CN102792014A - 风力系统 - Google Patents

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Abstract

一种风力系统，所述风力系统包括第一带轮；第二带轮，所述第二带轮与所述第一带轮间隔隔开；连续循环结构，所述连续循环结构与所述第一和第二带轮接合；多个翼片，所述多个翼片被固定地连接至所述连续循环结构，其中所述翼片从所述连续循环结构向外延伸；以及整流装置，所述整流装置被定位成将空气流引导至所述翼片。

Description

风力系统
技术领域
本申请涉及替代性能量，并且更具体地涉及风力系统，并且甚至更具体地涉及使用翼片和连续循环结构/连续环路结构以旋转带轮。
背景技术
已开发风力系统从而将风能转化为更有用的能量形式，诸如电能。因此，随着化石燃料储量缩小以及与使用化石燃料有关的政治压力增大，风力系统变为替代性能量的可行来源。
水平轴线风力涡轮通常包括三个被连接至转子轴的巨大叶片，该转子轴通过齿轮箱驱动发电机。叶片、转子轴、齿轮箱和发电机安装在杆塔的顶部，该杆塔足够高从而将系统的组件提升到地面之上并且足够结实以支撑组件的实质性重量。
不幸的是，这种水平轴线风力涡轮的巨大尺寸和复杂性导致高的起动资金成本以及高的运行维护费用。因此，当与其他普通形式的能量诸如煤、原油和天然气比较时，通常认为水平轴线风力涡轮每千瓦时的相对成本较高。
此外，风力系统的生存力通常取决于将该系统定位在接收可靠供应充分的风的地区中的能力。然而，风力系统的最理想位置（例如，沿海岸线或者在深海上）常常提出更复杂的工程挑战，对巨大的水平轴线风力涡轮尤其如此。
因此，本领域技术人员继续寻找替代性能量来源，包括利用风能量的系统。
发明内容
一方面，公开的风力系统可包括第一带轮；第二带轮，其与第一带轮间隔隔开；连续循环结构，其与第一和第二带轮接合；以及多个翼片，其固定地连接至该连续循环结构，其中翼片从连续循环结构向外延伸。风力系统连续循环结构可包括第一缆索，其邻近翼片前缘被连接至每个翼片。连续循环结构可包括第二缆索，其邻近翼片后缘被连接至每个翼片。连续循环结构可包括多根管子，其被接收在第一和第二缆索每个之上。连续循环结构可包括多块板，其中每个板都被连接至至少一根管子。连续循环结构可包括多个接口球体，其中通过至少一个接口球体在与邻近管子隔开的第一缆索上接收每个管子。可通过至少一个接口球体将被接收在所述第二缆索上的每个管子与邻近管子隔开。可通过至少一根绳索将每个翼片连接至连接循环结构。每个翼片都可包括至少一个仓室。翼片可固定地连接至连续循环结构。每个翼片都可包括前缘和根部部分，所述根部部分被连接至所述连续循环结构以便所述前缘相对于所述根部部分以非零角度从所述连续循环结构向外延伸。该非零角度为约90度。风力系统还可包括被连接至第一带轮的支撑结构。支撑结构可包括浮筒。风力系统还可包括被耦合至所述第一和所述第二带轮中至少一个的发电机。发电机包括通过气隙与一个永久磁体阵列间隔开的一个电磁体阵列。风力系统还可包括气动耦合至空气罐的空气压缩机/膨胀发动机。风力系统还可包括与所述空气罐流体连通的发电机。
另一方面，公开的风力系统可包括第一带轮；第二带轮，其与第一带轮间隔隔开；连续循环结构，其接合第一和第二带轮；以及多个翼片，每个翼片都包括前缘和根部部分，其中根部部分连接至该连续循环结构以便前缘相对于根部部分以非零角度从该连续循环结构向外延伸。所述多个翼片中的每个翼片都可从所述连续循环结构向外延伸。
另一方面，公开的风力系统可包括：多个带轮；连续循环结构，其被接合每个带轮；多个翼片，每个翼片都包括前缘和根部部分，其中根部部分被连接至连续循环结构以便前缘相对于根部部分以非零角度从该连续循环结构向外延伸；以及整流装置，其被定位成将空气流引导至翼片的前缘。
另一方面，公开一种产生电能的方法。公开的方法可包括以下步骤：（1）提供一种风力系统，该风力系统包括第一带轮、与第一带轮间隔隔开的第二带轮、与第一和第二带轮接合的连续循环结构以及被固定地连接至该连续循环结构的多个翼片，其中翼片从连续循环结构辐射状向外；（2）将该风力系统定位在空气流中，以便翼片响应空气流产生升力，其中该升力影响连续循环结构相对于第一和第二带轮的运动以及第一和第二带轮的对应旋转；以及（3）将第一和第二带轮中至少一个的旋转转化为电能。该转化步骤可包括相对于电磁体阵列旋转永磁体阵列。
通过以下说明、附图和所附权利要求将更明白公开的风力系统的其他方面。
附图说明
图1示出公开的风力系统的第一方面的前透视图，其中风力系统包括风力组件和支撑结构；
图2示出图1的风力系统的一部分的前透视图；
图3示出图2的风力系统的侧视图；
图4示出图1的风力系统的风力组件的前透视图，其示出内部系统元件；
图5示出图4的风力组件的一部分的前透视图；
图6示出公开的风力系统的第二方面的风力组件的一部分的示意侧视图；以及
图7示出公开的风力系统的第三方面的前透视图。
具体实施方式
参考图1，总体以10指出的公开的风力系统的第一方面，其可以包括风力组件12和用于支撑风力组件12的支撑结构14。风力系统10可被定位在户外环境中，以便风（箭头W）可作用在风力组件12上，从而将风能转化为另一种有用的能量形式，诸如机械运动、电能等等。
在第一方面的第一实施方式中，支撑结构14可以包括浮动支撑结构并且可包括浮筒16、锚结构18和系绳20。风力组件12可被连接至浮筒16。系绳20可将浮筒16连接至锚结构18。
浮筒16可以是具有足够浮力的任意结构从而将风力组件12支撑在水面22之上。在第一实施方式的第一表现形式中，浮筒16可包括充满浮力材料（诸如空气、泡沫聚苯乙烯等等）的气密壳体24。在第一实施方式的第二表现形式中，外部壳体24可以由多个单独的气密容器26（例如罐或桶）所填充，后者已经由浮力材料诸如空气、泡沫聚苯乙烯等等所填充，因此减轻破裂问题并且降低外部壳体24的结构要求。
锚结构18可以是能够抵抗来自与其系绳固定的浮筒16的拉力的任意结构，因此将浮筒16保持在水体中的期望位置。作为第一例子，锚结构18可为具有足够质量的主体，诸如混凝土块或由海水填充的罐，其已被沉积在海底28上。作为第二个例子，锚结构18可能为大地，诸如海底28或海底28之下的岩床，其中可使用紧固件、钩紧装置等等（未示出）将系绳20连接至大地。
参考图2-4，风力组件12可包括第一上部带轮30、第二下部带轮32、连续循环结构34、多个翼片38和整流装置40。也可包括尾鳍件42，从而提高空气动力性和/或在风力组件12中形成封闭。
如图4中所示，第一带轮30可以被可旋转地安装在第一轴杆44上以用于绕第一旋转轴线A1旋转。第二带轮32可以被可旋转地安装在第二轴杆46上以用于绕第二旋转轴线A2旋转。可通过间隔器48将第一轴杆44与第二轴杆46间隔隔开，以便第一旋转轴线A1基本平行于第二旋转轴线A2。可选地，可将诸如弹簧的偏压元件（未示出）布置在第一和第二轴杆44、46之间，从而将第一带轮30偏压远离第二带轮32，因此在第一和第二带轮30、32上张紧连续循环结构34。可替换地，惰轮臂/卷轴（未示出）可位于两个带轮30、32之间的任何地方并且可以被向外推（例如，使得连续循环结构34向外弯曲），从而张紧该连续循环结构34，或者可以回缩从而松弛该系统。当要求松弛以移除连续循环结构34时，可能使用惰轮臂/卷轴用以维护。
作为例子，第一和第二带轮30、32可为鼓式带轮。然而，本领域技术人员应明白，可使用任何带轮或纺锤状结构。此外，本领域技术人员应明白，带轮30、32的接合表面（例如外部圆周）可以是平滑的，或者可以包括各种特征，诸如圆周槽、齿轮齿、摩擦纹理或类似特征。
虽然附图中示出风力组件12仅具有两个带轮30、32，但是本领域技术人员应明白，不偏离本公开的范围，附加的带轮可接合连续循环结构34。所述附加的带轮可与第一和第二带轮30、32共线，因此保持连续循环结构34的长圆形路径，或者可能以任意方式被置于偏移于第一和第二带轮30、32所限定的线。例如，当风力组件12包括三个带轮，且其中一个带轮不与其他带轮共线时，连续循环结构34可遵循大体三角形的路径。
连续循环结构34可以被接收在第一和第二带轮30、32之上，并且可与其接合。因此，连续循环结构34可以在连续路径内在第一和第二带轮30、32之上旋转，以用于将旋转动力传递给带轮30、32。
连续循环结构34可以是能够支撑翼片38并且将旋转动力传送至第一和第二带轮30、32的任意结构。例如，连续循环结构34可包括缆索、链条、绳索、带或其组合。
如图5中所示，在一种具体实施方式中，连续循环结构34可包括：两根缆索50、51；多根管子52；多个接口球体54；以及多个板56。每根缆索50、51都可包括被接收在缆索50、51之上（即被套在缆索之外）的多个管子52，而相邻管子52通过接口球体54彼此间隔隔开。每根缆索50、51的末端可以被连接成限定连续循环/连续回环。每个板56都可被连接至每根缆索50、51上的关联管子52，因此限定连续循环结构34。翼片38可被连接至连续循环结构34的板56。
在另一实施方式中，连续循环结构34可不包括板56，并且翼片38可被直接连接至缆索50、51或被接收在缆索上的管子52。例如，邻近后缘62的根部部分64可被连接至第一缆索50，并且邻近前缘60的根部部分64可被连接至第二缆索51。
在又一种实施方式中，翼片38可通过线绳（未示出）诸如尼龙绳而被连接至连续循环结构34。例如，线绳可从连续循环结构34延伸至翼片38的尖端（即翼片的相反于根部部分64的部分）。本领域技术人员应明白，线绳可抑制或防止翼片拍打。
在这点上，本领域技术人员应明白，连续循环结构34的全部或一部分可由轻质复合材料诸如纤维加强树脂复合材料而形成。
虽然附图中示出的风力组件12具有一个连续循环结构34，但是本领域技术人员应明白，不偏离本公开的公开，可使用两个或更多个连续循环结构34。
参考图5，翼片38可以是能够响应作用在其前缘60上的风（箭头W）而产生升力的任意结构。可将翼片38的数目视为取决于连续循环结构34的长度和翼片38的尺寸以及其他因素的最优化设计考虑事项。本领域技术人员应明白太少翼片可能不能产生足够的升力，但是太多翼片可导致阻力或翼片38之间的干扰。
每个翼片38都可包括前缘60、后缘62和根部部分64。每个翼片38的根部部分64都可以被连接至连续循环结构34，以便每个翼片38的前缘60都相对于根部部分64以非零角度从连续循环结构34向外延伸。例如，每个翼片38的前缘60都基本垂直于根部部分64（即非零角度可能为约90度）。
在一种具体实施方式中，每个翼片38的根部部分64都可能被固定地并刚性地连接至连续循环结构34。在替换实施方式中，每个翼片38的根部部分64都可能被以如下方式连接至连续循环结构34，即相对于连续循环结构34为翼片38提供一些枢轴旋转。
在未示出的第一表达中，翼片38可能被形成为包括上部仓室和下部仓室的中空主体。在图5所示的第二表达中，翼片38可能为单个仓室的翼片，并且可能不限定内部体积。在第一例子中，可能通过使得诸如铝的可成形轻质材料板材成形来形成单个仓室的翼片38。在第二例子中，可使用轻质聚合材料来铸造单个仓室的翼片38。在第三例子中，单个仓室的翼片38可能为已通过复合材料肋件来加强的织物翼片。
如图4中所示，翼片38可被连接至连续循环结构34，以便风力组件12的第一侧62上的翼片38产生向上升力（箭头B），而第二相反侧64的翼片38产生向下升力（箭头C），因此向风力组件12提供连续正升力并且因此提供连续正扭矩。换句话说，作用在风力组件12的第一侧62上的风不抵偿风在风力组件12的第二相反侧64上作用而产生的升力。
参考图1-3，整流装置40可以是被连接至风力组件12的任意气动结构，其将风（箭头W）引导至翼片38的前缘60（图5）。另外，整流装置40可以覆盖内部部件，诸如风力组件12的带轮30、32。
作为例子，如图1所示，整流装置40可包括多个肋件70和覆盖件72。肋件70可由轻质材料形成，诸如纤维加强复合材料，并且可被组装为气动三维结构。覆盖件72可为轻质材料诸如织物（例如尼龙）的板，并且可以延展在肋件70之上并且被固定至肋件70。
在一种可选实施方式中，如图3所示，整流装置40和尾鳍件42可限定叶轮74。叶轮74可有利地在风中（箭头W）定向风力系统10，以便风作用在翼片38的前缘60（图5）上并且与其垂直。
在第二方面，公开的风力系统可包括电能发电机。
参考图6，在第二方面的一种具体实施方式中，风力系统可包括总体以100指定的风力组件，其类似于图4中所示的风力组件12之处在于，该风力组件可包括：第一和第二带轮130、132；连续循环结构134；以及多个翼片138。另外，风力组件100可包括分别关联第一和第二带轮130、132的大气隙电环发电机140、142。虽然可能仅使用一个大气隙电环发电机，不过两个或更多个发电机可以在故障的情况下提供备用。此外，由于大气隙电环发电机140、142的重量原因，所以可能仅使用一个发电机142，并且将其尽可能地靠近表面22定位。大气隙电环发电机140、142能够以线性形式扩大，并且因此如果需要更多动力，则能够在下部带轮132上实施附加阵列。替代位于一个外轴上的一个阵列，许多阵列能够遍布轴杆的全部长度，以产生/捕获更多动力。
大气隙电环发电机140、142可能为Cleveland的美国专利No.7,598,646中所述的类型。Cleveland公开这样的电动马达，其包括多个第一磁体、多个第一电磁体以及控制器。多个第一磁体被布置成第一Halbach阵列，并且被配置成提供充分呈现出第一Halbach通量分布的第一磁场。多个第一电磁体包括被布置成第二Halbach阵列的多个第一线圈。控制器适于选择性地引导电流通过多个第一线圈，从而感生第二磁场，从而和第一磁场相互作用，其中第二磁场充分呈现出第二Halbach通量分布。
因而，每个发电机140、142都可包括一个永磁体阵列144，其被耦合成随关联的带轮130、132旋转；以及相对于永磁体阵列144固定的电磁体阵列146。气隙148可以将电磁体阵列146间隔于永磁体阵列144。
在这点上，本领域技术人员应明白，由于没有磨损并且能够将阵列144、146完全密封与环境隔开，所以使用大气隙电环发动机140、142会是有利的，从而最小化维护成本。此外，发电机140、142比传统发电机明显更轻，因为除了其他因素之外，它们不需要齿轮箱。
参考图7，大致以200指定的公开的风力系统的第三方面可包括风力组件212、用于支撑风力组件212的支撑结构214以及气动能量存储系统208。支撑结构214可包括浮筒216、水下容器218以及系绳220，其将浮筒216连接至容器218。气动能量存储系统208可包括电的（electro）空气压缩机/膨胀式发动机222和空气管路224，其中空气管路224将空气压缩机/膨胀式发动机222气动耦合于水下容器218。可选地，空气管路224和系绳220可为同一个。
水下容器218可能为空气罐或类似物。可使用风力组件212所产生的电能来运行空气压缩机/膨胀式发动机222，从而通过排出海水而以空气（通过空气管路224）填充水下容器218。然后，当期望附加电能时，可使用容器218中的空气压力，从而与产生电能相反地驱动空气压缩机/膨胀式发动机222。例如，空气压缩机/膨胀式发动机222可能在非高峰时间段以空气填充容器218，并且可在峰值时间段通过经压缩的空气向空气压缩机/膨胀式发动机222提供动力。
因此，公开的风力系统提供一种产生风能量的有用手段。特别地，可使用公开的风力系统，从而通过将公开的风力系统定位在空气流中以实现带轮的旋转并且将该至少一个带轮的旋转转化为电能而产生电能。
虽然已示出并描述了公开的风力系统的不同方面，但是通过阅读说明，本领域技术人员应明白更改。本申请包括该更改并且仅由权利要求的范围限定。

Claims (12)

1.一种风力系统10，包括：
第一带轮30；
第二带轮32，所述第二带轮32与所述第一带轮30间隔隔开；
连续循环结构34，所述连续循环结构34接合所述第一和所述第二带轮30、32；
多个翼片38，所述多个翼片38被连接至所述连续循环结构34，其中所述多个翼片38从所述连续循环结构34向外延伸；以及
整流装置40，所述整流装置40被定为成将空气流引导至所述多个翼片38。
2.根据权利要求1所述的风力系统，其中所述连续循环结构34包括第一缆索50，所述第一缆索50邻近所述翼片38的前缘60被连接至所述多个翼片38中的每个。
3.根据权利要求2所述的风力系统，其中所述连续循环结构34包括第二缆索51，所述第二缆索51邻近所述翼片38的后缘62被连接至所述多个翼片38中的每个。
4.根据权利要求3所述的风力系统，其中所述连续循环结构34包括多根管子52，所述多根管子52被套在所述第一和第二缆索50、51中每个之上。
5.根据权利要求4所述的风力系统，其中所述连续循环结构34包括多个板56，其中所述多个板56中的每个都被连接至被套在所述第一缆索50上的所述管子52中的至少一个以及被套在所述第二缆索51上的所述管子52中的至少一个。
6.根据权利要求4所述的风力系统，其中所述连续循环结构34包括多个接口球件54，并且其中被套在所述第一缆索50上的所述多根管子52中的每根管子都通过所述多个接口球件54中的至少一个而与所述管子52中的邻近管子间隔隔开。
7.根据权利要求1所述的风力系统，其中所述多个翼片38中的每个都包括至少一个仓室。
8.根据权利要求1-7任一项所述的风力系统，其中所述多个翼片38中的每个都包括前缘60和根部部分64，所述根部部分64被连接至所述连续循环结构34，以便所述前缘60相对于所述根部部分64以非零角度从所述连续循环结构34向外延伸。
9.根据权利要求1-8任一项所述的风力系统，还包括被耦合至所述第一和所述第二带轮30、32中至少一个的发电机。
10.根据权利要求1-8任一项所述的风力系统，还包括被气动耦合至空气罐的空气压缩机/膨胀式发动机222。
11.根据权利要求10所述的风力系统，还包括与所述空气罐流体连通的发电机。
12.一种产生电能的方法，包括以下步骤：
提供一种风力系统，所述风力系统包括第一带轮30、与所述第一带轮30间隔隔开的第二带轮32、与所述第一和所述第二带轮30、32接合的连续循环结构34以及连接至所述连续循环结构34的多个翼片38，其中所述多个翼片38中的每个都从所述连续循环结构34辐射状向外；
将所述风力系统10定位在空气流中，以便所述多个翼片38响应所述空气流产生升力，其中所述升力影响所述连续循环结构34相对于所述第一和所述第二带轮30、32的运动以及所述第一和所述第二带轮30、32的对应旋转；以及
将所述第一和所述第二带轮30、32中的至少一个的所述旋转转化为所述电能。
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