CN102216606A - 风能系统 - Google Patents

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CN102216606A CN2009801452605A CN200980145260A CN102216606A CN 102216606 A CN102216606 A CN 102216606A CN 2009801452605 A CN2009801452605 A CN 2009801452605A CN 200980145260 A CN200980145260 A CN 200980145260A CN 102216606 A CN102216606 A CN 102216606A
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Abstract

一种风能系统(10)包括在相对端有开口(14a)和(14b)的风洞模块(12)。尽管风洞模块(12)的横截面积从开口(14a)和(14b)向管道模块的中间部分(16)减小，但开口的横截面积基本相同。中间部分(16)的横截面积基本不变。一个或多个具有相同或不同数量叶片的风力涡轮安装在风洞中或临近中间部分(16)。中间部分(16)是可弯曲的以使模块(12)贴合于任何斜度的屋顶(20)。

Description

风能系统
技术领域
本发明涉及一种风能系统，特别但不限于用于建筑物。
背景技术
目前，可以将风力涡轮安装到建筑物的屋顶上来驱动发电机发电，用来满足建筑物的至少一部分电力需要。申请人之前设计了一种用于建筑物的能量转换系统，包括沿有斜度屋顶的屋脊布置的一个或多个风力涡轮。该系统也包括支撑在有斜度屋顶上的盖子，其中盖子的斜度小于斜屋顶的斜度。盖子和屋顶结构共同构建了一个风洞(wind tunnel)，该风洞导引风流过风力涡轮。
申请人以上提及的系统的进一步细节被描述于专利申请号为200716868-5的新加坡专利申请中。
本发明是风能系统领域进一步研究和发展的结果。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种风能系统包括：
风洞模块，具有在相对端上的第一和第二开口以及位于第一和第二开口之间的中间部分，每个开口的横截面积基本相同，风洞模块的横截面积从每个开口向中间部分减小，其中中间部分的横截面积基本不变；
支撑在中间部分内的或临近中间部分的一个或多个风力涡轮；和
被至少一个所述风力涡轮所驱动的至少一个发电机。
每个开口可被构造为接收从其每一侧以最高达60度的角度吹来的风。
中间部分可以是柔性的或其他可弯曲的管。
风洞模块还可包括第一和第二管道部分，中间部分的每一端上各有一个所述管道部分，第一通道部分具有限定第一开口的嘴部，第二管道部分具有限定第二开口的嘴部。
风洞模块还包括位于靠近中间部分的一端的第一涡轮壳，和位于靠近中间部分的相对一端的第二涡轮壳。
风能系统可包括两个风力涡轮。
可以为每个风力涡轮配置发电机。
在可替代的实施例中，可以配置单个的由两个风力涡轮驱动的发电机。这个实施例在大和强风环境尤其有用，但不限于在这样的环境下使用。至少一个所述发电机可以被安装在涡轮的轮毂上。在包括两个风力涡轮的风能系统的实施例中，可以将两个风力涡轮设计为有相同或不同的气流特征。特别是，在一些实施例中，涡轮可以有不同数量的叶片。
在一个实施例中，一个或多个风力涡轮配置有多个放射状延伸的叶片，和环绕叶片的放射状外边缘的外围圆周表面。一个或多个风力涡轮还包括在涡轮的旋转轴与外圆周表面中间、在放射状位置处与涡轮叶片相交的中间圆周表面。
风能系统还可包括在风洞模块上的盖子。盖子可包括可调节地被连接在一起的第一和第二部分，以便能沿着与中间部分的延伸方向垂直的直线调节第一和第二部分之间的夹角。
本发明的另一方面提供一种用于建筑物的风能转换系统，包括：多个根据本发明第一方面的风能系统，其中并排地布置风能系统，在所述多个风能系统上盖有防水盖子，盖子有相对的纵向边缘，该相对边缘延伸到至少盖住每个风能系统的中间部分。盖子可包括可调节地被连接在一起的第一和第二部分，以便能沿着与中间部分的延伸方向垂直的直线调节第一和第二部分之间的夹角。
本发明的另一方面提供一种风洞模块，包括位于相对端的第一和第二开口，以及位于第一和第二开口之间的中间部分，每个开口的横截面积基本相同，风洞模块的横截面积从每个开口向风洞模块的中间部分减小，其中中间部分的横截面积基本不变。
本发明的又一个实施例提供一种风能系统，包括：在相对端有开口的风洞，使风能够从两个方向的任一方向穿过风洞；两个风力涡轮，上述每一端上或每一端附近各具有一个所述风力涡轮；和由风力涡轮驱动的发电机。在这个实施例中，两个风力涡轮可被构造为提供最高为0.83的总的Betz极限。
附图说明
现参考附图，通过举例的方式对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是应用在建筑物屋顶的风能系统的一个实施例的示意性透视图；
图2是图1所描述系统的AA截面视图；
图3是可结合到风能系统的风力涡轮的一个实施例的前视图；
图4是可结合到风能系统的另一个风力涡轮的示意图；
图5是可结合到风能系统的又一种风力涡轮的示意图；和
图6是可结合到风能系统的风洞的宽阔端的风的覆盖范围的平面示意图。
具体实施方式
参考附图特别是图1和2，根据本发明的风能系统10的一个实施例包括在相对端有开口14a和14b(下文通称为“开口14”)的风洞模块12。尽管风洞模块12的横截面积从开口14向风洞模块12的中间部分16减小，但开口14的横截面积基本相同。中间部分16的横截面积基本上不变。系统10可包括一个或多个风力涡轮18a、18b或18c(下文通称为“涡轮18”)，分别如图3-5中所示。涡轮18安装在系统10内，在中间部分16内或临近中间部分16。还具有至少一个发电机(未示出)，其被至少一个风力涡轮18所驱动。
在描述的实施例中，系统10是并排安装在有斜度屋顶20上的多个相邻的等同系统10中的一个，其中中间部分16跨越屋顶20的屋脊22。
涡轮壳24a和24b(下文通称为“壳24”)安装在中间部分16各自的相对端。壳24的内径与中间部分16的内径相似。壳24也起到连接中间部分16和风洞12各个管道部分26a和26b的作用。
参考图6，每个开口14被构造为使风洞模块12能接收从每一侧开口以角度α(最高达60度)(相当于与开口14和管道26的纵向轴Y之间的角度α)吹入的风。图6还示意了管道部分26的侧壁25的一种可能的形状和构造，其使风洞模块12的横截面积从开口14向风洞模块12的中间部分16减小。
当系统10包括两个风力涡轮18时，每个风力涡轮安装在各自的壳24内。进入其中一个开口14的风W流经邻近的管道部分26、中间部分16、另一个管道部分26，然后从相对的开口14流出。因为风洞模块12(特别是管道部分26)的横截面积从开口14向风洞模块12的中间部分16减小，风速随之增大。众所周知，风力涡轮的输出功率与风速的三次方成比例。因此增大风速能够改善输出功率。
也是众所周知的，风的动能不能以100％的效率所利用。特别是Betz定律提出，利用风力涡轮将动能转换为机械能的最大转换率为约59％。风力涡轮从风中获得的动能越多，穿过风力涡轮的风被减缓的越多。对于风力涡轮的效率是100％的情况，风速需要在它离开涡轮时降低到零。然而，如果该速度降低为零，就没有空气离开涡轮，那么将没有能量可以获取，因为没有风可以进入涡轮。
一些系统10的实施例尝试提供一种合成系统，其中合成系统的总能量效率将大于单个涡轮的Betz极限。系统10的一个实施例尤其适合于大或强风的环境，其中，比方说，风主要从开口14a进入风洞模块12，将图3所示的十叶片涡轮18a安装在壳24a中，将图4所示的六叶片涡轮18b安装在壳24b中。在这个构造中，风能一开始被十叶片涡轮18a所利用，然后被六叶片涡轮18b所利用。每一个涡轮18都连接一个发电机，或可替代地经由齿轮箱(未示出)连接一个发电机，用于把风能转换成电能。
当风W首先从开口14a进入风洞模块12，获得的能量为100％的原始风能时。
第一个涡轮获得的风能的百分比是：
第一个涡轮获得的风能的百分比＝ηturb
其中ηturb是涡轮的效率。
忽略风管道中由于摩擦的功率损失，穿过第一个涡轮到达第二个涡轮的风能是：
到达第二个涡轮的风能的百分比＝1-ηturb
第二个涡轮的效率也是ηturb。双涡轮模块的复合效率是：
ηdual turb＝ηturb+ηturb(1-ηturb)
＝ηturb[1+(1-ηturb)]
＝ηturb[2-ηturb]
双涡轮系统的理想效率在Betz极限下(即理想的涡轮效率是59％)。
理想的ηdual turb＝2ηBetz-η2 Betz
如以上所示意的，在针对有强风的安装地点的单个模块中采用两个涡轮能够把Betz极限从0.59总体提高到0.83。
在中等风力的环境下，并且风W主要从开口14a进入管道模块12，可将图3所示的十叶片涡轮18a安装在壳24a中，而将图5所示的三叶片涡轮18c安装在壳24b中。在这个实施例中，可以把发电机或交流发电机仅连接到壳24a中的涡轮18a上，涡轮18c不连接发电机。三叶片涡轮18c作为风压补偿涡轮，可以稳定管道模块12中的回压，使涡轮18a平滑气流。另外，涡轮18a可充当抽吸泵来抽取更多的空气穿过开口14a。通过考虑强风和弱风的情况，可以更好地理解涡轮18c的作用。在强风下，涡轮18c的旋转速度来源于穿过上游涡轮18a的空气。当风强减弱时，根据动量守恒原理，其速度缓慢下降，这样，涡轮从覆盖涡轮18a的一端抽吸更多的空气进入管道。
在系统10的另一变型中，对于低风力的环境，假设风W的主要方向使得风的大部分从开口14a进入管道模块12，系统10可仅在壳24a内安装单个的涡轮，该涡轮既可以是如图3所示的10叶片涡轮18a，也可以是如图4所示6叶片涡轮18b。但没有涡轮安装在壳24b上，因此去除了穿过管道模块12时的气流阻力。
为了更容易地在屋顶20上安装一个或多个系统10，中间部分16可以由柔性材料制成或者制成为可弯曲的结构。这能够使系统10更贴合于斜度较高的屋顶20，其中系统10在柔性部分16的长度的大概中间位置围绕屋脊22弯曲。管道部分26典型地由诸如塑料或金属等刚性材料制成。
盖子30设置在模块10上。盖子30实际上也起到了额外的提供屋顶防水层的屋顶覆盖作用。盖子30有相对的纵向边缘32，在所描述实施例中，纵向边缘32刚刚延伸出通道部分26的每个开口14的上端。然而，在可替代的实施例中，可将盖子30设计构造为使其边缘32在最小程度上的延伸至少覆盖中间部分16。
盖子30包括被可调节地连接在一起的两个部分或板34，例如使用铰链36，以能够调节两个部分34之间的角度。
由通过铰链36连接的两个部分或板34构成的盖子30，以及柔性的中间部分16的使用共同提供了在极端暴风天气下的安全性。在这样的极端天气下，能够去除中间部分16与管道模块12的相应通道部分26a和26b之间的连接，从而通过将相应的部分或板抬起而允许强风垂直穿出去。
当在屋顶20上配置多个系统10并且如图1中描述并排地安装时，盖板30可以以类似的方式被延伸来覆盖多个模块10。
参考图3至图5，涡轮18被描述为包括中心轮毂40，多个放射状延伸的叶片42，外圆周壁或环44，和中间的圆周壁或环46。外环44连接于并环绕或覆盖每个叶片46的放射状外缘。中间环46在中心轮毂40(并且为涡轮的旋转轴)和外环44之间与两者隔开。中间壁46与每个叶片42相连。
容易看到的是，涡轮18a，18b和18c本质的区别在于叶片42的数量。不同的叶片数量使每个涡轮18具有不同的气流特征，并因此具有不同的风-机械能转换效率。然而，不同的气流特征和效率也可以通过改变每个叶片42的扭曲或冲击角度来实现。
尽管已对本发明的实施例做了详细描述，但对于本领域普通技术人员来说显然的是，在不背离基本的发明概念的情况下，可以进行许多修改或变型。例如，尽管被描述的实施例包括一个或两个涡轮18，但可以在不同的情况中设计配置多于两个的涡轮。例如，第三个涡轮可以配置在经过中间部分16的大体中间的位置。进一步地，尽管系统10被描述安装在一个有斜度的屋顶上，但它们也可以安装在一个平屋顶上。事实上，也可以将系统设计为安装在垂直的墙上，来利用上升气流(在此情况下风洞模块12一般垂直排列)；或“风洞效应”即建筑物可以引导风吹过建筑物的垂直墙壁，在这种情况下，风洞模块12一般水平排列。
所有这些修改和变型，以及对于本领域普通技术人员显而易见的其他改变都被认为是在通过以上描述和附后的权利要求所确定的本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种风能系统包括：
风洞模块，具有在相对端上的第一和第二开口以及位于第一和第二开口之间的中间部分，每个开口的横截面积基本相同，风洞模块的横截面积从每个开口向中间部分减小，其中中间部分的横截面积基本不变；
支撑在中间部分内的或临近中间部分的一个或多个风力涡轮；和
被至少一个风力涡轮所驱动的至少一个发电机。
2.根据权利要求1的风能系统，其中中间部分为柔性的或其他可弯曲的管。
3.根据权利要求1或2的风能系统，还包括第一和第二管道部分，中间部分的每一端上具有一个所述管道部分，第一管道部分具有限定第一开口的嘴部，第二管道部分具有限定第二开口的嘴部。
4.根据权利要求1-3中任一项的风能系统，还包括位于靠近中间部分的一端的第一涡轮壳，和位于靠近中间部分的相对一端的第二涡轮壳。
5.根据权利要求1-4中任一项的风能系统，包括两个风力涡轮。
6.根据权利要求5的风能系统，其中风力涡轮有相同的气流特征。
7.根据权利要求5的风能系统，其中风力涡轮有不同的气流特征。
8.根据权利要求7的风能系统，其中风力涡轮具有不同数量的放射状延伸的叶片。
9.根据权利要求1-8中任一项的风能系统，其中一个或多个风力涡轮配置有多个放射状延伸的叶片，和环绕叶片的放射状外边缘的外圆周表面。
10.根据权利要求9的风能系统，其中一个或多个风力涡轮包括在涡轮的旋转轴与外圆周表面中间、在放射状位置处与涡轮叶片相交的中间圆周表面。
11.根据权利要求1-10中任一项的风能系统，还包括在风洞模块上的盖子。
12.根据权利要求12的风能系统，其中盖子包括可调节地被连接在一起的第一和第二部分，以便能沿着与中间部分的延伸方向垂直的直线调节第一和第二部分之间的夹角。
13.一种用于建筑物的风能转换系统，包括：多个权利要求1-10中任一项的风能系统，其中并排布置风能系统，在多个风能系统上盖有防水盖子，盖子有相对的纵向边缘，该相对边缘延伸到至少盖住每个风能系统的中间部分。
14.根据权利要求13的风能转换系统，其中盖子包括可调节地被连接在一起的第一和第二部分，以便能沿着与中间部分的延伸方向垂直的直线调节第一和第二部分之间的夹角。
15.一种风洞模块包括：位于相对端的第一和第二开口，以及位于第一和第二开口之间的中间部分，每个开口的横截面积基本相同，风洞模块的横截面积从每个开口向风洞的中间部分减小，其中中间部分的横截面积基本不变。
16.根据权利要求15的风洞模块，其中中间部分为柔性的或其他可弯曲的管。
17.根据权利要求15或16的风洞模块，包括第一和第二管道部分，中间部分的每一端上具有一个所述管道部分，第一管道部分具有限定第一开口的嘴部，第二管道部分具有限定第二开口的嘴部。
18.根据权利要求15-17中任一项的风洞模块，包括位于靠近中间部分的一端的第一涡轮壳，和位于靠近中间部分的相对一端的第二涡轮壳。
19.根据权利要求1-12中任一项的风能系统，其中开口被构造为接收从开口每一侧以最高达60度的角度吹来的风。
20.根据权利要求13或14的风能转换系统，其中开口被构造为接收从开口每一侧以最高达60度的角度吹来的风。
21.根据权利要求15-18中任一项的风洞模块，其中开口被构造为接收从开口每一侧以最高达60度的角度吹来的风。
22.一种风能系统包括：在相对端有开口的风洞，使风能够从任一方向穿过风洞；两个风力涡轮，上述每一端上或每一端附近具有一个风力涡轮；和由风力涡轮驱动的发电机。
23.根据权利要求22的风能系统，其中风力涡轮被构造为提供最高为0.83的总的Betz极限。
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