CN102906421A - 可变部分风壁 - Google Patents

Abstract

一种风力发电系统，其包含：附接到支撑塔的风轮机；及风偏转器，其可相对于空气流的方向而展开且经配置以控制流经所述风轮机的转子叶片的至少一部分空气流的移动，以减小所述风轮机的组件上的风力负载，同时维持空气流在操作发电范围内。

Description

可变部分风壁

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2011年5月25日申请的序列号为61/348,159的美国临时专利的优先权及利益，所述临时专利出于所有目的而以引用的方式完全并入本文中。

技术领域

本发明涉及关于或源起于控制叶片表面到风、空气压力及/或空气移动的曝露以产生能量的装置、过程、方法及系统。

背景技术

发明内容

一般熟悉风力发电技术者大致上应理解，下文的术语具有普通含义，其可包含下列意思或可由以下提供的意思补充。

用于本文中时，“风(Wind)”指气流。

用于本文中时，“风力机(Windmill)”指响应于风或受控的空气移动而围绕轴(垂直、水平或复合)而旋转的结构。

用于本文中时，“叶片(Blade)”指可由风或移动的气流移位的延伸元件。

用于本文中时，“枢轴(Pivot)”指将一(或若干)个叶片以可移动方式支撑于基座或支撑件上的定位器或系统。

将部分地在下文的描述及附图中陈述本发明的其它特征及优点，其中本发明的实施方案经描述及显示，且所属领域的技术人员在结合附图而检视下文描述之后可部分地理解或可通过实践本发明而学习。可通过在本发明及任何附加技术方案中所特别指出的机构及组合而认识且获得本发明的优点。

附图说明

图1为具有可延伸壁部件或结构的水平轴风轮机(HAWT)的部分前视图的示范性实施方案。

图2A为可延伸壁部件或结构的前视图。

图2B到2C为例如图2A中所示的可延伸壁部件沿线A-A及B-B而剖开的横截面剖面的一些实例。

图3A为可延伸壁部件的前视图。

图3B为图3A的沿线A-A的剖面图。

图4为具有可延伸壁部件或结构的水平轴风轮机(HAWT)的示范性实施方案的部分侧视图。

图5为具有可延伸壁部件或结构的水平轴风轮机(HAWT)的示范性实施方案的部分前视图。

图6A到6D为具有部分壁部件或结构的垂直轴风轮机(VAWT)的示范性实施方案的前视图及剖面图。

应理解，为了阐述的简明扼要，图中所示的元件不一定按照实际比例绘制。例如，为了简洁起见，所述元件中的一些的尺寸相对于彼此而放大。此外，在合适的情形下，在多个图中重复相同的参考数字来指示对应的元件。

具体实施方式

图中的所有表示法及文字以引用的方式在此全数并入本文中。

风能转换系统包含至少三个主要子系统：空气动力系统(例如，转子叶片及类似物)、机械传动系统(例如，齿轮、轴承及类似物)，及发电系统。所述风能转换系统的物理配置在自然发生的气流或“风”中产生不对称力以控制空气移动。受控制的空气移动造成所述物理配置(包含但不限于，流动导向结构及收集器)旋转、振荡或平移，因此提供机械能，从所述机械能可产生电力。在一些情形下，可产生物理条件，例如，压力梯度或温度梯度，以控制所述空气移动且产生提供机械能的运动。如果机械能由机器直接用于(例如)泵送水、切割木材或研磨石块，则所述机器大致上被称为风力机。如果相反地，所述机械能被转换成电力，则所述机器大致上被称为风力发电机或风轮机。

风轮机大致上基于轮机的旋转轴的定向而分为两类：1)水平轴风轮机(“HAWT”)及2)垂直轴风轮机(“VAWT”)。常规的用于发电的HAWT大致上具有多达五个或五个以上叶片，其经布置如同推进器，安装到水平转子或驱动轴杆，而所述水平转子或驱动轴杆则附接到驱动发电机的齿轮箱。出于安全的目的，所述HAWT为安装于支撑塔上，所述支撑塔维持所述HAWT高于地面明显距离，且最小化风流动的地面效应。所述齿轮箱通常用于逐步加速驱动所述发电机的速率，但一些设计可直接驱动环状发电机。一些轮机以恒定速率操作；然而，可通过使用可变速率轮机及固态电力转换器来使所述轮机与发电机介接而收集更多的能量。

常规的VAWT具有若干叶片，其安装到垂直延伸的转子或驱动轴杆且大致上用于其中风恒定地偏移方向的区域，因为所述叶片无须旋转来迎风。所述VAWT一般在风力小的区域中发挥功能，因为其需要较低的风速来开始发电。

图1显示风能转换系统、风截获器、发电设备或另外的可再生能量装置及系统100。在一个实施例中，风能转换系统100包含水平轴风轮机或HAWT，其包括被容纳于舱中的驱动或电源单元150。驱动或电源单元150包含用于支撑旋转的叶片110、转动发电机(未图示)来提供电力以及在许多情形下允许将叶片110制动或锁住(例如，在转子叶片旋转需要减缓或停止的情况下)的组件。此类驱动结构还常常具有横摇控制器，以提供驱动单元150围绕主支撑结构200的移动。转子叶片110大致上设定成多个，其具有2个或2个以上围绕驱动或电源单元150成平衡关系的经隔开的叶片。容纳于所述舱内的驱动或电源单元150的组件可包含轴杆、齿轮、皮带、磁铁、线圈、电子板、电路、控制器及类似物。这些组件图中未详示，因为其为一般所属领域的技术人员众所周知。叶片110旋动或枢转会造成发电机的驱动轴杆在所述驱动单元内转动，以产生电力。轮毂300(一般在操作期间迎风)常常附接于叶片110的共同连接点的上方，以改善所述连接点处的空气动力学。

不同的风力机组件额定于某些速率限制。当风力机以超过额定值的速率旋动或旋转时，叶片110、发电机、驱动单元150的轴杆及其它组件或支撑结构200可能由于接着可发生的应力、振动及其它力而受损。

施加到叶片110的总风力为风向量的总和，风向量在本发明的下文中将详尽描述且在本发明的示范性实施方案中阐明及描述。向量总和可受控制。流向轮机叶片的风类似于流向任何翼面的风。横跨所述叶片的差压产生叶片的有用移动。当风改变方向而使得流动不再垂直于叶片时，仅风的部分分量产生有用的能量。其余的能量在叶片上产生弯曲应力。此类应力对所述叶片的结构性材料造成损害且最终使所述结构性材料失效。极强的风也是包含可变方向的较强阵风的风，且这是轮机关闭的正常原因，因为风造成的损害应力超过了所述叶片的设计限度。本文所揭示的实施例拦截风且通过将穿过叶片的部分风导回而抵于叶片而减少所述叶片所经历的气流。经导向回到所述叶片的风力的分量稳定所述叶片且平滑掉风方向变化的可变性，从而减小损害的风分量。

可延伸、可充气或可机械式展开的壁部件或结构(其也被称为壁部件或结构或者部分壁部件或结构)经展开且定位于叶片110的后方，以克服风向量。部分风壁(PWW)可少到一个部件且多到实际上可放置于所述舱的周围的数目。如图1中所示，所述PWW可对称地放置于所述叶片的旋转轴周围，例如PWW 500、510、520及530。所述PWW可与每个另一PWW相对地延伸180度。所述PWW还可不对称地放置于一位置处而不是与另一PWW相对地成180度。PWW在前平面中的宽度可大体上均匀，例如PWW 500及PWW 510。对于例如均包含锥体的PWW 520及PWW 530，则PWW的宽度可能不均匀。

在一个实施例中，所述PWW的展开是通过使所述PWW充气而完成。在超过所述轮机叶片110的设计容量的风速下，过量电能的一部分可用于驱动例如空气压缩机。所述空气压缩机使所述风壁装置的结构的至少一部分充气，以增加其位于所述叶片的作用扫过表面后方的大小。充气继续直到所述叶片附近的风速回到对于所述叶片来说安全的水平。如果风降低到低于最大可允许值，则所述空气压缩机可关闭，且抵于风壁的自然空气压力开始压塌所述壁。以此方式，风壁的展开的范围由所述风轮机叶片附近的风速控制。空气压缩机及充气的使用是可与所述叶片上的损害风的程度或缺失直接相关的机构的一个实例。还可采用具有直接驱动器或液压系统的辅助马达。所述PWW还可使用套叠式部件或通过使所述PWW围绕定位于所述PWW的基座端的机械接合件枢转而展开。

测量风速、振动或指示需要减小叶片110的旋动速率的任何其它变量的传感器400可位于支撑件200上或其附近。已显示所述PWW结构位于舱的周围且相对于风向定位于叶片110后方。可延伸臂(PWW)可经由充气、液压、风压力、机械方式或流体而展开。所属领域的技术人员将认识到，气球类型的结构可由各种气体或液体流体填充，以提供延伸性且控制刚性。适于此种可展开PWW结构的材料包含但不限于，聚酯树酯(Mylar)、层压箔及塑料、橡胶、橡胶化箔、凯夫拉尔(Kevlar)、具有由成形纤维(例如布，其单独使用或连同作为结合材料的聚合物树脂一起使用)组成的多层的复合物。材料的主要本质在于，其用作流体障壁且在充气后便提供某种程度的可选择的刚性。

图2A到2C中显示可用于构造所述PWW部件的配置的方面。在一些情形下，PWW部件600(如图2A中所图解，图中显示其侧到侧宽度大致均匀)还可具有非均匀宽度。图2A到2C中的均匀性的指示并不意在限制。图中显示PWW部件600的实例的其它方面具有重叠的横截面部分。在远端601或基座端601′的附近指示横截面。在此实例中，所述基座端最靠近所述舱。在图2B中，将PWW 600的靠近远端601的横截面剖面602与最靠近基座端601′的横截面剖面603作比较。虽然图中显示侧到侧宽度大体上均匀，但在一些情形下，需要变动前到后侧宽度，其中横截面剖面602的从PWW 600的前侧604到PWW 600的后侧605的距离“d1”小于横截面剖面603的从前侧604到后侧605的距离“d2”。

图2C中显示PWW 600靠近远端601的变体的横截面剖面606与较靠近基座端601′的横截面剖面作比较。在此实施方案中，较靠近远端601的第一区包含一系列流体腔室607及607′，其经形成具有中央接缝或肋件608。所述腔室经流体地连接到所述PWW的靠近基座端601′的第二区609。第一区“d3”的横截面剖面重叠到第二区609的横截面剖面上，如图2C中所示。第一区的面对叶片110的背侧的剖面是至少两个辐射式部分，其经成形而调制、引导经偏转的风且另一方面改变经偏转的风。

本发明中的任何叙述均不意在将PWW限制为具有大体上光滑及或均匀的形状及表面。

图3A到3B中显示可用于构造一或多个PWW部件的配置的方面。图3A中显示PWW部件700的侧到侧宽度大体上均匀。此图解中的均匀性的指示并不意在为限制。图3B中显示PWW部件700的实例，其具有在平分所述PWW的A-A处切割的横截面。PWW 700具有外区段710，其在至少三个侧上围绕内部720。所属领域的技术人员将认识到，本发明的范围包含在所有四个侧上围绕的内区段720。所属领域的技术人员将进一步理解，内区段720可为一系列两个或两个以上分散的内部，其各自由外部710围绕。

图3B中显示PWW 700的剖面图，所述PWW的背侧730(远离所述叶片)可为光滑的或者其可具有其它肋状特征(未图示)，其与支撑经充气的PWW一致。内区段720的剖面图显示其剖面，其具有一系列不平行的参差部。所述参差部还可为弯曲、凹陷部、肋件、突起和此类物。内区段720剖面面对所述叶片的背侧且可为不平行的，以调制、引导经偏转的风且另一方面改变经偏转的风。

图4显示风能转换系统、风截获器、发电设备或另外可再生能量装置及系统800的侧视图。在此实施方案中，所述系统为HAWT，其包括容纳于舱中的驱动器或电源单元150。驱动器或电源单元150包含用于支撑旋转的叶片110、转动发电机(未图示)来提供电力以及在许多情形下允许将叶片制动或锁住(在叶片旋转需要减缓或停止的情况下)的组件。此类驱动结构还常常具有横摇控制，以提供驱动单元150围绕主支撑结构200的移动。迎风的轮毂300常常被附接到叶片110的共同连接点的上方，以改善空气动力学。叶片110围绕轴杆旋动或枢转，从而使所述发电机在所述驱动单元内转动，进而产生电力。在此实施方案中，图中显示一个或一个以上可延伸可充气部件(EIM)500和充气泵在舱150周围位于套筒上舱(NOS)810中，套筒上舱(NOS)810可添加到现有的或新的舱。所述NOS还可形成为舱的一部分。所述可延伸PWW可经设计为在缩回时延伸所述叶片长度的任何希望的百分比，例如，延伸少于所述叶片长度的约15％且较优选小于所述叶片长度的约10％，且最优选所述PWW当缩回时不会延伸超过NOS 810。

图中显示可延伸PWW 500在第一位置820中延伸。PWW 500可沿箭头812的路径移动到第二位置825。所述PWW的充气速率、压力及结构的选择用于控制位置。第二位置将所述PWW的远尖端826定位于距叶片更远于当其位于第一位置820时。在系统800处导向的一些风穿过叶片110且到达所述PWW。在沿箭头1000的线到达所述PWW后，风可即刻沿例如箭头1002的线(当所述PWW位于第一位置中时)偏转。在沿箭头1000的线到达所述PWW后，风可即刻沿例如箭头1012的线(当所述PWW位于第二位置中时)偏转。在所述第一位置820处风1000偏转的向量与在第二位置825处风1000偏转的向量的比较显示所述PWW的成角度可用于引导风向量。风向量的此方向具有多个用途。方向的一个方面在于，位于类似于位置二(与位置一比较)的位置处的PWW长度可较短，但仍继续撞击与将位于位置一处的较长PWW相同量的叶片。此外，向量的总和界定撞击叶片110的实际风速。通过控制经偏转的风1002及1012，所述PWW可减小撞击叶片110的总风速，从而保持系统在标称操作参数内，即使在风超过此类参数时也是如此。风壁通过上述的方法展开，以始终提供叶片上的安全的操作风体系，且在风速低于轮机的操作的标称最大额定的风时不会干扰风的流动。

图5中显示风能转换系统、风截获器、发电设备或另外可再生能量装置及系统900的前视图。图中显示包括被容纳于舱中的驱动或电源单元150的HAWT。驱动或电源单元150包含用于支撑旋转的叶片110、转动发电机(未图示)来提供电力以及在许多情形下允许将叶片制动或锁住(在叶片旋转需要减缓或停止的情况下)的组件。迎风的轮毂300常常附接到叶片110的共同连接点的上方，以改善空气动力学。在此实施方案中，可延伸可充气部件(EIM)902围绕舱150而展开。所述EIM也是用于风碟904的支撑结构。指示风碟为圆形并非限制，且所属领域的技术人员将认识到，本发明适用于部分圆形，包含壁/挡墙的至少部分地由一个或一个以上EIM 902支撑的任何区。风碟无须为可充气的。风碟可为薄材料。风碟材料可为多孔的，以允许导向于所述风碟的某一百分比的风穿过。

图中显示风碟904具有同心区及区段。同心区及区段并非至关重要。同心区一906为距舱150最远的外区。在一些情形下，在不存在额外同心区时，同心区一906可足以解决风速问题。在距旋转轴不同长度处，影响叶片110的风速是不同的。较高的风速倾向于提供叶片110的较远部112附近处的叶片的提升形式。因此，相对于叶片位于一角度位置(参看图4的描述)的第一同心区段可使风朝向所述叶片的远部112偏转。

同心区二908较为接近所述舱。图中显示同心支撑肋件910位于区一906与区二908之间。区段912及914可由具有与风碟的其它部分不同特性的材料构造。区段可为较少孔、较多孔、刚性可较低或较高或者具有不同的曲率。所述类型的结构可针对轮机相对于其环境的位置来调适。例如，位于陡峭梯度的边缘上的轮机比位于陡峭梯度前部的轮机经历更多的从下方冲击在转子系统上的阵风。放置得更为接近在一起的轮机取决于放置而经历来自阵列中邻近的轮机的影响。元件的形状可用于解决此类特定问题，因为其导致来自一个方向的损害性阵风的主导。

图6A到6D中显示垂直轴风轮机(VAWT)950的视图，其可为风截获器装置、发电设备或可再生能量装置及系统。VAWT 950包括驱动或电源单元951。驱动或电源单元951包含用于围绕由中心柱960界定的垂直轴支撑垂直叶片952以转动提供电力的发电机(未图示)以及在许多情形下允许将叶片制动或锁住(在叶片旋转需要减缓或停止的情况下)的组件。图中显示所述VAWT位于主支撑结构200上，其在所述VAWT如果安装于屋顶或其它结构时可为任选的。

图中指示叶片952至少部分地位于顶部结构953与底部结构954之间，其中每一者可为环或碟。每个叶片的底端955与每个叶片的顶端956经固定。固定可允许叶片旋转或可使叶片表面不可相对于顶部结构953及底部结构954移动。所属领域的技术人员将认识到，存在着在所述VAWT中使用的多种叶片配置，其中一些具有移动叶片，另一些具有不可移动叶片。此外，在一些情形下，顶部结构953及底部结构954可省略，且所述叶片将在顶部和底部或通过中间支撑件(未图示)附接到中心柱960。至少一个(底部)轴承组合件962(其可为电源单元951内的发电机的部分(或可分开))插置于旋动的叶片与发电机之间。在一些情形下，额外或顶部轴承组合件963可放置于叶片与中心柱960之间。

风所施加力的总和1100(其撞击叶片952)可在其经由成形部分风壁锥体965而撞击叶片963的特定区段时减少，其中圆锥角使风1100的一部分偏转回1110叶片的后表面处。如图6B及6C所示的壁锥体965可具有变化的直径。例如，沿图6A的线A-A的锥体剖面的直径大于沿线C-C的锥体剖面的直径。变化的直径可经调整而提供具有一表面的壁锥体965，所述表面经成角度以使风在叶片处以预定方式偏转。如上参考部分风壁陈述的壁锥体可为可充气的或者可以机械方式或另外方式为实心的且保持展开。

此外，由于VAWT可能经受从底部结构954向上朝顶部结构953的恒定的风速(力)差，因此壁锥体可均衡分别施加到顶部结构953及底部结构954的风力，或至少大体上减小顶部与底部之间的力差，借此更均匀地分布施加到VAWT的负载。此减小了由于VAWT对轴承组合件施加离轴力矩(其对应于风差)而对轴承组件的磨损。在VAWT的正常高负载操作中，始终存在从冲击于轮机的一侧上的风施加到顶部轴承组合件963的应力。这些负载在高风速下损害性极大。由于所述壁锥体的展开通过提供逆风向(箭头1110)而减少来自所述冲击方向(箭头1100)的风，所以其减小所述顶部轴承上的负载(应力)。这可减少轮机的维护成本且寿命延长。

由于可在不脱离本文所述的本发明的范围的情况下对上述设备做出特定改变，所以希望包含于上述描述、如附图中所示的所有标的物应被理解为具有说明性意义而非限制性意义。

Claims (17)

1.一种减小垂直轴风轮机VAWT的轴承组合件上的负载的方法，所述垂直轴风轮机VAWT具有围绕垂直轴安置的叶片，所述叶片中的每一者具有顶部分及底部分，所述方法包括：

将成形壁锥体放置于所述垂直轴的一部分周围；及

使来自所述壁锥体的风朝向所述叶片偏转，借此所述偏转大体上减小所述叶片的所述顶部分与底部分之间的所施加风力差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述偏转减小所述VAWT的所述轴承组合件上的磨损，所述磨损归因于施加到所述轴承组合件的离轴力矩，所述力矩对应于不存在所述成形壁锥体的情况下的风力差。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述轴承组合件包含顶部轴承组合件及底部轴承组合件，且其中所述壁锥体经配置以通过提供逆风向而减小来自冲击方向的风的力，所述逆风向减小所述VAWT的所述顶部轴承组合件上的负载。

4.一种减小垂直轴风轮机VAWT的顶部轴承组合件上的负载的方法，所述垂直轴风轮机VAWT具有围绕垂直轴安置的叶片，所述方法包括：

将可展开壁锥体放置于所述垂直轴的一部分周围；

获取指示需要减小施加到所述叶片的一部分的力的传感器数据；

使用所述传感器数据来确定所述壁锥体的展开；及

将所述壁锥体展开在所述叶片后方，以减小施加在所述叶片的一部分上的负载力。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述壁锥体经配置以通过提供逆风向而减小来自冲击方向的风的力，所述逆风向减小所述顶部轴承组合件上的负载力。

6.一种风力发电系统，其包括：

风轮机，其具有至少一个叶片且附接到支撑塔；及

可展开壁部件，其耦合到所述风轮机，所述可展开壁部件可在第一位置与第二位置之间移动，在所述第一位置中所述可展开壁部件的远尖端位于相对于所述至少一个叶片的第一地点处，在所述第二位置中所述远尖端比在所述第一位置中更远离所述至少一个叶片。

7.根据权利要求6所述的风力发电系统，其中所述可展开壁部件包含可延伸可充气部件。

8.根据权利要求7所述的风力发电系统，其进一步包括舱，其中多个可延伸可充气部件对称地放置于所述舱的周围。

9.根据权利要求7所述的风力发电系统，其进一步包括舱，其中多个可延伸可充气部件不对称地放置于所述舱的周围。

10.根据权利要求6所述的风力发电系统，其中所述可展开壁部件具有两个或两个以上流体腔室，且其进一步包括舱，其中多个可延伸可充气部件对称地放置于所述舱的周围。

11.根据权利要求6所述的风力发电系统，其中所述可展开壁部件经由充气而延伸。

12.根据权利要求7所述的风力发电系统，其进一步包括风碟，所述风碟连接到所述可延伸可充气部件的延伸部分且由所述可延伸可充气部件的所述延伸部分展开。

13.一种风力发电系统，其包括：

舱；

风轮机，其具有至少一个叶片；

所述风轮机附接到支撑塔；及

至少一个可展开壁部件，其耦合到所述舱及所述风轮机中的至少一者，所述可展开壁部件可移动以当位于第一位置时使穿过所述风轮机的所述叶片的第一风向量沿第一路径偏转且当位于第二位置时使穿过所述风轮机的所述叶片的第二风向量沿第二路径偏转。

14.根据权利要求13所述的风力发电系统，其中所述第一路径及所述第二路径包括向量路径，所述向量路径包含被引向所述叶片的分量。

15.根据权利要求13所述的风力发电系统，其中所述可展开壁部件经由充气而延伸。

16.根据权利要求15所述的风力发电系统，其进一步包括风碟，所述风碟连接到所述可延伸可充气部件的延伸部分且由所述可延伸可充气部件的所述延伸部分展开。

17.一种缓冲风轮机的叶片上的高风力负载的方法，所述方法包括：

获取指示需要减小所述叶片的旋动速率的传感器数据；

使用所述传感器数据来确定部分风壁结构的展开；及

将部分风壁结构展开于所述叶片的后方，以减小所述叶片的所述旋动速率。

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