CN102414442A

CN102414442A - 紧凑型风力和水力涡轮机系统

Info

Publication number: CN102414442A
Application number: CN2010800193466A
Authority: CN
Inventors: 梅赫布·拉卡尼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2010-02-27
Publication date: 2012-04-11
Also published as: WO2010101796A3; EP2430305A4; EP2430305A2; WO2010101796A2

Abstract

一种流体驱动的发电系统，具有位于外壳的内部空腔内的多个发电构件，其通过收集器结构而被驱动以旋转，收集器结构从流体中收集能量。

Description

紧凑型风力和水力涡轮机系统

相关申请的交叉引用

要求来自2009年3月2日提交的美国临时专利申请第60/208,796号的权益，其据此以引用的方式并入。

背景

从基于转子的设备产生电力的通常方法是使用涡轮机和交流发电机。典型的涡轮机系统包括收集风流或水流能量做旋转运动以产生电力的转子叶片。

因为其跨越尺寸，其不实用于移动的交通工具。很多涡轮机转子叶片需要巨大的空间来旋转，例如在美国专利4447738(1984)、6541877(2003)、6400039(2002)、4340822(1982)、2054383(1936)、5798632(1998)、4299198(1981)、554138(1896)、5213470(1993)、847140(1907)、6465901(2002)和6285090(2001)中所公开的。

从而，这些涡轮机需要大的空间用于静止的安装，且其不实用于与在运动中的任何移动的物体一起使用。通常，产生大量电流的那些涡轮机需要巨大的结构空间。其花费大量的金钱且操作和安装更加复杂。

通常，由于涡轮机的巨大结构，风或者闪电使其失效并将整个涡轮机击倒在地上。这可能是非常严重的安全问题。

很多涡轮机设计内部中心线圈和外部线圈(定子)。在很多方案中，内部中心线圈旋转，而外部线圈保持静止。

为了旋转内部中心线圈，需要具有包括或不包括转子叶片的转子的轴。转子叶片自身占有结构的巨大空间，且轴占有巨大的长度以旋转中心线圈。

本世纪大比例产生电力的通常方法是通过风力涡轮机。

用于较小的应用像空气/水表面和空基交通工具的动力发生器使用交流发电机。交流发电机具有由带驱动以产生电力的转子，以提供动力交通工具并给电池充电。转子必须由发动机或其他设备驱动。从而，交流发电机不实用于获取风流能量或水流能量。参见例如美国专利6897575(2005)、7566980(2009)、5998903(1999)、6740995(2004)、6455946(2002)、7629719(2009)、20060208581(2007)。

概述

本紧凑型风力水力涡轮机(CWWTS^TM)设计为省略转子、带和转子叶片的使用。其设计为代替或淘汰先前的基于轴安装转子叶片的涡轮机。

还考虑将CWWTS^TM的构件合并或组装成任意的形状或空间。由于其空间节省的理念，不需要转子叶片、冗长的轴和巨大的站立结构。

很多构件隐藏在设有收集器比如轮叶的外壳内部。外壳由于流体流动能量的收集而旋转并导致通过外壳内隐藏的发生器产生电力。在一种实施方式中，发生器和外壳由包括内部线圈的中心轴支撑。

作为对转子叶片和轴的替换，现在是旋转的外壳。

线圈的旋转可被设定成静止的或旋转的。当外部线圈静止时，内部线圈旋转，当内部线圈静止时，外部线圈旋转。如果需要，内部线圈和外部线圈还都可以设定为同时旋转。使产生电力的发生器隐藏在外壳的内部结构内节省空间。收集器的功能是例如从风流或水流中收集流体流动能量。

外壳具有这些特征：

(a)由于水流或风流而旋转，

(b)旋转隐藏在外壳内的产生电力的发生器，

(c)通过省略轴和转子叶片节省空间，

(d)隐藏很多产生电的构件，因此其不暴露给环境。

根据需求，紧凑型风力和水力涡轮机设计为产生动力。因为其灵活的设计性能，其可被设计为大的、中等的、小的、紧凑的、迷你的和微型的涡轮机。其可在结构的任何位置合并成任何形状。装置可以任意的尺寸加工。根据需求，可产生从最小量到最大量的动力。CWWTS^TM可有益地与在表面、大气和太空中运作的任何移动的物体结合，其中移动的物体可利用气流能量或水流能量。当水流能量和气流能量不断地旋转外壳时，产生电子的流动，产生电流，电流例如可以为动力存储装置或电装置和其他构件提供充电电流。这使得由电装置、电池或动力存储装置和混合机动化的移动物体运作的交通工具能够运行较长的时间，而不必停止以为电池重新充电。除了提供稳定的和不受干扰的电力供应之外，隐藏的发生器和紧凑的设计是本装置的重要特征。

对于电动和电池操作的移动物体，显著的缺点是受限制的运行距离和用于电池重新充电需求所消耗的时间。通过CWWTS^TM，当物体移动时，紧凑型风力和水力涡轮机从风流能量或水流能量产生电流。这解决了用于对电池保持稳定的和某一水平的动力以为电机动化的交通工具提供电力的问题。

紧凑型风力和水力涡轮机系统除了可安装在如上所述的移动物体(通过水或空气)上之外，还可安装在可通过产生电流而从流体流动能量中提取能量的任何地方，例如在流动水的表面下方或在流动水的表面上；在任何水管或气管内，比如在输水管线、下水管线、河流、水渠、排气管和排气烟囱中；在任何有风的地点，比如有风车的农场(此处可代替基于笨重的转子叶片的、昂贵的、复杂的和常规的风力涡轮机)。

由于其紧凑的设计，CWWTS^TM可在任何位置合并在很多结构内。其可用于住宅的应用并减小电力网上的负载。安装多个单元可增加电力产生的能力和余量。

聚集多个紧凑型风力和水力涡轮机系统单元可增加或减小电力产生的能力和余量。另外，在失效、修理、替换、维护或升级的情形下，是容易且简单的。可替换单个单元而不关闭整个系统。拥有多个单元具有不断运行系统的优点，具有最小的停机时间到没有停机时间。

环境优势

涡轮机始终被认为是再生且清洁的能源，然而，其却没有成功地用在基于陆地的、基于空中的和基于空间的交通工具的表面上。紧凑型风力和水力涡轮机设计为用于很多应用。基于空中的、基于表面的和基于空间的移动物体受益最多。另外，此技术将有助于减少碳的覆盖区并有助于减少环境中的有害气体。

根据一种实施方式，紧凑型风力和水力涡轮机包括外壳、收集器、隐藏的产生电力的发生器，发生器包括线圈、磁铁、电极、刷、轴承和电构件和用于外壳的支撑轴。

在实施方式中，发电装置包括：

外壳，其具有内部空腔并被设置为关于轴线旋转；

位于外壳上的收集器，其被设置为从移动的流体流中获取能量以关于轴线旋转外壳；

在内部空腔内的电发生器，其被构造且设置有在内部空腔内的转动转子元件，转子元件随着外壳的旋转而围绕轴线旋转。

外壳设置为通过收集器的力旋转，且包括内部空腔，即由外壳封闭的空间。电发生器封闭在此空间或内部空腔内，包括转子和定子。一方面，实质上电发生器的所有移动部分都封闭在空腔内，空腔外的唯一构件是那些需要用于电传送并支撑发生器和外壳的构件。

在一种实施方式中，定子安装在固定轴上，外壳关于该轴旋转。转子围绕定子附接到外壳。通过将转子在空腔内安装在外壳内壁上，转子被附接到外壳。在另一种实施方式中，外壳和转子与设置在外壳空腔内的定子一起，安装在转轴上。在任一上述实施方式中，转子是第一转子，定子可用作第二转子或者由也旋转的第二转子替换。

收集器可附接到外壳，或者整体地与外壳合并。收集器可以是任何合适的形式，比如桨状物、叶片、轮叶和类似物。外壳还可以通过以用作流体中的翼(例如机翼、水翼)来提供力以旋转外壳的形状，形成或模制外壳表面的方法被成形以合并收集器。从而，外壳和收集器可合并获取流体流动能量的任何合适的形状，包括螺旋状设计、叶片、桨状物和类似物。

收集器和外壳可被设计为最佳地用在其旨在用于的环境中。例如，在静止的安装中，外壳/收集器的组合可被设计为从任何方向(包括上和下)用在流体流动中，以响应于流体流动而在顺时针或逆时针方向上旋转。对于移动的物体或者流体流动主要从一个方向到达的地方，外壳-桨状物的组合可被设计并定向为最佳地与来自该方向的流体流动一起作用，在顺时针或逆时针方向上旋转。

电发生器可以是能合并在外壳空腔内的任何合适的设计，其中通过穿过磁场的动力产生构件产生磁场。发生器的磁场构件可以通过例如安装在转子或定子上的电磁铁(线圈)或永久磁铁提供。动力产生构件或线圈可以在定子或转子或两者上。

电发生器可以选择地构造为单独的构件或模块。这允许商用发生器、交流发电机、直流发电机和类似物的潜在使用，例如在运输、风力安装和类似物中使用。外壳可被设计为适合外壳空腔内的很多这样的现有设计。在此设计中，电发生器将具有设置在外壳内的其自己的壳体。当与交通工具一起使用时，电发生器可用作具有充电回路以为电池充电的交流发电机。这对于电力交通工具尤其有用。

或者，外壳的构造可合并电发生器的构件，比如转子构件直接安装在空腔内外壳的壁上。在此实施方式中，外壳可因而用作发生器的壳体。或者，发生器可具有单独的壳体或者与外壳分开。

附图简述

图1是一种实施方式的横截面示意图。

图2是另一种实施方式的横截面示意图。

图3是再一种实施方式的横截面示意图。

图4是再一种实施方式的横截面示意图。

图5是再一种实施方式的横截面示意图。

图6是显示具有收集器的外壳的示图。

详细描述

示例

现在参照图1、2、3、4和5。所示实施方式具有旋转的外壳10，外壳10具有被隐藏或被容纳在外壳10的空腔11内的很多构件。收集器12附接到外壳以获取流体流动能量并关于轴线25旋转外壳10。外壳的旋转驱动电发生器。“被容纳”是指发生器占据空腔并实质上被外壳包围。“被隐藏”是指发生器通过不暴露或者少暴露给环境而密封或保护在空腔内。

在图1中，发生器包括封闭定子15和转子16的壳体13。在此示例中，转子16与外壳安装在共同的转轴14上，因此当外壳旋转时，转子也被旋转。转子围绕在一个或多个定子附近或者由一个或多个定子包围的轴线25旋转或自转。定子15在发生器壳体13内是静止的，通过合适的装置(比如空心轴或同心轴-未示出)以也允许外壳旋转的方式安装。

在图2中，外壳10和具有附接的转子构件16(比如线圈或磁铁)的发生器壳体13都附接到轴，因此当外壳旋转时，具有封闭转子的发生器壳体也旋转。定子15安装在固定的或固定轴18上的轴线25上，因此定子是静止的。转子以周转运动围绕定子旋转。(示图中，转轴14是中空的，以允许固定轴18穿过。)

在图3中，外壳和发生器壳体合并成安装在转轴14上的单个外壳10。由于转子响应于外壳的旋转的运动，此实施方式具有与图2中实施方式相同的功能，其是由于围绕安装在固定轴18上的静止定子周转而引起的。

图4所示实施方式可看成类似于图2，除了定子不是静止的而也旋转的，成为第二转子17。外壳、具有第一转子16的发生器壳体附接到包围第二转轴14b的第一转轴14a，在第二转轴14b上安装第二转子。第一转子16随着外壳10旋转，以围绕第二转子17周转。第二转子必须以与第一转子不同的速度和/或不同的方向转动，且不直接与外壳一起转动。

第二转子可以通过任何合适的装置旋转，比如通过与外壳分开的收集器系统12(涡轮机或者类似物)，或者通过将外壳的旋转传递到第二转子的传递系统20。收集器系统12可以是用于从流体流动中获取能量的任何适合的系统，比如涡轮机、桨状物等。传递系统20可以是任何适合的设计，且可包括一个或多个齿轮、滑轮、带、电驱动器、液压驱动器和类似物。在替代实施方式中，图1的实施方式可修改为转动定子15(其变成第二转子)，而不以静止的方式安装发生器壳体。相反，合适的系统，比如上面公开的那些可以与外壳不同的速度转动发生器壳体。

在图1、2、3和4中，发生器还包括用于产生并传送电的构件(未示出)。其可包括例如线圈、磁铁、电极、刷、轴承、电构件和用于轴、外壳、发生器壳体的支撑结构。

任何上述实施方式可被修改为具有空气动力学或流线型的形状，以减小流体流动中的拖曳损失。这在移动的物体或交通工具的应用中可以是特别有用的。图5是图1系统的修改，其具有外壳10、具有转子16的转轴14和具有定子15的静止的发生器壳体13。外壳10是圆形的空气动力学形状，具有构造为配合在外壳内的发生器壳体13。图2、3和4的实施方式可以被类似地修改。

图6显示具有收集器12的空气动力学外壳10的外部，收集器12是以从外壳延伸并从外壳的一端延伸到另一端的桨状物的形式。还显示安装在转轴14上的收集器12a，外壳安装在转轴14上。

还如图5和6所示，显示外壳上的出口或孔27，以对空腔内的电发生器提供冷却。尤其对于空气中的操作，这可能是需要的。在水中，外壳可密封于水，且冷却出口将可能不是必须的。

结论、分支和范围

很多电交通工具和混合交通工具不能往返于长的距离和时间，因为(a)受限的电池性能导致电池上能量的用尽，(b)需要长时间为电池充电。

另外，具有主要基于转子的设计的现有涡轮机系统不实用于安装在交通工具上，因为：(a)其不能很好地合并在交通工具的结构内，(b)其可能需要多个涡轮机以提供足够的电压。对于用于产生电力的流体(风和水)设计，其需要大的空间和结构。本紧凑型风力和水力涡轮机系统的设计是通用的、灵活的且紧凑的，因此其能克服这些问题。

另外，本系统可允许简单的维护、升级和安装。其可被设计为合并在任意形状的结构或任意形状的交通工具内。每个单元都是紧凑的、模块化的和独立的。

应用中可安装多个单元。由于安装有多个独立的单元，如果一个单元失效，另一个单元仍然产生动力。

本装置是紧凑的且制造成本较低。其重量轻，并能在水上或水下、大气和太空中工作。其可用于任何基于表面的物体或移动的物体。

尽管以上描述包含很多特性，但是这些不应该解释成限制实施方式的范围的，而应解释成只提供一些目前优选实施方式的阐示。例如，外壳可具有任何其他的形状。从而，实施方式的范围应该由附加的和其法定等价物确定，而不是所给示例。

虽然本发明已经参照某些特定实施方式和示例进行了描述，但是本领域技术人员将明了很多改变是可能的，而不偏离本发明的范围和精神，且如权利要求所述的本发明旨在覆盖不偏离本发明精神的所有本发明的变化和修改。

Claims

1.一种用于从流体流动能量中产生电力的装置，包括：

旋转的外壳，所述外壳具有内部空腔；

在所述外壳上的收集器，所述收集器通过获取流体流动能量而旋转所述外壳，

电发生器，其容纳在所述外壳的所述内部空腔内，并设有在所述内部空腔内的转动转子，所述转动转子随所述外壳的旋转而旋转。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电发生器隐藏在所述空腔内。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述收集器包括桨状物、叶片和轮叶中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述转动转子安装在转轴上，且所述外壳附接到同一转轴。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳关于一轴线旋转，且静止定子不设置在所述轴线上，且所述转子安装在所述轴线上以紧邻所述静止定子以旋转运动旋转。

6.根据权利要求5所述的装置，其中所述转子和所述定子容纳在静止的发生器壳体内，且所述定子附接到所述壳体。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述转子附接到转轴，且所述定子附接到固定轴，且所述转轴和所述固定轴构造为使得一个轴是中空的，而另一个轴穿过其内部。

8.根据权利要求5所述的装置，其中有围绕所述转子的多个定子。

9.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳关于一轴线旋转，且在所述轴线上安装了内部的静止定子，而所述转动转子不安装在所述轴线上以围绕所述轴线和所述静止定子以周转运动旋转。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述静止定子和所述转子容纳在与所述外壳一起旋转的发生器外壳内，且所述转子附接到壳体。

11.根据权利要求9所述的装置，其中有附接到所述壳体且包围所述定子的多个转子。

12.根据权利要求9所述的装置，其中通过使所述转子在所述空腔内安装在所述外壳的内壁上，所述转子与所述外壳相结合。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述外壳关于一轴线旋转，且所述转子是第一转子，且第二旋转体相对于所述第一转子以不同的速度或方向在所述轴线上旋转。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述第一旋转体安装在所述轴线上，而所述第二转子不安装在所述轴线上以便以周转运动围绕所述第一转子旋转。

15.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二旋转体安装在所述轴线上，而所述第一转子不安装在所述轴线上以便以周转运动围绕所述第二转子旋转。

16.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二转子通过与所述外壳分开的收集器而旋转。

17.根据权利要求13所述的装置，其中所述第二转子通过由所述旋转的外壳驱动的传递系统而旋转。

18.一种用于从流体流动能量中产生电力的装置，包括：

旋转的外壳，

电发生器，其容纳在所述外壳的内部内，具有设置在轴上的转动转子，所述转动转子在周围的静止定子内与所述外壳一起旋转。

19.一种用于从流体流动能量中产生电力的装置，包括：

旋转的外壳，

电发生器，其容纳在所述外壳的内部内，具有设置在轴上的静止定子，具有安装的转子，所述转子随着所述外壳的旋转而以周转运动围绕所述定子旋转。