CN102782314B - 风能系统及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用以使用风及受控制的空气移动以及相关结构来发电以较具成本效益地产生能量且保护系统组件的系统及方法。

Description

风能系统及使用方法

相关申请案交叉参考

本申请案请求在2009年10月13日提出申请的第61/278,815号美国临时专利的权益及优先权，所述美国临时专利出于所有目的以引用方式完全并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于利用风能的系统及方法，且更特定来说涉及用于从风能产生电的风轮机。

背景技术

制作具有多个旋转叶片的电筒水平轴风轮机以在操作期间忍受巨大的破坏性风力。风力可由从无风条件到极端风条件变化的风条件形成。旋转叶片通常经设计以使得叶片的整个长度外形上配置为翼形剖面，因为转子叶片的翼形状通常提供较高的性能效率。

然而，由于风条件的变化中的极端情况，转子叶片的设计考虑因素必须包括许多因素的小心平衡。举例来说，转子叶片必须经构造以使得其尽可能的轻以减小对塔的应变。然而，同时，必须考虑到叶片可以其操作速度经受共振及简谐振动的可能性。此外，转子叶片需要相当大的强度来忍受风的颤动及其不断地暴露于自然力而经历的应力。

水平轴风轮机还由于其通常大规模的设计而遭受若干劣势。这些问题不仅包括成排的旋转涡轮机对风景的遮蔽、噪音及环境安全，而且其对于较小的所有者控制的应用来说不切实际。垂直轴涡轮机通常低效得多且由于对轴承的径向应力而展现频繁的主顶轴承故障。由于风切变性质，叶片还必须忍受从底部到顶部的极大剪力。

由于使用风轮机继续呈现帮助减小燃烧化石燃料以发电的需要的环境友好型解决方案，因此需要一种克服前述缺点的风轮机系统。

发明内容

在一个方面中，提供一种风能收集系统，其包括：风杠杆组合件，其耦合到基座；及可旋转支撑部件，其由所述基座支撑且耦合到所述风杠杆组合件。所述风能手机系统还包括耦合到所述可旋转支撑部件的发电机。所述风杠杆组合件可移动到第一位移位置，从而致使所述可旋转支撑部件沿第一方向旋转，且可移动到返回位置，从而致使所述可旋转支撑部件沿第二方向旋转，其中所述可旋转支撑部件的每一旋转均使所述发电机转动。

在另一方面中，提供一种风能收集系统，其包括具有风杠杆及平衡物的风杠杆组合件。所述风杠杆可响应于冲击到所述风杠杆的表面积上的风荷载而位移到第一位移位置，且响应于不存在冲击到所述风杠杆的所述表面积上的风荷载而位移到返回位置。可旋转支撑部件由基座支撑且耦合到所述风杠杆组合件，其中所述风杠杆的位移造成所述可旋转支撑部件的旋转。发电机也耦合到所述可旋转支撑部件。所述发电机在所述风杠杆位移到所述第一位移位置时产生电流，且在所述风杠杆位移到所述返回位置时产生电流。

在又一方面中，提供一种用于使用往复运动的风能收集系统收集风能的方法。所述方法包括：响应于冲击到风杠杆的表面积上的风荷载而使所述风杠杆位移到第一位移位置；响应于所述风杠杆到所述第一位移位置的所述位移而使可旋转支撑部件旋转；响应于不存在冲击到所述风杠杆的所述表面积上的所述风荷载而使所述风杠杆位移到返回位置；响应于所述风杠杆到所述返回位置的所述位移而使所述可旋转支撑部件旋转；及在所述风杠杆位移到所述第一位移位置时产生电流，且在所述风杠杆位移到所述返回位置时产生电流。

有利地，本发明的所述风能收集系统高效地从风捕获能量且将其转换成电力。举例来说，典型水平轴风轮机限于仅捕获冲击能量的最多约60％。借助本发明的风能收集系统，较高能量效率是可能的。

将部分地在以下说明及附图中论述本发明的其它特征及优点，其中描述且展示本发明的实施方案且所属领域的技术人员在结合附图阅读以下说明后将部分地明了所述实施方案或可通过实践本发明来了解所述实施方案。本发明的优点可借助在本发明及任何所附权利要求书中所特别指出的工具及组合来实现及获得。

附图说明

图1是根据实施例的风电系统的示范性实施方案的简化图；

图2是根据实施例的风电系统的示范性实施方案的简化图；

图3是根据实施例的风电系统的示范性实施方案的简化图；

图4是根据实施例的风电系统的示范性实施方案的简化部分侧视图；

图5是根据实施例的图4的风电系统的简化端视图；

图6是根据实施例的风电系统的示范性实施方案的简化侧视图；

图7是根据实施例的图6的风电系统的简化端视图；

图8是根据实施例的风杠杆能量收集系统的实施方案的简化图；

图9是根据实施例的风杠杆能量收集系统的实施方案的简化透视图；

图10(a)及10(b)是风杠杆的实施例的简化图解说明；

图11(a)及11(b)分别是根据实施例的风杠杆的侧视图及透视图；

图11(c)及11(d)分别是根据实施例的风杠杆的侧视图及透视图；及

图12是根据实施例处于实质上水平定向的风杠杆及平衡物的简化示意图。

应了解，为简单及清晰图解说明起见，图中所展示的元件未必是按比例绘制的。举例来说，为清晰起见，一些元件的尺寸相对于彼此放大。此外，在认为适当之处，在各图当中重复参考编号以指示对应元件。

具体实施方式

一种风能转换系统包括至少三个主要子系统、空气动力系统、机械传输系统及发电系统。通常，风能转换系统的物理配置在自然发生的空气流或“风”中产生不对称力以控制空气移动。受控制的空气移动致使物理配置(包括但不限于流动引导结构及收集器)旋转、振荡或平移，因此提供可从其产生电力的机械能。在一些实例中，可形成例如压力或温度梯度等物理条件以控制空气移动且形成提供机械能的运动。如果机械能由机器直接用来(举例来说)抽水、切割木材或研磨石头，那么所述机器通常称作风力发动机。如果机械能改为转换成电，那么所述机器通常称作风力发电机或风轮机。

风度量是指对一个位置处或一个区域中的环境风流动的制图或测量。度量是对变量的测量，用以根据度量测量确证及预测与一个位置相关联的潜在或实际风能。此信息可用于确定高密度风轮机的放置及确定支持配置及强度要求以匹配所述区的风制图。度量可包括但不限于在所确定或已知时间/日期周期内测量以下变量：特定高度处的风的总量、每方向的风的总量、每方向的风、每高度的风、总风速(所有方向-平均值)、每方向的风速、每高度的风速、风加速度(所有方向-平均值)、每方向的风加速度、每高度的风加速度、风持续时间(总值-平均值)、每方向的风持续时间、每高度的风向、阵风(总值)、每方向的阵风、每高度的阵风、风湍流(总值)、每方向的风湍流、每高度的风湍流、风角(总值)、每方向的风角及从地面开始每高度的风角。

风力等于空气密度乘以风速度的立方。风能是随着时间累积的风力。

图1是根据实施例的示范性风电系统100的的简化侧视图。风电系统100包括可在枢轴102上移动的叶片102。叶片102为可通过风位移的延伸元件或部件。叶片102可延伸超过枢轴102，或替代地，枢轴臂(未展示)可从枢轴104延伸，其中枢轴臂耦合到叶片102。在一个实例中，叶片102可为翼状物、薄片、帆状物及类似物。在一些实施例中，作为可通过风位移的部件的叶片可采取帆状物、翼状物及类似物的形式。在下文所描述的一些实施例中，叶片102可涵盖或称作风杠杆。风杠杆是其中风抵靠装置的表面积提供力以抵靠可水平旋转的轴利用所述力的装置。当装置随着力的效应移动或从力的效应恢复时，旋转杆将机械能提供到发电机。

枢轴104是指可以可移动方式支撑一到多个叶片的支架或系统。在一个实施例中，枢轴允许叶片沿任何所要方向从固定点或枢轴点旋转。举例来说，枢轴104允许叶片102如箭头106所表示的那样来回振荡。

经由枢轴104的叶片102安装于基座108上，基座108用以支撑叶片102及枢轴106。基座108可以或可不升高于地平面以上。举例来说，基座108可支撑于塔、屋顶或能够支撑风电系统100的任何其它升高的结构上。基座108不打算限于任何特定结构，且可包括圆锥形、圆柱形、多边形、多部分、管状结构，具有开口、封闭壁、实心壁以及柔性及/或坚硬壁。基座108可制作成将叶片102置于用于接收合适风流的最佳位置中且最小化对风流的地面效应的任何合适高度尺寸。举例来说，在一个实施例中，基座108的高度可在约50米与100米之间，且优选地在约60米与90米之间。在替代实施例中，对于较小的所有者控制的应用，基座的高度可在约1米与15米之间，且优选地在约2米与5米之间。

图2是风电系统100a的实施例的简化图解说明，风电系统100a包括多个叶片102。在此多叶片实施例中，基座108可支撑多个枢轴104，其中每一枢轴支撑一叶片102。在一个实施例中，叶片102可通过风在一个或一个以上枢轴108上独立地移动。应理解，描述使用单个叶片或等效物的风电系统的实施方案的下文所描述实施例也可实施为如图2中所展示的多叶片系统。

在一个实施方案中，基座108可界定或包括空间110，空间110提供用于定位发电系统112的位置(图3)。除提供用于最佳地定位叶片102的支撑结构外，基座108还可包括封闭空间110以提供使发电系统112免受碎屑及不利的天气或温度条件的保护。

图3是根据实施例的风电系统300的示范性实施方案的示意图，其包括发电系统112。在一个实施例中，发电系统112可包括延伸部件304、线固定件306、可移动磁体308及线圈314，连同经提供以用于固定及操作发电系统112的组件的额外支撑结构。

如图3中所展示，延伸部件304耦合到或邻近于枢轴104且与叶片102成直线但沿叶片102的相反方向延伸。线固定件306(例如，缆线、线、链、绳或其它类似结构)的第一端耦合到延伸部件304。线固定件304的第二端耦合到磁体308。线固定件306可沿其或绕其通过的一个或一个以上导引件310可间置于线固定件304的第一端与第二端之间。一个或一个以上导引件310可包括(举例来说)轮、齿轮、滑轮、惰轮或其它类似导引元件。

如图3中所指示，磁体308经配置以相对于线圈314移动。举例来说，在一个实施例中，磁体308经配置以上下移动，如箭头312所指示，其使磁体移动进出线圈314。线圈314经定大小及成形以将磁体的至少一部分接纳于盘绕线的边界内。

在一个替代实施例中，磁体308可为相对于线圈314固定的一到多个磁体。在此实施例中，线圈314可在(举例来说)由磁体308中的一者或一者以上包围的空间内相对于磁体移动。线圈314包括电流可经由其通过的触点316。

在操作中，在图3的实施例中，风压力及空气流冲击到叶片上，从而致使叶片绕枢轴点302移动。当风流自然地衰落及流动时，叶片102可绕枢轴点302来回振荡。叶片102的来回移动可量化为相对于风电系统300的中心线318的可变旋转程度。叶片102可从中心线318振荡小于360度。在一些实例中，叶片102可在大约0度与±90度之间从中心线318振荡，举例来说，大约在0度与±10之间，优选地大约在0度与±5度之间。

叶片102在枢轴点302上方的移动致使延伸部件304也在枢轴点302下方移动，但是沿相反方向。延伸部件304的旋转拉动线固定件306的第一端。线固定件306上的拉伸实质上同时致使线固定件306的第二端拉动至少一个磁体308。因此使磁体308相对于盘绕线314的嵌套移动。磁体与线之间的相对移动在盘绕线内形成可经由电触点316传递到电网或储存装置(例如，电池或电容器)的电流。

如前文所提及，尽管图3中展示单个发电系统112，但此不应被视为一限制且应理解，耦合到多个发电系统112的多个叶片102可用于例如图2中所展示的风电系统100a等实施方案中。

图4及5是根据实施例的风电系统400的示范性实施方案的简化侧视图及端视图。风电系统400通常经配置以如上文所描述的那样操作，然而具有下文所描述的例外及替代。风电系统400包括附加到一到多个枢轴104的至少一到多个叶片102，所述一到多个枢轴104安装到基座108(未展示)。在无意进行限制的情况下，下文中仅参照单个叶片/枢轴系统来描述实施例。

叶片102可响应于冲击到叶片102上的风压力及空气流而在枢轴104上移动。在一个实施例中，叶片102可延伸超过枢轴104，或替代地，枢轴臂可从耦合到叶片102的枢轴104延伸。

在一个实施例中，风电系统400包括耦合到或接近枢轴104且与叶片102成直线但沿叶片102的相反方向延伸的延伸部件304。如图4及5中所展示，一个或一个以上磁性元件402耦合到延伸部件304的一端。风电系统400还包括位于安置于延伸部件304的所述端处的一个或一个以上磁性元件402下方的盘绕线404。如图中所展示，盘绕线404可形成为界定拱形槽406的通道。一个或一个以上磁性元件402经定大小及成形以至少部分地配合于拱形槽406内。拱形槽406经配置以至少部分地接纳一个或一个以上磁性元件402。

在操作中，在图4及5的实施例中，当风压力及空气流冲击到叶片102上时，叶片102绕枢轴点302移动。当风流自然地衰落及流动时，叶片102绕枢轴点302来回振荡。叶片102在枢轴点302上方的移动致使延伸部件304在枢轴点302下方移动，但沿相反方向。延伸部件304的旋转致使一个或一个以上磁性元件402移动。一个或一个以上磁性元件402的移动类似的钟摆的摆动。位于拱形槽406内的磁体402至少部分地在盘绕线404的界限内“摆动”。磁体与线之间的相对移动在盘绕线404内形成可经由电触点316传递到电网或储存装置(例如，电池或电容器)的电流。

图6及7是根据实施例的风电系统500的示范性实施方案的简化侧视图及端视图。风电系统500通常经配置以如上文所描述的风电系统那样操作，然而具有下文所描述的例外及替代。风电系统500包括附加到一到多个枢轴502的至少一到多个叶片102，所述一到多个枢轴502安装到基座108(未展示)。在无意进行限制的情况下，下文中仅参照单个叶片/枢轴系统来描述实施例。

如图7中所展示，在一个实施例中，枢轴502包括第一枢轴区段502a及第二枢轴区段502b。第一与第二枢轴区段经由位于风电系统500的枢轴点302处的枢轴部件503耦合在一起。风电系统500还包括触点支撑部件504。触点支撑部件504可耦合到叶片102或形成为叶片102的部分。在此实施例中，触点支撑部件504位于叶片102的端处且位于枢轴502的第一枢轴区段502a与第二枢轴区段502b之间。触点支撑部件504在枢轴点302处与枢轴部件503大约同心地坐落。

在一个实施例中，叶片102及触点支撑件504耦合到延伸臂510，延伸臂与叶片102成直线但沿与叶片102相反的方向延伸。当叶片102绕枢轴点302移动(但沿相对于系统的中心线的相反方向)时，延伸臂510绕枢轴点302移动。盘绕线512可耦合到延伸臂510的端。盘绕线512经由线或其它导电元件操作且电连接到位于触点支撑部件504上的触点元件506及508。以此方式，在线圈512中产生的电流可传递到触点506及508。

一个或一个以上磁性元件514可位于盘绕线512下方接近于线圈512。磁性元件514可形成为拱(图6)以便在使线圈移动时磁性元件保持接近于线圈512。

在操作中，当风压力及空气流冲击到叶片102上时，叶片102绕枢轴点302移动。当风流自然地衰落及流动时，叶片102绕枢轴点302来回振荡。叶片102在枢轴点302上方的移动致使延伸臂510在枢轴点302下方移动，但沿相反方向。延伸臂510的旋转致使线圈512移动。线圈512的移动类似钟摆的摆动。位于磁性元件的拱内的盘绕线512经由磁性元件514所形成的磁场而“摆动”。磁性元件514与线圈512之间的相对移动在盘绕线内形成电流。操作地，可经由与位于枢轴区段502a上的输出触点516的连接在触点506及508处收集电流且将电流传递到电网或储存装置，例如电池或电容器。

图8是根据实施例的风杠杆能量收集系统800(在下文中为“风杠杆系统800”)的简化图。在一个实施方案中，风杠杆系统800包括风杠杆组合件802、发电机804、相关联电子装置804a及机械驱动组合件806。风杠杆组合件802包括延伸元件808(例如，叶片或帆状物)、枢轴810及平衡物812。

延伸元件808可支撑于上部臂或枢轴臂814以延伸延伸部件808的工作半径(在需要的情况下)，且直接耦合到可旋转支撑元件816。在一个实施例中，延伸元件808可包括间置于枢轴臂814中的帆状物枢轴809。使用帆状物枢轴809，在预定时间、位置或响应于不同的风条件，延伸元件808可枢转以允许以下各项中的至少一者：允许风能捕获、改善风能捕获、防止因大风造成的损坏、调整延伸元件与风的角度及调整延伸元件的返回轮廓。

可旋转支撑元件816将风杠杆组合件802耦合到支撑基座818，支撑基座818用以支撑整个风杠杆系统800。基座818可以或可不升高于地平面820以上。举例来说，基座818可提升于地平面820以上且支撑于(举例来说)塔、屋顶或能够支撑基座818的任何其它升高的机构上。基座818不打算限于任何特定结构，且可包括圆锥形、圆柱形、多边形、多部分、管状结构，具有开口、封闭壁、实心壁以及柔性及/或坚硬壁。基座818可制作成将延伸元件808置于用于接收合适的风流的最佳位置中且最小化对风流的地面效应的任何合适高度尺寸。

平衡物812经由可延伸臂824耦合到枢轴点。支撑平衡物812的臂824可为可延伸臂以改变从枢轴点的重量的距离，以改变移动延伸元件808所需要的力矩量。通过控制所需力矩，也可控制使延伸元件808或允许延伸元件808执行的振荡的大小。可响应于实现预设准则的阈值而自动地进行可延伸臂的延伸或可人工地对其进行调整。

平衡物812可为为延伸元件808提供平衡功能的任何合适结构或其它构件。举例来说，除常规重力质量(例如，金属重量)外，平衡物812还可包括水道流、活塞、液压装置、皮带、齿轮、轮、滑轮、链、离合器、传动装置及类似物。在一个实施例中，基座818在形成基座818的支撑结构之间界定开放空间822。开放空间822经定大小及配置以在延伸元件808下方提供用以接纳平衡物812的区且提供充足的空间以允许平衡物812在空间822内移动(即，摆动)而不接触支撑结构。

在一个替代实施例中，由平衡物812提供的平衡功能可使用上文关于图3到图7所描述的电流产生系统来提供。举例来说，可通过用安置于延伸臂824的端处的一个或一个以上磁性元件或线圈取代平衡物812来提供风杠杆组合件802的实施例中所展示的平衡物812的功能。磁性元件或线圈分别结合对应线圈或磁性元件使用，所述对应线圈或磁性元件位于(举例来说)开放空间822中。磁性元件与线圈之间的相对移动可用以产生电流，如上文所描述。

再次参照图8，机械驱动组合件806可用以耦合及平移通过延伸元件808的移动提供的动能，且将其传递到发电机804以用于产生电流。在一些实施方案中，发电机804为线圈磁体型装置，例如此项技术中众所周知。发电机804可连接到相关联电子装置封装804a以提供以下各项中的至少一者但不限于：输出、电力调节、到AC的转化、DC到DC转换及用于储存的转换。发电机804可包括适合用于特定实施方案中的单向或双向发电机，如下文进一步描述。

在一个实施方案中，机械驱动组合件806包括使双向发电机804转动以产生电力的能力。在此实施例中，所述能力包括与双向发电机一起使用的直接驱动系统。直接驱动系统可包括耦合到延伸元件808、平衡物812及双向发电机804的旋转/往复运动轴826。轴826能够沿顺时针及逆时针方向移动。在此实施方案中，当延伸元件808及平衡物812来回移动或往复运动时，轴826也移动且因此沿顺时针或逆时针方向转动发电机804以在沿任一方向移动时产生电力。

在一些实施方案中，驱动机构828(例如，链、齿轮或皮带驱动组合件)可用以更改轴826的旋转速度。驱动机构828可包括固定或可变齿轮、滑轮、轮、皮带、滑轮及链、液压耦合且可包括离合器、传动装置(规则的或连续可变的)及类似物，其可用以更改传送到发电机804的旋转移动。在此实施方案中，驱动器828可为双向驱动器，以便将轴826的顺时针及逆时针旋转两者传送到双向发电机。

在一些实施方案中，可选择单向发电机且相应地，驱动机构828可为仅沿一个方向将旋转平移到发电机804的单向驱动器。

由发电机804产生的电流及(举例来说)通过任选地使用图3到7中所展示的电流产生系统而产生的任何其它电流可传递到储存装置，例如电池或电容器。除非经储存，否则来自电子装置封装804a的输出可经由一个或一个以上线输出830馈送出系统。

在操作中，风杠杆系统800为根据实施例以风捕获/杠杆返回循环操作的往复运动的风能收集系统。风由呈叶片或帆状物形式的延伸元件808捕获。从相对于地面的大体垂直定向，帆状物在“风捕获1/2循环”期间绕枢轴点顺时针或逆时针位移。帆状物的移动又使轴826移动或旋转。轴可直接连接到发电机804，或可连接到介入驱动组合件828。如上文所描述，驱动组合件828提供调整轴的旋转速度以用于将经更改旋转速度提供到发电机804(在需要的情况下)的能力。

一旦帆状物的位移完成，则风捕获1/2循环完成。接着起始杠杆返回1/2循环。从可延伸臂824悬吊或作用于可延伸臂824的平衡物812或其它等效构件(或在帆状物下方的额外结构，例如关于图3到7所描述)提供力以至少部分地朝向风捕获1/2循环开始的实质上垂直定向往回复原位移的帆状物。帆状物的返回完成风捕获-杠杆返回循环。

在一个实施例中，应理解，改变帆状物或叶片表面积且保持其它系统变量(例如，风速、风加速度、风湍流、平衡物及磁场常数)对应于可使用风电系统800收获的风能的增加或减少。举例来说，使用帆状物枢轴809，帆状物102可经部署以提供大的面向风表面积用于在风捕获1/2循环期间的初始风捕获。接着可通过转动帆状物来更改帆状物102的表面积轮廓以使得其不面向风向。通过减小暴露于风向的帆状物的表面，帆状物对抗其脉动的力减小。帆状物在杠杆返回1/2循环期间返回到其初始位置。

减小帆状物在返回1/2循环期间必须对抗而工作的力使系统更高效。针对移动的返回1/2循环减小对帆状物的拖曳力还可减小完成杠杆返回1/2循环所需要的力。改变平衡物位置是响应于例如风速、电力需求、磁场及类似物等变量而使用设备的平衡(BOP)来调整帆状物、装置、系统及方法参数的手段。

图9是根据示范性实施例的风杠杆能量收集系统900(在下文中为“风杠杆系统900”)的透视图。在一个实施方案中，风杠杆系统900包括风杠杆组合件902、发电机904、相关联电子装置904a及机械驱动组合件905。风杠杆组合件902包括延伸元件906(例如，叶片、帆状物或风杠杆)、枢轴908及平衡物910。

在此示范性实施方案中，延伸元件906(在下文中为“风杠杆906”)可具有支撑柔性风偏转器914的框架912。风偏转器914能够阻挡、偏转、重新引导、反射或以其它方式响应于冲击到偏转器914的表面积916上的风流的移动。在一个实施例中，风偏转器914可由实心、网状或多部分材料制作。举例来说，如图10(a)中所展示，风转转器914可从头到尾由相同离散材料1002制作。如图10(b)中所展示，风偏转器914可具有多个区1004及1006，其中每一区包括不同类型的材料。每一风偏转器材料可由各种个别均质材料制作，或可由材料的组合制作，所述材料中的每一者能够提供足够的结构支撑以经受住风偏转器914在各个区处可经历的可变风荷载。举例来说，风偏转器914可由金属、聚合物、涤纶、帆布材料、复合材料(例如，碳、纤维玻璃及纤维玻璃加强塑料)或这些材料的任何组合制作。

风偏转器914可依据特定实施方案而形成为任何合适的表面集合形状。举例来说，风偏转器914可具有能够垂直于风向定位的平坦表面、包括以与风向的各种角度定位的多个平坦表面的多面表面或可具有圆形、抛物面、双曲线、椭圆形或类似弯曲几何形状的弯曲表面。在一些实施方案中，风偏转器914的几何形状可包括如此描述的几何形状的组合。

杠杆906的大小可基于许多变化而改变，举例来说，依据对能量产生的要求及可用于实施的空间。在一个实施例中，风杠杆906的大小可在约1米与2米之间(举例来说，在宽度上为约1.5米)，及在约1.5米与3米之间(举例来说，在长度上为2米)。

在一个实施例中，如图11(a)及11(b)中所展示，风偏转器1102可安装于框架912上，以使得风转向器1102的边缘(除顶部边缘以外)或至少顶部拐角不牢固或固定地安装到框架912。在此实施例中，底部拐角1106可附接到可滑动部件1108，可滑动部件1108可滑动地附接到框架912，以使得可滑动部件可沿框架移动。可滑动部件1108可包括可附接到风转向器且能够沿框架滑动的任何合适部件。举例来说，可滑动部件1108可为圆形环或圆柱形套圈，其允许框架的一部分从中穿过。由于风转向器1102的侧边缘不安装到框架912，因此风转向器1102的底部拐角1106可在风冲击到风转向器1102的表面上时上升及下降。当风压力在风转向器1102上增加时，风转向器1102向上上升以减小风转向器的表面积的有效地暴露于风的量。在一个实施例中，物理止挡件1104可位于框架912上以限制每一可滑动部件1108沿框架912的移动以控制风偏转器1102上升的量，且因此控制风偏转器的有效暴露表面积的改变。因此，转向器可在其中偏转器的表面积的实质上全部有效地暴露于风向量的完全展开配置与其中偏转器的表面积的仅一部分有效地暴露于风向量的部分展开配置之间移动。

如图11(c)及11(d)中所展示，在替代实施例中，风偏转器1110可划分成两个区段。第一区段1110a可固定且牢固地附接到框架912。第一区段1110a可通常包含风偏转器表面积的大约顶部四分之一处到顶部二分之一处。第二区段1110b可安装于框架912上，以使得第二区段1110b的边缘(除顶部边缘以外)或至少顶部拐角不牢固或固定地安装到框架912。在此实施例中，底部拐角可附接到可滑动部件1108，可滑动部件1108可滑动地附接到框架912，以使得可滑动部件可沿框架移动。当风压力在风偏转器1110上增加时，第二区段1110b向上上升以减小风偏转器的第二区段1110b的暴露表面积。应理解，经分配以包括在第一区段1110a或第二区段1110b中的风偏转器的表面积的量可针对任何给定实施方案而改变。

再次参照图9，风偏转器914及框架912经由枢轴908支撑于可旋转支撑元件918上。在一个实施例中，枢轴908可包括(举例来说)球轴承、衬套及类似物，其位于可旋转支撑元件918的相对端处且安装于支撑基座920上。平衡物910也经由可延伸臂922耦合到可旋转支撑部件918。因此，当风杠杆906及平衡物位移时，可使可旋转支撑元件918旋转。

可旋转支撑元件918将风杠杆组合件902耦合到支撑基座920。基座920可坐落于地面上或可升高于地平面以上。举例来说，基座920可提升于地平面以上，或基座920可支撑于塔、屋顶或能够支撑基座920的任何其它升高的结构上。基座920不打算限于任何特定结构，且可包括圆锥形、圆柱形、多边形、多部分、管状结构，具有开口、封闭壁、实心壁以及柔性及/或坚硬壁。

基座920可制作成将杠杆906置于用于接收合适的风流的最佳位置中且最小化对风流的地面效应的任何合适高度尺寸。在一个实施例中，通过举例而非限制的方式，基座920可具有在约2米与5米之间的高度，举例来说，约3米。应理解，基座的占用面积可依据风杠杆系统的应用而改变。通过举例而非限制的方式，基座920的占用面积可大约为2米×2米。

平衡物910可为为风杠杆906提供平衡功能的任何合适结构或其它构件。举例来说，平衡物910为常规重力质量，例如金属重量。在一个实施例中，基座920界定经配置以接纳平衡物910且提供充足空间以允许当风杠杆906正在移位时平衡物910在空间926内移动(即，摆动)而不接触基座920的开放空间926。

与此项技术中已知的用以在大风期间在水平轴风轮机及垂直轴风轮机上阻尼或减小叶片移动及速度的锁定、制动及其它系统相反，风杠杆系统在无制动或停止的情况下“自我调整”以适应大风条件。在一些实施例中，当高风速导致迫使风杠杆到达实质上水平位置中时，风杠杆继续发电。如下文所描述，通常由平衡物及风流的变化造成的风杠杆的不稳定性也提供用于发电的所要移动。举例来说，在一个实施例中，当遇到连续高速度的大风时，开放空间926允许风杠杆906及平衡物910旋转到实质上水平定向而不存在来自基座920的支撑结构的干扰。图12是处于由于暴露于连续大风而造成的实质上水平定向的风杠杆组合件902的简化示意图。如图中所展示，风杠杆组合件902通常沿水平定向不稳定。不稳定性由于由冲击到风杠杆906的两个表面1204及1206上的不一致风力形成的不平衡及平衡物910不能克服所述不平衡及使风杠杆组合件902的定向扶直到沿风杠杆组合件902的中心线的垂直定向而造成。在此定向中，风致使风杠杆906相对于地面上下振荡，如箭头1202所指示。然而，这些振荡仍致使风杠杆系统900以风捕获-杠杆返回循环而循环。在此定向中，振荡绕风杠杆系统900的水平轴发生。系统绕水平轴的循环致使可旋转轴918转动发电机904且产生电流，如下文所描述。因此，有利地，任一所属领域的技术人员应理解，在小风或大风环境或条件下，风杠杆系统能够产生可用能量，且不受通常限制在大风中的移动的锁定、制动及类似系统的使用的限制。

再次参照图9，耦合到平衡物910的可延伸臂922可为可延伸的，以便改变使风杠杆906绕枢轴908位移所需的力矩量。通过控制所需力矩，也可控制使风杠杆906执行的振荡的大小。可响应于达到预设准则的阈值而自动地进行可延伸臂的延伸或可人工地对其进行调整。预设准则可为(举例来说)在风杠杆906处经历的风速或加速度的量。可将风速计924邻近杠杆906而定位用于记录风速及其它相关联参数以用于确定何时已达到特定阈值。

风杠杆系统900为根据实施例以风捕获-杠杆返回循环操作的往复运动的风能收集系统。由风杠杆906捕获的风使杠杆在风捕获1/2循环期间相对于系统的垂直中心线沿顺时针或逆时针方向位移。风杠杆绕枢轴908旋转。风杠杆906的位移可在从中心线的约0度到从中心线的约±90度之间，优选地在约0度与约±10度之间，举例来说，约±5度。可旋转支撑元件918可用以耦合及平移由风杠杆906的移动提供的动能且将其传递到发电机904以用于产生电流。发电机904可连接到相关联电子装置封装904a以提供以下各项中的至少一者但不限于：输出、电力调节、到AC的转化、DC到DC转换、用于储存的转换。在此示范性实施例中，发电机904为能够由旋转/往复运动支撑轴918直接驱动的双向发电机。

一旦位移完成，则起始杠杆返回1/2循环。从可延伸臂922悬吊或作用于可延伸臂922的平衡物910提供力以至少部分地朝向风捕获1/2循环开始的实质上垂直定向往回复原位移的风杠杆。转而，在正复原风杠杆906的位置时，风杠杆906如果移动，会再次移动或旋转可旋转支撑轴918，可旋转支撑轴918直接连接到发电机904以用于产生电力。风杠杆906返回到初始位置，则完成风捕获-杠杆返回循环。当风继续吹时，随着风杠杆组合件902继续以风捕获-杠杆返回循环而循环，旋转/往复运动支撑轴918继续沿顺时针及逆时针往复运动方向移动以在发电机904中产生电力。

虽然已参照本发明的特定实施例展示及描述了本发明，但所属领域的技术人员应理解，可在不背离本发明的精神及范围的情况下在其中做出形式及细节上的各种改变。由于可在不背离本文中所涉及的本发明范围的情况下在以上设备中做出某些改变，因此如附图中所展示的在以上说明中所含有的所有内容均应视为具有说明性而非限制性意义。

Claims (26)

1.一种风能收集系统，其包含：

风杠杆组合件，其耦合到支撑于塔上的基座；

可旋转支撑部件，其由所述基座支撑且耦合到所述风杠杆组合件；及

发电机，其耦合到所述可旋转支撑部件，所述风杠杆组合件可移动到第一位移位置，从而致使所述可旋转支撑部件沿第一方向旋转，且可移动到返回位置，从而致使所述可旋转支撑部件沿第二方向旋转，其中所述可旋转支撑部件的每一旋转均使所述发电机转动，

其中所述风杠杆组合件包含具有偏转器的风杠杆及平衡物；且

其中所述偏转器可在完全展开配置与部分展开配置之间移动，其中在所述完全展开配置，所述偏转器的表面积的实质上全部有效地暴露于风向量，且其中在所述部分展开配置，所述偏转器的所述表面积的仅一部分有效地暴露于所述风向量。

2.根据权利要求1所述的风能收集系统，其中通过使所述风杠杆组合件从所述风杠杆组合件的中心线振荡至小于360度而使所述风杠杆组合件能够移动到所述第一位移位置。

3.根据权利要求1所述的风能收集系统，其中通过使所述风杠杆组合件从所述风杠杆组合件的中心线振荡至小于5度而使所述风杠杆组合件能够移动到所述第一位移位置。

4.根据权利要求1所述的风能收集系统，其中所述偏转器包含不同材料的多个区。

5.根据权利要求1所述的风能收集系统，其中到所述第一位移位置的所述移动是响应于冲击到所述风杠杆的表面积上的风荷载。

6.根据权利要求5所述的风能收集系统，其中到所述返回位置的所述移动是响应于不存在冲击到所述风杠杆的所述表面积上的所述风荷载。

7.根据权利要求1所述的风能收集系统，其中所述风杠杆耦合到所述可旋转支撑部件；且

其中所述平衡物经由可延伸臂耦合到所述可旋转支撑部件。

8.根据权利要求7所述的风能收集系统，其中所述平衡物包含：

磁性元件，其耦合到所述可延伸臂，且其中所述磁性元件被接纳于线圈内，其中到所述第一位移位置的移动及到所述返回位置的移动致使所述磁性元件相对于所述线圈移动。

9.根据权利要求7所述的风能收集系统，其中所述平衡物包含：

盘绕线，其耦合到所述可延伸臂，且其中所述盘绕线邻近一到多个磁性元件而定位，其中到所述第一位移位置的移动及到所述返回位置的移动致使所述盘绕线相对于所述一到多个磁性元件移动。

10.根据权利要求1所述的风能收集系统，其中所述发电机包含双向发电机。

11.根据权利要求1所述的风能收集系统，其中所述风能收集系统包含各自耦合到所述基座的多个所述风杠杆组合件。

12.根据权利要求1所述的风能收集系统，其进一步包含耦合于所述发电机与所述可旋转支撑部件之间的驱动机构，其中所述驱动机构更改所述可旋转支撑部件的性能参数。

13.一种风能收集系统，其包含：

风杠杆组合件，其具有风杠杆及平衡物，所述风杠杆可响应于冲击到所述风杠杆的表面积上的风荷载而位移到第一位移位置，且响应于不存在冲击到所述风杠杆的所述表面积上的所述风荷载而位移到返回位置；

可旋转支撑部件，其由基座支撑且耦合到所述风杠杆组合件，其中所述风杠杆的位移致使所述可旋转支撑部件旋转；及

发电机，其耦合到所述可旋转支撑部件，所述发电机在所述风杠杆位移到所述第一位移位置时产生电流，且在所述风杠杆位移到所述返回位置时产生电流，

其中所述风杠杆包含偏转器，且其中所述偏转器可在完全展开配置与部分展开配置之间移动，其中在所述完全展开配置，所述偏转器的表面积的实质上全部有效地暴露于风向量，且其中在所述部分展开配置，所述偏转器的所述表面积的仅一部分有效地暴露于所述风向量。

14.根据权利要求13所述的风能收集系统，其中通过使所述风杠杆组合件从所述风杠杆组合件的中心线振荡至小于5度而使所述风杠杆组合件能够移动到所述第一位移位置。

15.根据权利要求13所述的风能收集系统，其中所述偏转器具有不同材料的多个区。

16.根据权利要求13所述的风能收集系统，其中所述平衡物经由可延伸臂耦合到所述可旋转支撑部件。

17.根据权利要求16所述的风能收集系统，其中所述平衡物包含：

磁性元件，其耦合到所述可延伸臂，且其中所述磁性元件被接纳于线圈内，其中所述风杠杆到所述第一位移位置的移动及到所述返回位置的移动致使所述磁性元件相对于所述线圈移动。

18.根据权利要求16所述的风能收集系统，其中所述平衡物包含：

盘绕线，其耦合到所述可延伸臂，且其中所述盘绕线邻近一到多个磁性元件而定位，其中到所述第一位移位置的移动及到所述返回位置的移动致使所述盘绕线相对于所述一到多个磁性元件移动。

19.根据权利要求13所述的风能收集系统，其进一步包含耦合于所述发电机与所述可旋转支撑部件之间的驱动机构，其中所述驱动机构更改所述可旋转支撑部件的性能参数。

20.一种用于使用往复运动的风能收集系统收集风能的方法，其包含：

响应于冲击到风杠杆的表面积上的风荷载而使所述风杠杆位移到第一位移位置；

响应于所述风杠杆到所述第一位移位置的所述位移而使可旋转支撑部件旋转；

响应于不存在冲击到所述风杠杆的所述表面积上的所述风荷载而使所述风杠杆位移到返回位置；

响应于所述风杠杆到所述返回位置的所述位移而使所述可旋转支撑部件旋转；及

在所述风杠杆位移到所述第一位移位置时产生电流，且在所述风杠杆位移到所述返回位置时产生电流，

其中所述风杠杆包含偏转器，且所述方法进一步包含使所述偏转器在完全展开配置与部分展开配置之间移动，其中在完全展开配置，所述偏转器的表面积的实质上全部有效地暴露于所述风荷载，且其中在部分展开配置，所述偏转器的所述表面积的仅一部分有效地暴露于所述风荷载。

21.根据权利要求20所述的方法，其中使所述风杠杆位移到所述第一位移位置包含使所述风杠杆从所述风杠杆的中心线振荡至小于360度。

22.根据权利要求20所述的方法，其中使所述风杠杆位移到所述第一位移位置包含使所述风杠杆从所述风杠杆的中心线振荡至小于10度。

23.根据权利要求20所述的方法，其中使所述风杠杆位移包含使经由可延伸臂耦合到所述可旋转支撑部件的平衡物位移。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述平衡物包含：

磁性元件，其耦合到所述可延伸臂，且其中所述磁性元件被接纳于线圈内，其中到所述第一位移位置的位移及到所述返回位置的位移致使所述磁性元件相对于所述线圈移动。

25.根据权利要求23所述的方法，其中所述平衡物包含：

盘绕线，其耦合到所述可延伸臂，且其中所述盘绕线邻近一到多个磁性元件而定位，其中到所述第一位移位置的位移及到所述返回位置的位移致使所述盘绕线相对于所述一到多个磁性元件移动。

26.根据权利要求20所述的方法，其中所述偏转器包含不同材料的多个区。