图的底部向上延伸的黑色箭头示出，遇到所述结构的遮挡装置区域，风转向围绕所述结构的圆周结构如箭头81所示。当相对于进入所述结构的空气、气流绕遮挡装置移动时，气流加速。这在整个遮挡装置上产生低压区域。文氏管效应将空气从遮挡装置内的开口82拖出，在通过遮挡装置后面的风帆的后面处产生低压区域(用参考字母A示出)。遮挡装置不仅可以阻止风冲击前进的叶片使转子变慢，而且可以通过在前进的叶片前面产生低压区域帮助转子转动。

在图9-13中示出了遮挡装置配置的不同例子。在图9中示出的第一实施例中，遮挡装置是与所述设备的大致圆柱形外部表面互补的弯曲板，并且延伸通过所述结构的60度圆周，其拖曳边缘83形成小的翼型，所述翼型是沿径向向外逐渐变尖、形成尖的竖直的边缘。通过简单地导风，遮挡装置通过将空气从遮挡装置后面拉出并且在遮挡装置的后面产生低压区域而将风加速。在图10中，遮挡装置在其前缘处设置有垂直延伸的脊84。脊84有助于将通过风轮机结构和绕遮挡装置外侧的气流分开，减少可能会影响风通过风帆的、在遮挡装置的前缘处产生的扰动。在图11中，脊84延伸到狭缝82，狭缝垂直地伸长并且在径向向内方向上从脊的拖曳边缘朝向遮挡装置的圆柱截面横向延伸。空气能够从遮挡装置的后面由文氏管效应通过狭缝被拖出来，以减少作用在前进叶片上的阻力。在图12中，遮挡装置的、脊84后面的部分由垂直的狭板85形成，形成具有多个开口的气窗，通过气窗空气被拖出以进一步改善遮挡装置后面的低压区域。图13中，遮挡装置的拖曳边缘缩短使得遮挡装置仅为所述垂直支撑结构的30度圆周，拖曳表面是弯曲的、以将气流从所述结构导走。围绕所述垂直支撑结构的气流的导风装置足以在遮挡装置后面产生低压区域并且帮助转子转动。遮挡装置也是更轻且更易于绕所述结构的圆周移动。

这里已经描述了根据本发明的无轴的垂直的风轮机的实施例。描述了所述结构、转子、齿轮、发电系统和遮挡装置的多个特征和元件，在本领域熟知它们具有结构或功能的等同物。应该认识到，本领域技术人员易于认识到如何将这些功能的或结构的等同物合并入本发明，因此这里描述的具体的实施例并无意图限制本发明的用途或功能。虽然优选实施例描述了阻力型风轮机，但应该理解到，本发明还可以应用于升力型风轮机或混合型风轮机。

Claims (14)

1.一种无轴的风轮机，包括：

垂直结构，所述垂直结构具有围绕外部圆周设置的多个柱体和与外部圆周同心设置的中空圆芯，和

转子，所述转子包括设置在所述垂直结构的柱体和中空圆芯之间的多个风力驱动的叶片，用于在吹入该垂直结构的风作用下使转子环绕中空圆芯转动。

2.如权利要求1所述的无轴的风轮机，还包括至少两个转子，一个位于另一个之上地置于柱体和中空圆芯之间，每个转子环绕中空圆芯独立地转动。

3.如权利要求2所述的无轴的风轮机，其中每一个转子与发电装置机械地连接。

4.如权利要求3所述的无轴的风轮机，其中具有发电装置，由转子驱动。

5.如权利要求3所述的无轴的风轮机，其中发电装设置于中空圆芯内。

6.如权利要求1所述的无轴的风轮机，还包括与中空圆芯同心的环形支撑梁，所述转子悬挂在该环形支撑梁上。

7.如权利要求6所述的无轴的风轮机，其中所述环形支撑梁包括位于所述中空圆芯处的第一环形支撑梁和位于所述垂直结构的圆周处的第二环形支撑梁，所述转子悬挂在所述第一和第二环形支撑梁之间。

8.如权利要求1所述的无轴的风轮机，其中所述转子包括位于柱体和中空圆芯之间用于环绕芯转动的环形框架，多个叶片设置在该环形框架上。

9.如权利要求1所述的无轴的风轮机，其中所述转子包括上环形框架和下环形框架，并且以半脊形帆构成的叶片被支撑在所述上和下环形框架之间。

10.如权利要求9所述的无轴的风轮机，还包括与中空圆芯同心的环形支撑梁，并且上环形框架悬挂在所述环形支撑梁上。

11.如权利要求10所述的无轴的风轮机，其中所述环形支撑梁包括位于所述中空圆芯处的第一环形支撑梁和位于所述垂直结构圆周处的第二环形支撑梁，上环形框架悬挂在所述第一和第二环形支撑梁之间。

12.如权利要求1所述的无轴的风轮机，还包括垂直地延伸的遮挡装置，该遮挡装置设置在支撑结构的外部圆周处并可环绕支撑结构的外部圆周转动。

13.如权利要求1所述的无轴的风轮机，其中所述遮挡装置的圆周跨度为支撑结构外部圆周的54到90度之间。

14.如权利要求1所述的无轴的风轮机，其中所述遮挡装置的圆周跨度为支撑结构外部圆周的60度。

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