CN102667143A - 用于产生电力的方法和太阳能提供动力的风力发电设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用太阳能提供动力的电池人工地产生入射到发电模块(涡轮机)上的空气流的发电领域。该发电模块转动、压缩该空气流，并且将该空气流引导到无叶片转子的工作表面上。转子设计成使得在其工作表面上产生反作用效果，这改进了涡轮机的特性。在提出的用于产生电力的方法中，利用空气流的动能和势能，还利用设备的惯量以及太阳能提供动力的电池。该方法的效率达到50％，同时节省了传统的燃料，并且降低了到大气中的CO2的排放。

Description

用于产生电力的方法和太阳能提供动力的风力发电设备
技术领域
本发明涉及产生电力的领域，并且能够用于动力工程、其它工业，以及用于家用目的。要求保护的方法和设备不燃烧化石燃料(煤、石油、天然气、核燃料、氢)并且不产生任何废气或有害排放。
背景技术
存在众所周知的不同方式来通过利用常规燃料的内燃式发动机、气体涡轮发动机产生电力。在操作期间，这样的发动机燃烧燃料并且对生态环境产生负面影响。已知的是，还可以通过转化太阳能来产生电力。然而，太阳能电池的效率(例如US E19/318)总计为19.5％。随时间流逝，它们的效率由于太阳能电池的表面污染而永久地降低。同时，太阳能电池通常占据较大的面积并且是昂贵的产品。尽管具有这些缺陷，但是太阳能电池广泛用于在晴天产生电力。
当前，基于与发电机动力学地连接的大直径(高达60m)的叶片风力涡轮机已经发展出了风力发电设备。
在风速为8-12m/s但是不大于15m/s时，获得用于现代风力发电设备的标称模式。
在发明专利RU22177562中描述了与所要求保护的发明在许多方面类似的风力发电设备。如该发明中所述，风力涡轮机使用小叶片以及在这种叶片之前安装的锥形整流罩。锥形整流罩将空气流引导至叶片，该叶片允许额外地增大风速。同时，需要较低的风速和较高的旋转来操作风力涡轮机。具有小叶片和锥形整流罩的风力涡轮机动力学地连接到发电机，以产生用于消费者的电力。通常，风力涡轮机安装在地面以上10m和更高的高度处。较高的风力涡轮机高度增大了捕集所需风流的可能性。
给出的用于产生电力的风力发电设备和方法的缺陷是直接风速依赖性。通常，电力的产生由于缺乏所需的风流速度而暂停。尽管有风力涡轮机设计，但是这样的缺陷是所有现代风力发电设备所固有的。需要将风力涡轮机安装在固定到大重量混凝土板的高支撑件上被看作是风力发电设备考虑的另一个缺陷。这需要确保其在强风条件(大于20m/s)下的稳定性。自然，这样的设计增加了施工的成本并且导致巨大的材料消耗。
所述风力发电设备的另一个缺陷是缺乏风引导叶片和环形整流罩。这样的缺陷降低了风力涡轮机的效率，原因是空气流撞击涡轮机叶片的角度并不是最佳的。然后，空气流从叶片反射，并且通过离心力沿不同的方向径向地离开。由于所述现象，所以空气流在风力涡轮机处不会产生足够的机械能，因此其效率系数降低至30％。
本发明的目的是提供用于产生电力的方法和设备，其可以永久地操作并且与自然风流速度无关。这样的设备具有高效率和低噪声水平，并且利用太阳能、动能和势能进行操作。
发明内容
为了实现所述技术效果，提供用于产生电力的方法，该方法包括以下步骤：提供具有所需速度的人造空气流；提供太阳能电池和多个太阳光束收集器；将由太阳能电池和多个太阳光束收集器产生的电流传送至电动马达以使传动装置旋转；将传动装置连接到可动支撑件基部，以接纳涡旋空气涡轮机和能够以预定速度旋转的框架。
还应当注意到，本文所述的方法提供的空气流具有为至少12m/s的永久速度。
空气流可以借助引导孔沿着涡轮机的转子的旋转方向转动。
此外，涡轮机可以借助于太阳能沿周向方向以至少为两米的旋转半径和预定的速度旋转，太阳光束收集器以范围为从20°到45°的角度安装。
该方法还设置成部分电力供应到电动马达以使框架旋转。
借助锥形和环形整流罩，前进的空气流可以初始被压缩、加速，然后被转动且以不大于90°的角度引导至转子的工作表面。
在旋转时，涡轮机可以利用人造空气流的动能和势能以及太阳能电池的电力。
另外，可以在转子的所有工作表面上同时产生反作用效果。
本发明的另一个变型覆盖了产生电力的无叶片设备，其包括：发电机；转子，所述转子连接到该发电机；空气压缩和保持单元，所述空气压缩和保持单元设置有多个引导孔，所述多个引导孔使空气流沿所述转子的旋转方向转动；用于传送能量的装置；以及多个太阳能电池。
转子可以为盘形，并且多个孔可以位于其周边上且相对于转子盘形表面成角度。同时，孔可以具有凹的工作表面以产生反作用效果。
此外，所述多个孔形成为圆筒、锥形结构或喷嘴。
该设备还可以包括分隔件，该分隔件设置于转子之前并且具有多个引导孔。这样的孔可以成角度地引导在所述转子上的初始沿所述转子的旋转方向转动的前进的空气流。
该设备还可以包括环形整流罩，以保持转动的空气流并且在没有任何损失的情况下将该转动的空气流引导至转子的工作表面。
另外，该设备可以包括锥形整流罩，以增大空气流的速度并且在设置于分隔件之前的转子孔上产生必要的空气压力。
该设备还可以包括可旋转的框架，所述框架能够产生人造的前进的空气流，其中预定的旋转半径可以为至少2m，并且所述框架能够产生必要的空气流速度。
该设备可以包括具有传动装置的电动马达，所述传动装置使所述框架旋转并且产生具有所需速度的前进的空气流。同时，其中多个太阳能电池可以装备有多个镜子。
此外，转子和分隔件设计可以防止前进的空气流在速度小于60m/s时失速。
附图说明
图1示出了无叶片涡轮机的示意图。
图2示出了具有无叶片涡轮机、太阳能电池和太阳光束收集器(镜子)的设备的示意图。
图3示出了利用自然空气流的无叶片风力发电设备。
具体实施方式
借助产生具有所需速度的人造空气流并结合太阳能电池(例如太阳能电池板)和太阳光束收集器(镜子)来实现给出的用于产生电力的方法中所述的技术特征。人造空气流使涡旋空气涡轮机的转子以恒定速度旋转，这确保了连续产生电力。
该设备装备有锥形和环形整流罩、具有引导孔的分隔件和具有倾斜孔的转子。锥形和环形整流罩可以用作用于压缩和保持空气流的单元。转子动力学地连接到发电机。该设备安装在可旋转的框架上。框架在白天通过太阳能电池或多个太阳能电池驱动，在晚上通过其自身产生的电力来提供框架驱动。
在用于产生电能的方法和设备的优选实施例中，使用处于大于12m/s的切向(角)速度下的至少两米的旋转半径。
在具体实施例中，具有不小于2m的旋转半径的两个或更多个风力发电模块(涡轮机)安装在可旋转的框架上。在晚上，所产生的电力的一半供应给消费者，另一半用于框架旋转。这样的风力发电设备通过外部电源、太阳能电池、机械装置或移动发电设备来启动。
考虑到因为空气流速度增大，第三动力设备中的转子容量也增大，所以产生的电力足以满足消费者需求以及使框架旋转。因为框架旋转阻力的增大在实践中是线性的，所以旋转框架的电力消耗不是很大。
在另一个实施例中，具有发电模块的一个框架沿竖向安装在另一个上方。从而，具有足够数量的竖向发电模块来增大发电设备的容量。模块(涡轮机)的数量并不限于特定的需求(1、2、3、4、5、6等)。然而，优选的是使用单个模块而不是两个或者甚至更多个模块(4、6、8等)。竖向的风力发电设备占据的面积比相同容量的一个水平定向的发电设备所占据的面积小几倍。
针对产生前进的空气流所提出的方法还可以用于叶片直径高达60米的常规风力发电设备。然而，对于具有大叶片的风力发电设备而言固有的已知缺陷在所提出的方法中同样存在。(见表1)。因此，由于显著的容量损失和大的整体尺寸，所以常规的风力发电设备用于前进的空气流在经济上并不是可行的。
表No.1
Figure BDA0000156373690000051
表No.1示出了分别对于大叶片涡轮机和小叶片涡轮机而言总计为52％和25％的总损失。从而，小叶片涡轮机用于前进的空气流是更加优选的。对于所提出的方法，涡轮机转子中的小孔与风力涡轮机的小叶片类似。
对于所提出的方法，风力发电设备的框架应当由对前进的空气流具有最小阻力的管构成。框架速度取决于所需的前进的空气流。前进的空气速度通常等于在确定的旋转半径上的点处的角(切向)速度。例如，必要的前进的空气流大于10m/s。然后，假设旋转半径等于5米。于是，框架为30rpm时，末端点处的前进的空气流将为15m/s。在这样的空气流速度下，即使是常规的风力发电设备也产生全容量。
在具体实施例中，具有与小叶片类似的孔的无叶片涡旋涡轮机将比常规风力发电机更加有效地操作，原因在于其旋转速度高两倍并且损失相当小。转子孔可以是圆柱形形状并且相对于转子-盘平面倾斜；它们还可以设置成圆锥形，或者可以为喷嘴的形式，该喷嘴方便转子旋转加速和前进的空气流的产生。
考虑到太阳能提供动力的风力发电设备在稳定模式(即产生的电能的量足以维持其自身的性能并且满足消费者的需要的模式)下操作，容量从转子延续到发电机，而不需要多级传动装置(增速传动装置)。反之，在某些情况下，在高转子速度下，可能需要减速传动装置。对于所考虑的方法，在使用中不需要任何风力跟踪和旋转系统以及叶片驱动机构。新的方法和设备不需要在常规风力发电设备中可获取的多个机械部件。这增加了可靠性，减小了维护周期并且增加了提出的设备的使用寿命。
该方法适合于竖向轴向设备，但是从技术的角度看，由于叶片的整体尺寸，所以标准的水平轴向设备是优选的。与所提出的方法中水平轴线设备相比，Darrieus竖向轴线风力涡轮机(模块位于底部处)没有技术优势，原因是包括发电机、环形和锥形整流罩、具有孔的转子以及具有引导孔的分隔件的发电模块(图1所示的涡轮机)安装在地面上方不太高的位置处。
在增大无叶片涡旋涡轮机的转子速率的同时，能够增加在前进的空气流高达60m/s的高速下的发电输出。但是对于大叶片风力涡轮机，在实践中这是不可能的，原因在于空气流在大于15m/s的风速下将会从叶片失速。因此，与常规的叶片直径高达60米的风力涡轮机相比，无叶片涡轮机的在前进空气流情况下形成容量的操作周期将长3-4倍。
与常规的风力发电设备的比例取决于自然风流的20％-25％的效率相比，所提出的用于产生电能的方法和设备可以整年以95％-98％的年效率连续地操作。使用额外的太阳能电池允许产生甚至更多的电力来满足消费者的需求。同时，所提出的风力发电设备所产生的噪声水平比常规风力发电设备低，原因是它们不产生次声波。从而，所提出的太阳能提供动力的风力发电设备可以安装在消耗所产生电力的工厂附近，这降低了与电力输送线相关的成本。
还可以注意到，无叶片涡轮机的制造影响了转子的旋转方法。由于产生的向上提升而导致缺乏常规叶片(涡轮机叶片)操作将改变转子的旋转方法。对于所提出的发明，由于在孔的表面上产生反作用效果(也用于火箭和飞行器工业)和空气压力而使得转子旋转。这样，同时在涡轮转子孔的所有工作表面上产生扭转转矩，这提高了涡轮机的效率。涡轮机转子的工作表面是转子孔的表面。
操作试验已经证明，在这种涡轮机中摩擦损失达到20％，但是总的损失比常规风力发电设备低两倍。
所提出的无叶片涡轮机的整体尺寸比常规风力发电设备的整体尺寸小3-4倍，因此，在相同的容量下其重量明显较小。具有引导孔的涡旋涡轮机的测试已经表明，在相同的容量下，在向上提升起到与飞行器机翼的向上提升相同的作用的情况下，其空气流量比具有叶片的常规涡轮机小数倍。在某种程度上，用于将风能转化为电力的现代设备已经到达其成本节省的极限。然而，由于在范围从15m/s至60m/s的速度下的前进的空气能，所提出的方法和设备可以显著地增大转化过程的成本节省。在这样的速度范围内，常规风力发电设备通常不会操作或者它们的操作没有效率。
自然，通过增大前进的空气流的速度并且减小空气涡轮机的整体尺寸，在实践中可以实现这样巨大的可能性。因为涡轮机容量在第三动力设备中相对于风速上升，所以额外的能量的量将会是相当多的。在这样的大于15m/s的速度下，常规风力发电设备的叶片面临超临界模式(类似于航空学中的“机翼失速”模式)。因此，它们的容量同样急剧下降。
通过所提出的方法和太阳能提供动力的风力发电设备产生电力不依赖于自然风并且可以调节，这对于消费者而言是非常重要的。
对于要求保护的方法，不需要蓄能器，这显著地简化了设备的设计，降低了其整体尺寸并且提高了生态效果。
对于实施本发明的优选变型，该设备安装在屏蔽结构下，太阳能电池安装在该屏蔽结构上。因此不受大气降水的影响，这延长了其使用寿命。设备上方的防护罩或屏蔽结构由廉价且耐久的材料制成。防护罩的下部由筛网保护，该筛网防止鸟或动物进入工作区域。
产生撞击在涡轮机上的空气流的上述过程在这里示意性地示出为仅仅用于理解本发明的基本特征。当空气分子沿着引导孔内的曲线转动时，它们的运动变得不那么没有规律。由于离心力和自感应升温，分子运动沿着转子转动方向加速。同时，分子朝向用于膨胀的自由空间运动，在这种情况下，它们运动至引导孔和涡轮机转子孔的出口。
并且当在常规气体涡轮机中气体分子以大约30°的角度撞击涡轮机叶片时，在本发明中，能够以90°的角度将空气分子引导至涡轮机的工作表面。
空气流在转子之前的转动使得空气分子运动加速，这在常规风力发电设备中是不可能实现的。已知的是，在转动空气流的同时，空气流量增大，因此分子的动能同样增大。这使得涡轮机的容量增大。
这样的效果不存在于用于将空气能转化为电能的任何已知的设备中。同时，空气不会改变其物理和化学特性并且保持生态清洁。从而，所提出的方法和设备具有更加有效的噪声特性。由涡轮机转子和引导孔产生的噪声被环形整流罩和防护罩(如果安装了的话)部分地捕集，并且由于缺少大叶片，所以一般的噪声特性是可以忽略的，该大叶片实际上产生噪声场或低频振动(次声波)。
还应当注意到，除了效率因数增大以及设计简化(缺少叶片)之外，本发明的额外积极效果还有例如显著地降低设备的整体尺寸和重量。通过使用多个竖向模块或者增大前进的空气流的速度，能够产生达到非常高容量的宽范围的容量。使用具有太阳光束收集器的太阳能电池增加了它们的效率。它们确保了在白天对具有风力涡轮机的框架驱动马达的供电。
图1示出了用于实施通过由于前进的转动风流压力所导致的转子旋转而产生电力的方法和设备的涡轮机和优选变型的实例。这个变型包括发电机1、环形整流罩2、使空气流转动的引导孔3、具有倾斜孔4的涡轮机转子以及锥形整流罩5。
图2示出了两个无叶片涡轮机设备的示意图。框架6安装在可动支撑件基部7上。框架6通过传动装置9由马达(电动马达)8驱动旋转。框架6以恒定速度旋转。马达8连接到太阳能电池10。太阳能电池10装备有太阳光束收集器13。该设备设置有机罩11和保护筛网12。
图3示出了用于通过提出的涡轮机和自然风产生电力的设备的实例。可旋转框架15上的涡轮机14直接安装在支撑件基部16上。
设备的利用自然风和前进的空气流的操作原理是相同的。但是空气(风)流的速度应当不小于6-8m/s。所提出的设备的整体尺寸(在相同的容量下)比常规的叶片式风力发电设备小几倍。
给出的设备操作如下。来自具有镜子收集器的太阳能电池的电流被供应至使传动装置9旋转的马达8。传动装置9动力学地连接到可动支撑件7，框架8安装在该可动支撑件7上。具有孔4的涡轮机转子在框架(6)的端部处由于15m/s的前进的空气流而旋转。
当太阳能电池被从标称电流切断时，对马达8的供电切换至发电机1。该设备仍然以预定速度旋转。第二发电机确保对消费者的供电。这种设备的有用产率可以达到50％。当使用太阳能电池10和镜子收集器13时，效率甚至可以达到60％。
从而，要求保护的方法和太阳能提供动力的风力发电设备允许以无生态影响的方式产生电力，而不燃烧任何化石燃料作为太阳能、动能和势能。这样，与飞轮相比，具有发电机和涡轮的旋转框架的惯量有助于能量消耗。
要记住的是，该设备由较少的部件构成，其可靠性得到显著增加。设计的使用寿命可以达到65000小时，而这还是由于缺少高耐磨细节。
实例1
制造的设备包括发电机1、具有孔4的转子、引导孔3、环形整流罩2、处于90°角度下的锥形整流罩5。环形整流罩的内径为1000mm。转子上的孔4以及引导孔3的数量为二十。发电机1为三相发电机，容量为10kW。转子安装在发电机(1)的轴线上。框架6安装在具有旋转轴线的可动支撑件基部7上。支撑件基部7动力学地连接到传动装置9的输出轴。传动装置9使电动马达8旋转，该电动马达8连接到具有太阳光束收集器13的太阳能电池10。容量为7.5kW。马达(8)驱动容量等于5.5kW。
传动装置(9)的传动比为100，从而框架6以30rpm的速度旋转。旋转半径为四米。因此，前进的空气流等于12m/s。在这样的空气流速度下，两个模块的发电机1都将在7秒内产生10kW的标称容量(该模块确保可以提供用于设备和消费者的能量的操作模式)。在日落之后，发电机中的一个立即切换至马达8并且切断太阳能电池。此时，具有发电机1和涡轮的框架6继续运转，因此马达8处的启动电流不会太高。在将马达8连接到发电机8之后，加载第二发电机。该发电机确保对消费者的供电。太阳能提供动力的风力发电设备以稳定模式以大约50％的效率操作，而不会有任何故障、噪声和振动。
实例2
已经制造了用于产生电力的设备。该设备包括容量为1kW的发动机1、直径为350mm的环形整流罩2、角度为70°的锥形整流罩5、具有角度为45°的孔3的引导分隔件。发电机安装在可动框架6上，两个发电模块(涡轮)安装在该可动框架6上。
转子和引导分隔件每个具有16个孔。发电模块具有相同的重量。马达8、框架6驱动器在3000rpm下的容量为0.kW。传动装置(9)的传动比为1∶50。旋转半径为两米。该设备以与实例1中所述相同的方式启动。太阳能电池使框架以60rpm的速度旋转，并且前进的气流速度为大约12m/s。在这样的前进气流速度下，涡旋涡轮机和发电机在标称模式下操作。如果需要，发电机中的一个切换至马达8，并且第二发电机向消费者供应电力。该设备以50％的效率因数在稳定且实际无噪声的条件下运转。在白天，框架驱动器通过具有收集器(镜子)的太阳能电池进行旋转，这增加了待供应给消费者的电力的量。
所获得的结果证明，用于产生电力的太阳能提供动力的风力发电设备降低了用于辅助需要的动力消耗并且增加了用于消费者的电力。给出的设备的电力输出效率可以达到设备产生的总电力的50％。
工业适用性
在实施过程中，使用要求保护的方法和太阳能提供动力的风力发电设备将允许降低燃烧燃料的量并且改善有关CO2排放的生态状况。与大叶片风力发电设备相比，使用所提出的太阳能提供动力的风力发电设备将允许降低整个设备的整体尺寸和重量。为了确保无叶片涡轮机的安全操作，可以使用较低速度的自然风(图3)。

Claims (17)

1.一种用于产生电力的方法，所述方法包括以下步骤：提供具有所需速度的人造空气流；提供太阳能电池和多个太阳光束收集器；将由太阳能电池和多个太阳光束收集器产生的电流传送至电动马达以使传动装置旋转；将传动装置联接到可动支撑件基部，以接纳涡旋空气涡轮机和能够以预定速度旋转的框架。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于空气流具有为至少12m/s的恒定速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于空气流借助引导孔沿着涡轮机的转子的旋转方向转动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于涡轮机借助于太阳能沿周向方向以至少为2m的旋转半径和预定的速度旋转，太阳光束收集器以范围为从20°到45°的角度安装。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于电力被部分地供应到马达以使框架旋转。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于借助锥形和环形整流罩，前进的空气流初始被压缩，然后加速，最后被转动且以不大于90°的角度引导至转子的工作表面。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于人造空气流的动能和势能以及太阳能电池的电力用来使涡轮机旋转。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于在所有的转子工作表面处同时产生反作用效果。
9.一种用于产生电力的安全设备，其包括：发电机；转子，所述转子连接到所述发电机；空气压缩和保持单元，所述空气压缩和保持单元设置有多个引导孔，所述多个引导孔使空气流沿所述转子的旋转方向转动；用于传送能量的装置；以及多个太阳能电池。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述转子具有盘形形状，并且所述多个孔位于所述转子的周边处并且相对于所述转子的盘形表面倾斜，其中所述孔具有凹的工作表面，以产生反作用效果。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述多个孔形成为圆筒、锥形结构或喷嘴。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于其还包括分隔件，所述分隔件安装在所述转子之前并且具有多个引导孔，其中所述孔能够成角度地引导在所述转子上的初始沿所述转子的旋转方向转动的前进的空气流。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于其还包括环形整流罩，以保持转动的空气流并且在没有任何损失的情况下将该转动的空气流引导至所述转子的工作表面。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于其还包括锥形整流罩，以增大空气流的速度并且在设置于分隔件之前的转子孔上产生必要的空气压力。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于其包括可旋转的框架，所述框架能够产生人造的前进的空气流，其中预定的旋转半径为至少2m，并且所述框架能够产生必要的空气流速度。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于其包括具有传动装置的电动马达，所述传动装置使所述框架旋转并且产生具有所需速度的前进的空气流，其中所述多个太阳能电池可以装备有多个镜子。
17.根据权利要求16所述的设备，其特征在于所述转子和所述分隔件设计成避免前进的空气流在速度小于60m/s时失速。
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