CN102037238A

CN102037238A - 悬浮风力涡轮机发电系统

Info

Publication number: CN102037238A
Application number: CN2009801184264A
Authority: CN
Inventors: 摩西·米勒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2011-04-27
Also published as: WO2009142979A2; WO2009142979A3; US7582981B1

Abstract

一种用于从风能产生电力的悬浮系统(10)，包括：轴(12)；至少两个涡轮机(16、18)，所述至少两个涡轮机(16、18)可旋转地安装到所述轴(12)，并且布置成当经受相同的风力时相互独立地并且沿着相反方向旋转；和发电机(20)，所述发电机(20)将所述涡轮机(16、18)的旋转转换成电力。由所述发电机(20)产生的电力的大小与由所述发电机(20)在所述轴(12)上诱发的扭矩的大小有关，并且可以控制发电机(20)的发电，从而由发电机(20)在轴(12)上诱发的扭矩受到控制使得在轴(12)上诱发的扭矩的和大致为零。提升结构(22)产生提升作用力以将涡轮机(16、18)提升到所需的高度，并且锚固系统(56)将涡轮机(16、18)相对于地面锚固。所产生的电力被传导给用户、电力存储器或者处理部件。

Description

悬浮风力涡轮机发电系统

技术领域

本发明总的来说涉及一种用于产生电力的风力涡轮机系统，并且更加具体地涉及这样一种用于产生电力的风力涡轮机系统，该风力涡轮机系统是悬浮(airborne)的，并且在公共的悬浮结构上包括涡轮机和发电机这两者。

背景技术

风能是自然能量(包括太阳能、水能、地热能)中最易于利用的形式之一，并因此经常被用于产生电力。按照瓦特每平方米，风能的密度是其它形式的自然能量中最高的密度之一。

用于利用风能产生电力的现有系统具有某些缺点。例如，因为风速通常随着高度增加，并且大的风速对于优化基于风力的发电而言是关键性的，所以应该构造高塔来将风力涡轮机升高到高的运行高度以便使从风力产生电力的潜力最大化。然而，建造高塔是昂贵的并且一旦建成，在运行期间经受强烈的振动。此外，考虑到众多已知的因素，包括获取成本、环境影响、地区争端，用于建造塔以支撑这种风力涡轮机的陆地是有限的。

虽然海面上的风、即在水体之上的风比陆地之上的风强，但是在水体之上构造用于风力涡轮机的支撑结构是昂贵的，尽管对于在这种水体之上建造支撑结构来说在空间方面存在显著更少的限制。最值得注意的限制在于，用于风力涡轮机的支撑结构的构造被限制于水体的特定深度。

鉴于在陆地上或者水体之上安设基于风力的发电系统产生的问题，已经研制了高空风车(flying windmill)。通常，这种高空风车不需要被连接到陆地或者锚固在水体之上的大型支撑结构。一种这样的高空风车是众所周知的Magenn系统，该Magenn系统比空气轻，并且利用Magnus(马格纳斯)效应。该现有技术系统的缺陷在于，其发电是非常有限的并且其不是非常有效率。

正在研制的另一种高空风车是Sky Wind Power Company的高空发电机。该系统比空气重并且尝试利用在大气的上层中的风。该系统的缺陷在于，该系统构造起来是昂贵的，包括复杂的机械部件并且不是非常实用。

因此将期望提供一种克服了上述系统的缺陷的基于风力的发电系统。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种用于从风力产生电力的、新的并且改进的系统和方法。

本发明的一些实施例的另一个目的在于提供一种新的并且改进的系统和方法，用于使用比空气轻的结构从风力产生电力，该结构能够改变其运行高度和/或适于不同的风速，由此来实现相对高的运行效率并且提供相对高的发电容量，同时还具有低的构造和维护成本。

为了实现这些目的和可能的其它目的，一种根据本发明的用于从大气风能产生电力的系统包括：轴；涡轮部，该涡轮部包括至少两个涡轮机，所述至少两个涡轮机可旋转地安装到该轴，并且布置成当经受相同的风力时相互独立地并且沿着相反方向旋转；和发电机，所述发电机布置成将涡轮机的旋转转换成电力。至少一个发电机耦接到每一个涡轮机。发电机产生的电力的大小与涡轮机的旋转有关，从而当例如通过角度稳定性控制单元控制发电机的发电时，涡轮机的旋转受到控制并且通过涡轮机的旋转由发电机在轴上诱发的扭矩受到控制。该角度稳定控制单元优选地控制发电机，以便提供由发电机的运行在轴上诱发的大致为零的合成扭矩，并由此能够使系统具有角度稳定性，因此所述角度稳定性在系统运行期间可以是持续的。该系统还包括：提升结构，所述提升结构耦接到涡轮部，用于产生提升作用力以能够使涡轮部在希望的高度悬浮；和锚固系统，所述锚固系统用于将涡轮部相对于地面锚固。由发电机产生的电力被传导到电力存储器、使用或者处理部件。

该角度稳定性控制单元还可以控制翼片相对于翅片的角度位置，所述翅片被相对于中心轴固定以帮助维持系统的角度稳定性。

该角度稳定性控制单元还可以控制涡轮机叶片的攻角，如果所述攻角是可变的。该角度稳定性控制单元可以利用电子人工地平仪作为基准，从而实现该系统相对于地平仪的角度稳定性。而且，鉴于角度稳定性控制单元连接到发电机，该角度稳定性控制单元可以将来自发电机的电力输入并入到公共电力输出导管。

为了能够使涡轮机沿着相反方向旋转，每一个涡轮机通过各自的轴承组件安装到轴上并且设有至少一个叶片。涡轮机上的叶片具有相反的攻角并由此当经受冲击叶片的相同的风时沿着相反方向旋转。

为了依靠对发电机的控制能够控制涡轮机的旋转，每一个发电机均包括可旋转轴，所述可旋转轴的旋转引起电力的产生，并且在涡轮机和发电机之间置入传动结构，用于将涡轮机的旋转传递成发电机的轴的旋转，并由此通过发电机产生电力。在一个实施例中，该传动结构包括：涡轮机齿轮，所述涡轮机齿轮被固定到每一个涡轮机上；和发电机齿轮，所述发电机齿轮被固定到每一个发电机的轴或者是每一个发电机的轴的一部分，并且与涡轮机齿轮中的一个涡轮机齿轮相互啮合。

想象得到多种形式的提升结构。在一种形式中，该提升结构包括布置在涡轮部的一侧上的第一可充气本体和被布置在涡轮部的相反侧上的第二可充气本体。可充气本体包括可以接纳比空气轻的气体的一个或者多个空腔或者隔室。在另一种形式中，该提升结构由单个可充气本体构成，该单个可充气本体被布置在涡轮部的一侧上，并且包括可以接纳比空气轻的气体的一个或者多个空腔或者隔室。在该实施例中，该锚固系统包括在涡轮部的相反侧上被连接到轴的系链。

在又一种形式中，该提升结构包括一个或者多个独立的提升产生体，该提升产生体与由轴、涡轮部和发电机组成的组件隔开，然而例如通过一个或者多个系链的连接结构与该组件连接，以将由每一个提升产生体产生的提升作用力传送到该组件。每一个提升产生体可以是可充气的，并且因此包括可以接纳比空气轻的气体的一个或者多个空腔或者隔室；或者是不可充气的，在不可充气的情况下，每一个提升产生体都具有空气动力学特性或者具有电力驱动的无人驾驶直升机(helicopter)，所述空气动力学特性能够使提升产生体呈如下位置，即，当被暴露于风中时提升产生体产生大的提升力并将大的提升作用力传送到组件，所述电力驱动的无人驾驶直升机在起飞和降落阶段期间从地平面上的电源获取电力并且在运行期间从系统获取电力。

通过与附图相结合参考以下说明，将理解本发明的其它的和另外的目的、优点和特征，其中相似的部件给出了相似的标记。

附图说明

通过与附图相结合参考以下说明，本发明与其另外的目的和优点一起可以最好地得到理解，其中相似的附图标记标识相似的元件，并且其中：

图1是根据本发明的风力涡轮机系统的第一实施例的部分横截面的侧视图。

图2是图1所示风力涡轮机系统的涡轮部的详细视图。

图3是沿着图2的线3-3截取的横截面视图。

图4是根据本发明的风力涡轮机系统的第二实施例的部分横截面的侧视图。

图5是根据本发明的风力涡轮机系统的第三实施例的侧视图。

图6是根据本发明的风力涡轮机系统的另一实施例的涡轮部的详细视图。

图7是示出多个涡轮部耦接到一起并且由单个悬浮构件维持在悬浮状态中的系统。

图8示出了带有由直升机维持悬浮的涡轮部的系统。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记涉及相同的元件或者类似的元件，根据本发明第一实施例的悬浮风力涡轮机系统通常被标为10并且包括：中心轴12；涡轮部14，所述涡轮部14包括被可旋转地安装到轴12上的前风力涡轮机16和后风力涡轮机18；发电机20，所述发电机20将涡轮机16、18的旋转转换成电力；和提升结构22，所述提升结构22耦接到涡轮部14，用于产生提升作用力以能够使涡轮部14升高到大气中。虽然因为轴12优选地位于系统12的轴向中心中而被称作中心轴，但是可想象得到的是轴12可以偏心地定位，并且因此轴12的中心性质不应该被视为限制特征，而是仅为优选的特征。

前涡轮机16和后涡轮机18中的每一个均包括在中心轴12上支撑涡轮机16、18的各自的轴承组件24和从轴承组件24沿着径向向外延伸的多个叶片或者翼部26(见图2)。轴承组件24被构造成能够使涡轮机16、18相对于轴12自由地旋转，但是它们仍然可能在轴12中并且相对于彼此独立地诱发旋转矩或者转动矩。这能够使涡轮机16、18沿着相反的方向旋转，其目的在下面解释。

如在图1中所示，在每一个涡轮机16、18上存在两个叶片26。然而，叶片的数目可以改变并且因此每一个涡轮机16、18可以包括三个、四个或者更多个叶片。而且，前涡轮机16和后涡轮机18可以设有或者相同数目或者不同数目的叶片26。而且，想象得到的实施例是，其中存在多于两个涡轮机，例如多对涡轮机或者可能奇数个涡轮机。因此，根据需要，涡轮机的数目和在每一个涡轮机上的叶片的数目这两者都是可变的。

叶片26相对较长，从而涡轮机16、18整体上相当大。涡轮机16、18和叶片26的尺寸可能受到可以利用系统10的提升结构22的提升能力，例如如下所述的一个或者多个充气体的提升能力的限制。

图3示出了涡轮机16、18的叶片26的示例性横截面轮廓，所述叶片26设置成能够使涡轮机16、18沿着相反方向旋转。为此目的，前涡轮机16的叶片26相对于风向28的攻角与后涡轮机18的叶片26的攻角相反。因此作用力30、32沿着相反方向作用在涡轮机16、18上，从而使得涡轮机16、18沿着相反的旋转方向旋转，即一个顺时针旋转并且另一个逆时针旋转。

根据每一个涡轮机16、18产生几乎相同数量的动力的要求(以为了下述目的能够使在轴12上存在零扭矩)，前涡轮机16和后涡轮机18及其叶片26的翼展和其它空气动力学特性可以是不同的。例如，如在图1中所示，后涡轮机18的叶片26的翼展大于前涡轮机16的叶片26的翼展，并且在其它大气条件相等的情况下，将接收比前涡轮机多的风能。然而，因为影响后涡轮机18的风已经暴露于前涡轮机16的影响，所以后涡轮机18的叶片26的较大的翼展是有必要的，以抵消前涡轮机16的影响并且能够使后涡轮机18具有与前涡轮机16相同的潜在的动力输出。其它空气动力学特性例如翼部轮廓也可以在前涡轮机16的叶片26和后涡轮机18的叶片26之间改变以实现相同的结果。

中心轴12提供了几种功能。除了经由它们的轴承组件24支撑涡轮机16、18之外，中心轴12为整个系统10提供结构强度和轴向刚度或者纵向刚度。这样，中心轴12的长度优选地等于系统10的长度。而且，中心轴12可以具有相对大的直径，以为其提供足够的强度来支撑大的涡轮机16、18。

中心轴12和风力涡轮机16、18优选地由复合材料例如碳纤维制成，以便为其提供足够的强度来承受运行载荷，并具有便于系统保持悬浮的能力的重量。其它材料也可以用于中心轴12和风力涡轮机16、18。

一个或者多个发电机20耦接到每一个风力涡轮机16、18。如在图1中所示，存在耦接到每一个风力涡轮机16、18上的两个发电机20。然而，任何数目的发电机20都可以耦接到每一个风力涡轮机16、18，并且涡轮机16、18可以具有相同数目或者不同数目的相关联的发电机20。

系统10还包括：前发电机支撑壁34，与前涡轮机16相关联的发电机20连接到所述前发电机支撑壁34；和后发电机支撑壁36，与后涡轮机18相关联的发电机20连接到所述后发电机支撑壁36。各隔室可以部分地由发电机支撑壁34、36中的每一个形成以将发电机20封闭。发电机20优选地被固定到各自的支撑壁34、36，并且支撑壁34、36优选地被固定到中心轴12，从而发电机20和轴12相对于彼此处于固定的关系。这提供了中心轴12、发电机20和支撑壁34、36的整体结构，结果这些部件一致地移动。

发电机20被以机械方式耦接到涡轮机16、18，从而涡轮机16、18的旋转通过机械耦接而被传递到发电机20。将发电机20耦接到涡轮机16、18的传动结构可以具有多种形式。如在图2中详细示出地，该机械结构的一种形式包括：齿轮38，所述齿轮38被固定到每一个涡轮机16、18；和齿轮40，所述齿轮40被固定到每一个发电机20的轴42或者是每一个发电机20的轴42的一部分。每一个发电机20的轴42延伸通过支撑壁34、36之一。

每一个涡轮机齿轮38具有圆形或者盘形形式，并且沿其横向侧例如通过焊接附接到各自的涡轮机16、18的一侧，从而涡轮机齿轮38面对各自的支撑壁34、36。可替代地，涡轮机齿轮38可以与涡轮机16、18一体地形成。

每一个涡轮机齿轮38包括沿其周向的齿，所述齿与一个或者多个发电机20的各自的发电机齿轮40的齿啮合接合，其中在图2所示实施例中为两个发电机20。因此每一个涡轮机16、18的旋转作用力被互相啮合的齿轮38、40转换成两个发电机20的轴42的旋转。

在传动结构的可替代实施例中，互相啮合的齿轮38、40被轮和链传动机构、轮和带传动机构或者类似的传动机构取代，所述轮和链传动机构包括一个或多个轮和一个或多个链，所述轮和带传动机构包括一个或多个轮和一个或多个链，所述类似的传动机构能够将涡轮机16、18的旋转运动转换成发电机的轴的旋转运动或者另一部件的运动，所述另一部件由其运动产生电力。

根据下述的具体提升结构，刚性翅片44直接地或者间接地耦接到中心轴12和/或后发电机支撑壁36(见图1)。翅片44可以围绕系统10等角度地间隔开，例如，四个翅片44放置在两个交叉垂直的平面中。考虑到当悬浮时便于系统10的角度稳定性，可以使用任何数目的翅片44，并且根据需要或者根据必要确定其周向位置。

一个或者多个翅片44，并且优选地每一个翅片44在其后部处包括可控翼片46。多个翼片46可以被布置在每一个翅片44上。如在图1、图4和图5中所示，每一个翼片46可以附接到各翅片44的后边缘。翼片46的角度位置是可调节的，并且由角度控制单元48控制以便于系统10的角度稳定性(见图2)。角度控制单元48可选地利用电子人工地平仪作为基准，以便实现系统10相对于地平仪的角度稳定性。可以另外地或者可替代地使用其它稳定机构例如一个或者多个陀螺仪等作为基准，以能够实现系统10的角度稳定性。控制可调节翼片以帮助角度稳定性的许多技术是航空领域技术人员已知的。

角度控制单元48还通过经由诸如电缆或者导线的电导管50将控制信号引导到每一个发电机20来控制由每一个发电机20产生的电力(见图2)。根据角度控制单元48与发电机20的相对位置，轴12可以设有孔52，并且可能是内轴向导管，在角度控制单元48和发电机20之间的导管50经过所述孔52。

由每一个发电机20产生的电力是可变的并且取决于轴42的旋转。轴42的旋转在功能上与各自的涡轮机16、18的旋转相关。因此，通过能够使角度控制单元48将控制信号引导到发电机20以控制其发电，发电机20的轴42的旋转受到控制，因此涡轮机16、18的旋转受到控制。

虽然可以由角度控制单元48形成控制信号以提供发电机20的多种控制方案，但是在优选的控制方案中，角度控制单元48控制发电机20，其目的在于在中心轴12上实现零扭矩并因此产生并且维持系统10的角度稳定性、或者角度稳态的状态，其中涡轮机16、18的旋转不导致系统10的旋转。涡轮机16、18的旋转和它们与发电机20的相互作用固有地引起在中心轴12上诱发的旋转扭矩。相应地，如果仅存在单个涡轮机及其相关联的发电机，则由单个涡轮机和相关联的发电机的旋转诱发的旋转扭矩将导致整个系统10持续地沿着涡轮机旋转的方向旋转，并且很可能阻碍系统10的持续运行。然而，通过提供沿着相反方向旋转的至少一对涡轮机16、18，由一个涡轮机16的旋转诱发的旋转扭矩在方向上与由另一个涡轮机18的旋转诱发的旋转扭矩相反，所述一个涡轮机16在中心轴12上与同所述一个涡轮机16相关联的发电机20相互作用，所述另一个涡轮机18在中心轴12上与同所述另一个涡轮机18相关联的发电机20相互作用。

因此本发明的主要目的是控制由每一个涡轮机16、18的旋转诱发的在中心轴12上的旋转扭矩，所述每一个涡轮机16、18与同所述每一个涡轮机16、18相关联的发电机20相互作用，其目的在于形成这样一种状况，即该诱发的旋转扭矩的大小是大致相同的，但是方向相反，从而在轴12上诱发的净旋转扭矩将是零。

控制与同涡轮机16、18相关联的发电机20相互作用的涡轮机16、18的旋转在中心轴12上诱发的旋转扭矩的能力基于以下事实，即，由每一个发电机20产生的电力依赖于各自的轴42的旋转，所述各自的轴42的旋转经由被耦接到发电机轴42的涡轮机齿轮38和发电机齿轮40而依赖于涡轮机16、18的旋转。这样，可以控制发电机20，例如其负载，以基于与发电机20相互作用的涡轮机16、18的旋转来引起由发电机20在中心轴12上诱发的具体的扭矩。换句话说，通过控制发电机20的发电，可以控制通过涡轮机16、18由发电机20在中心轴12上诱发的旋转扭矩。

相应地，在优选实施例中，发电机20受到角度控制单元48控制，使得涡轮机16的旋转在中心轴12上的作用(如通过与涡轮机16相关联的发电机20所传输的那样)与涡轮机18的旋转在中心轴12上的作用(如通过与涡轮机18相关联的发电机20所传输的那样)相等并且相反，从而中心轴12不会被涡轮机16、18的旋转可旋转地影响，即涡轮机16、18的旋转及其与发电机20的相互作用不引起中心轴12的旋转。因为中心轴12不旋转，所以系统10在旋转和角度方面是稳定的，并且可以几乎持续地运行。

角度控制单元48还控制在翅片44的后部处的翼片46的角度位置，以帮助维持系统10处于角度稳态状态位置。

角度控制单元48还控制并且通过导管50将来自发电机20的输入并入到可以包括多个导线的公共电力输出导管54。该功能可以可替代地由系统10上的另一组件执行。

系统10还包括锚固系统56，用于将涡轮部14锚固到锚固体或者平台58，所述锚固体或者平台58可以布置在陆地上或者水体中的地平面GL处(见图4和图5和图7)。锚固系统56包括一个或者多个导线或者电缆，以将发电机20产生的电力输送到电网使用，或者输送到能量存储器或者处理组件，例如蓄电池、用户的机器等。

前述结构对于所图示的实施例而言是共同的。所图示的实施例主要在提升结构22的结构和锚固系统56的结构方面不同。

图1所示的提升结构22包括：前可充气本体60，所述前可充气本体60布置在涡轮部14前面；和后可充气本体62，所述后可充气本体62布置在涡轮部14的后面。根据系统10的形式可以改变可充气本体的数目。前本体60和后本体62包括一个或者多个内部空腔，所述内部空腔在使用期间利用比空气轻的气体例如氦气填充，并且具有足够的尺寸和容积来提供必要的提升作用力，以能够使系统10成为悬浮系统，即，能够使系统10从地面升起并且保持悬浮。更加具体地，前本体60被设计成为系统提供主要的提升作用力，而后本体62提供稳定性以及内在的另外的提升作用力。前本体60和后本体62可以由柔性氨基甲酸酯或者在其中密封气体即防止本体60、62内部的气体泄漏出去的其它材料制成。此外，当与其在下面描述的其它部件的重量分布相结合进行考虑时，本体60、62以为系统10提供沿着线64的力的中心的方式构造。力线64的中心因此在前本体60中的位置处在涡轮部14的前面。根据在这里的公开，能够使力线64的中心放置在该区域中的系统10的构造可以由本发明所属领域技术人员容易地确定。

前发电机支撑壁34附接到前本体60，并且后发电机支撑壁36附接到后本体62。可替代地，发电机支撑壁34、36可以分别与前本体60和后本体62一体地形成。在任一情形中，壁34和36均被刚性地连接到轴12，翅片44安装到后本体62。

锚固系统56包括：第一系链或者缆线66，所述第一系链或者缆线66将角度控制单元48连接到电力处理部件、电网连接装置或者用户的机械，以便将来自公共输出54的电力传导到所述电力处理部件、电网连接装置或者用户的机械；和第二系链68，所述第二系链68将系统10连接到平台58。设置绞盘来缠绕或者展开系链68并由此调节系统10的高度。图1中的该绞盘70在平台58上布置在系链68的端部处。可替代地，在前本体60上或者被安装到前本体60上的绞盘70可以布置在系链68的另一端处。

系链66、68被连接到前本体60，并且可以沿着从系统10到平台58上的公共锚固或者支撑点的路径的一个部分交迭。然后系链66被引向电力存储器使用或者处理部件(未示出)。

存在多种方式以利用系统10产生电力。在一个实施例中，前本体60和后本体62填充有氦气以能够使系统10上升到空中。控制绞盘70以通过在系链68中引起松弛而允许系统10升高，并且一旦系统10到达在大气中的希望的运行高度，绞盘70就停止。系统10因此位于希望的高度处，同时经由系链68而被系到在地面上或者在海洋处的平台58上。

基于包括在不同的可能运行高度处的气流的天气条件和包括可能存在航空器的其它参数的分析，可以确定运行高度。例如，已经发现特别有益的运行高度是大约500米，因为该高度在商业航空飞行高度下方，然而足够高以将系统10暴露到相对高的空气速率。系统10可以被设计成达到多达几千米的高度。

一旦系统10处在其希望的运行高度处，风便将导致系统10顺风飘移并且系统10将自己定位从而系统10的纵向轴线与风向大致平行。该自定位发生是因为系统10的前部即前本体60被系链68锚固到平台58并且因为在后本体62的后部处放置翅片44。一旦系统10在其纵向轴线与风向大致平行的情况下自定位，则与系统12的纵向轴线一致的每一个涡轮机16、18的轴线也将与风向大致平行，并因此每一个涡轮机16、18的旋转平面将与风向大致垂直。

鉴于涡轮机16、18的叶片26的相反的攻角，风引起涡轮机16、18沿着相反方向旋转，从而涡轮机齿轮38旋转并且经由啮合接合引起发电机齿轮40的旋转。发电机齿轮40的旋转引起轴42的旋转，所述轴42依次与发电机20中的结构互相作用以产生电力，该结构对于本领域技术人员而言是已知的。由每一个发电机20产生的电力经过各导管50到达角度控制单元48，所述角度控制单元48将电压合并并使其通过输出导管54以经由系链66传导到地面水平面电力存储器、使用或者处理部件。

为了维持系统10的角度稳定性，角度控制单元48控制每一个发电机20产生的电力并因此控制每一个涡轮机16、18的旋转引起发电机20在中心轴12上诱发的旋转扭矩。发电机20的适当控制能够使由发电机20在中心轴12上诱发的旋转扭矩的和为零。在没有任何旋转扭矩影响中心轴12的情况下，系统10能够在不进行转动的情况下运行并且可以有效率地产生电力。

为了提供系统10的益处的近似示意，在操运行期间所期望的是，当风功率密度是大约3000瓦特每平方米时，涡轮机16、18的有效面积是大约5000平方米，并且系统的效率是大约33％，系统10的输出功率将是大约5兆瓦特。

图4示出了通常标注成72的根据本发明的另一系统，其中提升结构22由布置在涡轮部14后面的单个可充气本体74构成，并且锚固系统56包括被连接到中心轴12的前区域的系链76。可充气本体74设有能够接纳比空气轻的气体的内部，并且被以与图1所示的实施例中的可充气本体60、62类似的方式构造。后发电机支撑壁36附接到可充气本体74或者可替代地与可充气本体74一体地形成，并且翅片44被安装到可充气本体74。

当利用比空气轻的气体填充本体74时，系统72将被定向成使得本体74在涡轮部14上方。系链76包括用于将由发电机20产生的电力传送到电力存储器、使用或者处理部件的电导管以及锚固缆。

系统72与系统10相比运行的不同在于，在无风时，系统72将采取大致竖直的定向，即，系链76将从平台58竖直向上延伸。当风沿着方向28吹送时，系统72将被顺风推动，由此在风向28和涡轮机16、18的旋转轴之间产生角度A。角度A的大小取决于风速，并且在所图示的实施例中，角度A是大约45°。涡轮机16、18的运行的有效面积是角度A的函数，即，涡轮机旋转平面的面积乘以cosine(角度A)，当角度A是大约45°时，涡轮机16、18的运行的有效面积是涡轮机16、18的旋转平面的面积的大约70％。

另外，系统72运行的方式，包括维持系统72的角度稳定性的方式，大致与系统10的方式相同。未示出的绞盘也可以得以设置并且被连接到系链76以控制系统74的高度。

图5示出通常标注成80的根据本发明的另一系统，其中提升结构22包括独立的提升产生体82，所述独立的提升产生体82是分离的并且与由涡轮部14、发电机20、翅片44和相关联结构组成的组件84间隔开。在该实施例中，翅片44直接地连接到中心轴12并且可能还连接到容纳与后涡轮机18相关联的发电机20的隔室。

可以设置多个提升产生体82，并且每一个提升产生体82均利用适当的连接结构78连接到组件84。

能够使提升产生体82与涡轮发电机组件84分离的连接结构78包括系链86、88的组件，所述系链86、88的组件将提升产生体82的下侧连接到中心轴12的后部。

提升产生体82可以是可充气的，即，设有能够接纳比空气轻的气体的内部，并且被以与在图1中所示实施例中的可充气本体60、62类似的方式构造。

此外，提升产生体82可以具有空气动力学形状，该空气动力学形状被设计成能够使提升产生体82自动地呈现一个位置，在该位置中，提升产生体82具有相对于风向28的攻角，以沿着箭头90的方向在系统80上诱发大的提升作用力。这种空气动力学形状的选择以及可以构造比空气轻的本体的方式是本领域技术人员众所周知的。在这种情况下，连接到提升产生体82的下侧的系链86、88沿着箭头90的方向将提升产生体82的提升作用力传送到组件84的提升中。

可替代地，提升产生体82可以是风筝或者螺旋桨的形式，而不具有接纳比空气轻的气体的任何空腔。在这些实施例中，完全通过提升产生体82的空气动力学特性来产生提升作用力。

可替代地，提升产生体82可以是无人驾驶直升机的形式，所述无人驾驶直升机由在起飞和降落阶段期间从地平面上的电源和/或在系统80运行期间从发电机20获取的电力驱动。这种无人驾驶直升机和类似的航空器的构造细节是本领域技术人员已知的。

将提升产生体82从涡轮发电机组件84分离的优点在于，提升产生体82不受涡轮机16、18的运行或者在涡轮机16、18之上的风流干扰，只要系链86、88足够长以允许提升产生体82在涡轮机16、18的尾迹外侧。

未示出的绞盘还可以得以设置并且被连接到系链76以控制系统80的高度。

图6示出了涡轮部90的另一实施例，该实施例可以用在本发明中、即用在以上公开的任何实施例中来替代涡轮部14。涡轮部90包括两个涡轮机92、94，该两个涡轮机92、94经由传动结构均被耦接到单个的公共发电机96。涡轮机92、94以与上述涡轮机16、18相同的方式沿着相反方向旋转，并且它们的属性通常类似于上述涡轮机16、18的属性。发电机96被固定到中心轴12。

该传动结构包括：大直径齿轮98，所述大直径齿轮98附接到每一个涡轮机92、94的面对另一涡轮机92、94的横向侧，或者与每一个涡轮机92、94的面对另一涡轮机92、94的横向侧成一体地形成；和发电机传动齿轮100，所述发电机传动齿轮100具有与两个涡轮机齿轮98的侧部的齿相啮合的齿。因为两个涡轮机齿轮98与发电机传动齿轮100互相作用并驱动发电机传动齿轮100，并且涡轮机92、94沿着相反方向旋转，所以涡轮机92的涡轮机齿轮98引起发电机传动齿轮100沿着一个方向旋转，然而涡轮机94的涡轮98引起发电机传动齿轮100沿着相反方向旋转。结果，通过涡轮机92、94的旋转，发电机98在中心轴12上没有诱发扭矩。即，将由与发电机98相互作用的涡轮机92的旋转在中心轴12上诱发的任何扭矩被将由与发电机98相互作用的涡轮机94的旋转在中心轴12上诱发的任何扭矩抵消。这可以通过涡轮机92、94的叶片26的空气动力学特性，例如在下面描述的它们的攻角和涡轮机92、94的其它构造参数的适当选择来保证。

图6还示出了机构102，用于改变涡轮机92、94的叶片26的攻角。在已知风力涡轮机系统中的改变涡轮机的叶片的攻角的任何机构的结构和操作都可以用作机构102。机构102耦接到角度稳定性控制单元48，并且由角度稳定性控制单元48控制，以便帮助维持系统的角度稳定性，并且因此即使系统仅包括单个发电机96，系统也可以是角度稳定的。

上述任何系统可以被构造成在陆地上或者海面上、在水体上运行。而且，该系统能够容易地从一个位置输送到另一个位置，用来例如在它们可以存在的任何地方都使系统到快速风中的暴露最大化。该系统被安装到水体上的平台的海面上的运行很可能与安装在塔上的现有的海面上的基于风力的发电系统相比廉价并且易于实现，因为根据本发明的系统仅仅需要在海底上或者在浮动平台上的锚固点，而不需要任何其它构造。

用于使用上述任何基于风力的系统产生电力的方法将需要使系统升高到运行高度并然后管理其运行，包括通过通向每一个系统的电缆管理所提供的电力的产生。运行高度将根据风力情况来调节。

图7示出了多个涡轮部，每一个涡轮部包括一对涡轮机200、一对发电机和轴，所述一对涡轮机200、一对发电机和轴利用细长部件202例如缆线等耦接到一起。设置缆线等203以将系统系到地面。一前一后地安装的涡轮部202(其可以与前述的那些涡轮部相同)被连接到类似于图5所示系统82的悬浮提升系统82。因此省略了提升本体82的说明。涡轮部可以使产生的电力由此利用电导体系统耦接到地面，所述电导体系统连接到构件202，或者是构件202的一部分，或者可以沿着构件202行进。风的方向由在图7中的水平箭头W示出。

图8示出了类似于图5的系统，但是其中涡轮部(或者如在图7中所示的部分)由有人驾驶或者无人驾驶的直升机250维持悬浮。涡轮部被系链连接装置540系到直升机。如传统的那样，直升机包括主叶片541和后叶片542，并且可以经由例如概略地示出的电导体560由从涡轮部产生的电力产生动力，所述电导体560耦接到涡轮部以驱动直升机的马达561。可替代地，直升机可以由来自地面的能量产生动力，或者可以由自含式蓄电系统或者任何其它燃料驱动马达产生动力。

应该理解，本发明不限于上述实施例，而是包括在权利要求的范围内的任何和所有的实施例。虽然结合具体设备和具体实现方式在上面描述了本发明，但是应该清楚，在本发明的范围内，可以作出各种修改和变更，并且一个实施例的各种特征可以被包括在其它实施例中。

Claims

1.一种用于从风能产生电力的悬浮系统，包括：

涡轮部，所述涡轮部包括：

轴；

至少第一涡轮机和第二涡轮机，所述至少第一涡轮机和第二涡轮机可旋转地安装到所述轴，并且布置成当经受相同的风力时绕所述轴相互独立地并且沿着相反方向旋转；以及

至少第一发电机和第二发电机，所述至少第一发电机和第二发电机分别耦接到所述至少第一涡轮机和第二涡轮机，并且布置成将所述第一涡轮机和第二涡轮机的旋转转换成电力，所述发电机被安装成相对于所述轴是固定的，所述发电机产生的电力的大小与响应于所述涡轮机相对于所述轴的旋转由所述发电机在所述轴上诱发的扭矩有关；

提升系统，所述提升系统耦接到所述涡轮部，用于产生提升作用力以使所述涡轮部在希望的高度处悬浮；

锚固部，所述锚固部布置成将所述涡轮部相对于地面锚固；以及

所述涡轮机具有空气动力学特性，该空气动力学特性与所述发电机的发电作用相结合而提供如下状况，即，作用于所述轴上的扭矩的和大致为零，从而当悬浮时所述涡轮部在角度方面是稳定的；

其中由所述发电机产生的电力被传导到能量利用装置以供使用，或者被传导到电力存储器。

2.根据权利要求1所述的系统，进一步包括角度稳定性控制器，所述角度稳定性控制器耦接到所述发电机中的至少一个发电机，用于控制所述至少一个发电机的发电，并由此控制所述至少一个发电机中的每一个发电机在所述轴上诱发的扭矩的大小，所述角度稳定性控制器适于控制所述至少一个发电机，以便实现通过所述发电机由所述第一涡轮机和第二涡轮机在所述轴上诱发的合成扭矩大致为零，并由此能够实现所述系统的持续的角度稳定性。

3.根据权利要求2所述的系统，包括耦接到所述至少第一发电机和第二发电机中的每一个发电机的角度稳定性控制器。

4.根据权利要求2所述的系统，进一步包括相对于所述轴固定的至少一个翅片和附接到所述至少一个翅片中的每一个翅片的可控翼片，所述可控翼片具有相对于附接所述可控翼片的所述翅片可变的角度位置，并且所述角度稳定性控制器布置成控制所述至少一个翅片中的每一个的所述翼片的所述可变的角度位置，以帮助维持所述系统的角度稳定性。

5.根据权利要求3所述的系统，其中所述角度稳定性控制器布置成利用电子人工地平仪作为基准，以便相对于所述地平仪实现所述系统的持续的角度稳定性。

6.根据权利要求3所述的系统，其中所述角度稳定性控制器被布置成将从所述发电机输出的电力并入到公共电力输出导管。

7.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一涡轮机和第二涡轮机包括具有可控的可变攻角叶片，所述角度稳定性控制器布置成控制所述第一涡轮机和第二涡轮机的所述叶片的攻角，以帮助维持所述系统的角度稳定性。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少第一涡轮机和第二涡轮机每一个均包括至少一个叶片。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一涡轮机和第二涡轮机中的每一个均包括至少两个叶片。

10.根据权利要求1所述的系统，进一步包括支撑结构，用于将所述至少第一发电机和第二发电机支撑在相对于所述轴的固定位置。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述发电机中的每一个均包括可旋转轴，所述可旋转轴的旋转引起电力的产生，并且进一步包括介于所述涡轮机和所述发电机之间的传动系统，用于将所述涡轮机的旋转传递成所述发电机的所述轴的旋转并由此利用所述发电机产生电力。

12.根据权利要求1所述的系统，进一步包括电导体系统，用于将电力从所述发电机传导到电力存储器、使用或者处理部件。

13.根据权利要求1所述的系统，其中所述锚固部包括：系链，所述系链连接到所述提升结构或者连接到所述轴；和绞盘，所述绞盘用于相对于地面调节所述系链的长度。

14.根据权利要求1所述的系统，其中所述提升系统包括布置在所述涡轮部的一侧上的第一可充气本体和布置在所述涡轮部的相反侧上的第二可充气本体，所述第一可充气本体和第二可充气本体能够接纳比空气轻的气体。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述比空气轻的气体是氦气。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述提升系统包括单个可充气本体，所述单个可充气本体耦接到所述涡轮部并且能够接纳比空气轻的气体，并且所述锚固部包括连接到所述涡轮部的系链。

17.根据权利要求1所述的系统，其中所述提升系统包括与所述涡轮部间隔开的至少一个独立的提升产生体，并且所述至少一个提升产生体连接到所述涡轮部以将由所述至少一个提升产生体产生的提升作用力传送到所述涡轮部。

18.根据权利要求17所述的系统，进一步包括：

连接装置，所述连接装置将所述至少一个提升产生体连接到所述轴；

角度稳定性控制器，所述角度稳定性控制器耦接到所述发电机，用于控制所述发电机的发电并由此控制所述发电机中的每一个发电机在所述轴上诱发的扭矩的大小，所述角度稳定性控制器适于控制所述发电机，以便实现通过所述发电机由所述第一涡轮机和第二涡轮机在所述轴上诱发的合成扭矩大致为零，并由此能够实现所述系统的持续的角度稳定性；以及

耦接到所述轴的至少一个翅片和附接到所述至少一个翅片中的每一个翅片的可控翼片，所述可控翼片具有相对于附接所述可控翼片的所述翅片可变的角度位置，并且所述角度稳定性控制器布置成控制所述至少一个翅片中的每一个翅片的所述翼片，以帮助维持所述系统的角度稳定性。

19.根据权利要求17所述的系统，其中所述至少一个提升产生体能够接纳比空气轻的气体。

20.根据权利要求17所述的系统，其中所述至少一个提升产生体是不可充气的并且具有空气动力学特性，所述空气动力学特性能够使所述至少一个提升产生体呈以下位置，即，当被暴露到风中时所述提升产生体产生足够的提升作用力并且将该提升作用力传送到所述涡轮部，以能够使所述涡轮部保持悬浮。

21.根据权利要求17所述的系统，其中所述至少一个提升产生体包括由电力驱动的无人驾驶直升机，所述电力从电源或者从由所述涡轮部产生的电力获取。

22.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一涡轮机和第二涡轮机每一个均包括可旋转叶片，并且其中逆风于另一涡轮机的涡轮机的叶片具有比顺风于逆风涡轮机的涡轮机的叶片小的直径。

23.一种用于从风能产生电力的悬浮系统，包括：

涡轮部，所述涡轮部包括：

轴；

24.一种用于从风能产生电力的悬浮系统，包括：

涡轮部，所述涡轮部包括：

轴；

发电机，所述发电机耦接到所述至少第一涡轮机和第二涡轮机，并且布置成将所述第一涡轮机和第二涡轮机的旋转转换成电力，所述发电机被安装成相对于所述轴是固定的，所述发电机产生的电力的大小与响应于所述涡轮机相对于所述轴的旋转由所述发电机在所述轴上诱发的扭矩有关；

25.根据权利要求24所述的系统，进一步包括传动结构，用于将所述第一涡轮机和第二涡轮机这两者耦接到所述发电机。

26.根据权利要求24所述的系统，进一步包括：相对于所述轴固定的至少一个翅片和附接到所述至少一个翅片中的每一个翅片的可控翼片，所述可控翼片具有相对于附接所述可控翼片的所述翅片可变的角度位置；以及角度稳定性控制器，布置成控制所述第一涡轮机和第二涡轮机的叶片的攻角并控制所述至少一个翅片中的每一个的所述翼片的所述可变的角度位置，以帮助维持所述系统的角度稳定性，并且其中所述第一涡轮机和第二涡轮机具有预定的空气动力学特性，所述预定的空气动力学特性帮助维持所述系统的角度稳定性。