CN103443451A - 借助两个驱动叶片的系统从低速风能生成电能的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于从风能生成电能的系统，所述系统的特征在于，该设计利用小的气流且不需要大量的空气，就能生成电能或电力。该系统整合了基于垂直旋转轴概念的两种发电技术，实现了不依赖风向的运动。本发明结合了两种技术，即：一种基于拖曳力，适合于低速条件；另一种基于升力，适合高速工作。

Description

借助两个驱动叶片的系统从低速风能生成电能的系统

技术领域

本发明涉及风力发电系统，其中该系统的特征是，该系统利用小的气流且允许不需要大量的风，就能生成电力或电能。该系统整合了基于垂直旋转轴概念的两种发电技术，实现了不依赖风向的运动。一种所述的技术基于拖曳力，适合于低速条件；另一种基于升力，适合高速工作。

本发明的系统的气动翼是特定设计的，以便能够利用属于赤道国家的风力条件，在所述地理区域存在的这些风速下实现高效率。并且同样地，能够以这样的方式工作，增加跨越的有效面积，这进一步提高了系统的整个效率。此外，借助于将两个系统的运动分开的球轴承系统将两个系统整合到一起，保证以更加便利的方式利用高速气流。

背景技术

典型地，风力发电机按其大小和发电容量进行分类。大型风力发电机的转子直径超过45米，发电容量超过1MW；中型风力发电机的转子直径在12至45米之间，发电容量在40至999kW之间；小型风力发电机的转子直径在3至12米之间，发电容量在2至40kW之间；最后，微型风力发电机的转子直径小于3米，发电容量不超过2kW。

尽管世界范围内广泛应用大型和中型系统，但是要让这些系统能够充分运行，高风速条件是必需的，并且最好风向稳定。

在世界范围内，从安装的风能生成的电力的绝大部分从大型发电系统获得，最大的如被称为Enercom E-126的、额定发电能力超过6MW的系统的大型发电系统。

总的来说，所有的使用中的系统主要是在每个系统2MW的量级，如Vestas公司制造的V80-2.0MW涡轮机(Vestas风力系统A/S,2009-1)。遗憾的是，这些系统的绝大部分需要的风力条件远远超过在世界范围内的城镇地区或靠近赤道和山区所能得到的条件。这限制了例如在赤道国家使用的系统的风速条件，如Vestas公司提供的用于低风潜能的风力涡轮机，V100-1.8MW(Vestas风力系统A/S,2009-2)，其输入速度（切入风速）是4m/s，其生成的总功率低于200kW，尽管其跨区面积超过7800m²。

垂直轴风力发电机中，在好几种类型中，有两种比较突出：Savonius型风力发电机，其在每个叶片的两个面之间的差速拖曳原理下运行；及Darrieus型风力发电机，其具有通过升力提供转动扭矩的气动翼。前者适合在低风速条件或启动瞬间使用，但是，具有效率低下的问题；而后者需要更大的速度并且效率较高，因而限制了它们在一些国家和确定的地理区域使用。

对于小功率设备，可用的商业产品显著减少。例如，Enercom，世界顶级的风力发电机制造商之一，生产的输出功率330kW，876m²的涡轮机是其产品中的最小型号，名称为E-33，而Vestas已开发的V52-850kW(Vestas风力系统A/S,2009-3)，直径是52米，在不超过5m/s的风速下（切入风速4m/s）发电功率小于100kW。

因此，来自清洁能源，尤其是风能的发电所面临的最大问题之一是需要大量的风来实现最佳的电力生产。同样地，为了实现能量转换设备的运动，当前需要设备是大型的，便于进行小幅度运动实现电能转换。

因此，现有技术中存在大量的涉及风力发电机或发电系统的文献。其中一个是WO2009/092867文献，其公开了具有由一个单元形成的转子的风力发电机，其进一步包含一支承单元，其夹紧到围绕风力发电机的垂直轴的第一单元旋转的一第二支承单元。在该设备中，形成叶片的单元固定到另一支承单元，且发电机的定子也由支承单元支承。叶片形成包括具有相对固定位置的Savonius型叶片和Darrieus型总成的组合的单元。风力发电机生产的电能用于街道的外部照明系统。Darrieus型涡轮机叶片具有国家航空咨询委员会（National Advisory Committee for Aeronautics(NACA015)）型翼。

但是，该文献中要求保护的风力发电机的不足之处是，为了启动叶片运动，需要风向必须是特定的方向，这在每个季节和在所有国家是不现实的，主要是靠近赤道的那些国家，那里风非常小、风向变化频繁。因此，需要这样的设计，即风力发电机叶片用非常小的风能就可以运动，并且随着来自不同方向的风都可以启动它们的运动。

另一方面，GB2404227文献公开了一种具有绕具有类似梭（troposkein）状的长形叶片的纵向轴旋转的轴的涡轮机。结构的端部从轴以这样的方式补偿，叶片是螺旋状的，且垂直于轴的截面是空气动力学的。截面在靠近轴半径的内边缘和外边缘之间具有确定的边缘。涡轮机具有改进的特征，使其能够在高风速下有效工作。优选地，叶片可以具有泡沫的核心和由合成材料制成的外层。

尽管上述的风力发电机改进了在低风速下的效率，但是所述装置仅具有一个叶片设计系统，因而可以推断其能够在相对高的风速下工作，但在低速下不能工作，也就是仅限于安装在具有相对高风速的地理区域，但是在混合风速时不能工作，因而需要大的风流启动运动，才能开始生成电能。

此外，GB2451670文献涉及包含具有横切风流动方向的旋转轴的转子的风力发电机。该转子具有多个绕旋转轴设置的叶片。每个叶片具有气动翼，以这样的方式，每个叶片的外翼设置为从垂直平面到旋转轴成0°与90°之间的角。由于叶片的肋材型或凹型具有降低的拖曳并且具有更大的发电效率，涡轮机可以称为具有改良的性能的改进型Darrieus转子。

上述的文献所述的发明不具有在低风速下增加发电效率的内在叶片系统。考虑到其需要安装在高风速的地理区域，这限制了其使用范围和发电机的安装位置。

与本发明的技术相关的另一现有技术文献是国际申请WO2008/157174，其公开了一种风力发电机，其包含一组具有长形核心的长形叶片，交叉的外翼形成在一端具有半径的弯曲横截面，与弯曲的横截面相切的线性中间横截面，及与外部的弯曲横截面半径相比具有较小半径的弯曲的中间横截面。长形核心连同同样是长形的第二核心，在长形核心和第二核心之间形成螺旋结构。这种风力发电机中，穿过长形核心的横截面外形保持恒定，风力涡轮机是Savonius型涡轮机，且示出的螺旋形状保持了松弛的旋转，其不会将振动传递到涡轮机部件。

不同于上述的发电机，文献WO2008/157174公开的发明涉及一种在低风速下有效的系统，但在面临高速且装置不起作用时，不能产生良好的电能，这在一些地理区域几乎无法使用。

最后，JP2007092599文献公开了一种复合涡轮机，其具有一对安装在发动机的风入射面的Savonius型叶片。该设备还具有一对设置在Savonius型叶片之间的翼。Savonius型和翼型叶片轴向延伸。两种类型叶片的直径根据风吹过的部分的横截面而变化。这样的两种类型叶片的设置具有的优点是，能够在低风速下有效地启动旋转，将运动转换为能量，显示了在旋转开始时具有更高的效率。

考虑到上述信息，明显地，本技术领域需要设计和实施一种用于用风能发电的具有两种叶片系统的系统，以允许在低风速以及高风速下优化运行并改善系统的效率，从而能够安装在任何地理区域，尤其是靠近风速相对不足的赤道区域的国家。同样地，需要该系统允许甚至在风向频繁变化时也能优化运行和发电。

附图说明

参照附图将更好地理解本发明，附图示出组成要求保护的风力发电系统的每个元件。同样地，附图示出了赋予组成该系统的元件的附图标记。

图1是电力发电系统的透视图；

图2是支承电力发电系统的结构的侧视图；

图3是风力发电系统的底部，也就是从底部观察的图2的结构的详细视图。

具体实施方式

本发明涉及一种利用风能的电力发电系统（1），其主要包括以下部件或元件：

-基于拖曳力的第一内部使用系统（2），该系统设置在系统（1）的支承结构（5）的螺旋臂（52,53）的中心的轴（4）上；

-环绕第一内部系统（2）并与位于支承结构（5）的螺旋臂（52,53）的外部的对称气动翼相对应的第二外部使用系统（3）；

-端部连接到两个使用系统（2,3）所在的支承结构（5）的中心轴（4）；

-支承结构（5），其包含支持中心轴（4）和一对螺旋结构的锚固支承件（51），底部（52）和上部（53），其每一个至少有三个臂；

-包含飞轮或是棘轮轴（61）的底部支承件（6），其作为球轴承，允许使用系统（2,3）围绕着中心轴（4）旋转；

-位于底部支承件（6）下方的轴向负载传送系统（7），其具有轴（71）和多个臂（72），轴（71）与飞轮（61）和中心轴（4）设置在一起，多个臂（72）允许均匀分配支承结构（5）生成的负载或重量；以及

-朝向叶片底部设置的，与风力发电机轴直接连接的发电系统（8）。发电机的构造（感应，永磁体等）直接取决于安装位置的具体风速条件。

风力发电系统（1）基于两个驱动系统设计。第一个系统是基于拖曳力的内部使用系统（1），位于风力发电机（1）的中心部分，具体如图1所示。几何形状呈螺旋状，允许与每个叶片的两个面（21，22）之间的拖曳差异关联的扭矩最大化，同时减少负扭矩区域，从而允许组成垂直轴系统的部分的任何振动最小化，当它们旋转时涉及外翼的风向的攻角变化最小化，并在中心轴（4）传递恒定的中间扭矩曲线，便于发电机（1）的运行。同样地，负扭矩区域消失，消除了与零扭矩点关联的停滞点。

位于风力发电机（1）的外侧的外部使用系统（3），如图1所示，与对称气动翼对应，选择为在靠近赤道或多山条件的国家中的普通风速下运行。组成系统（3）的每个叶片的延伸尺寸直接取决于风速，因而选择为便于在甚至具有显著的风向角时传送有效的扭矩。

与内部系统相反（2），外部系统（3）在升力原理下工作，在风和系统（3）之间以更大的相对速度增加传递的功率。上述第二外翼或是外部系统（3）基于三叶片设计，能够使得暴露的区域最大化，且在会影响运行的不同外翼之间不会产生相互作用。因为具有内部系统或外翼（2），外翼（3）的垂直范围（3）是螺旋形的，从而将扭矩的恒定曲线传递到中心轴（4）。

第一系统或外翼（2）以及第二系统或外翼（3）的相对直径具有不同的尺寸，且满足不同的目的，例如：获得最大的有效跨区面积，使得内部外翼（2）和外部外翼（3）之间的相互作用最小，以及作为相似的角速度的函数在两个外翼（2,3）之间获得正向合力。

两个外翼（2,3）通过支承结构（5）支持，具体如图2所示。该结构（5）由固定到表面的锚固支承件（51）组成，因此尺寸和具体的外部元件可以根据安装位置进行变更。结构（5）还具有一对具有至少三个底臂（52）和至少三个顶臂（53）的螺旋结构，用于支承外部螺旋翼（3）。顶臂（53）的主要功能是传送耦合点，并对扭曲提供结构支承，但不支承重要的轴向负载。与这些元件的重量关联的轴向负载因而通过由更小长度的第三组臂（521）加固的底臂（52）支承，从而保证对扭转阻力的抵抗。

底臂（52）组的下方安装的是飞轮系统（61）（参见图3），其功能是当风速强劲或第二外翼（3）的旋转速度超过第一内翼（2）时，使得内气动翼（2）的运动从外翼（3）运动中脱离，便于发电系统（1）更有效地运行。上述是由于阵风的更大的能量密度，机制是内翼（2）不显示任何足够的行为，在拖曳系统条件下，而外翼（3）或升翼呈现足够的行为。

进一步地，为了确保飞轮（61）的正确运行，需要考虑到这些设备的类型并未设计成支承高的轴向负载。因此，图3示出包含轴（71）和多个臂（72）的轴向负载传送系统（7），轴（71）与飞轮（61）连接，多个臂（72）允许分配结构（5）及整个系统生成的负载或重量。使用该负载系统（7），轴向负载朝向特别设计为支承这些类型的负载的轴承元件传送，允许飞轮（61）有效运行，并减少该元件的维护和更换成本。

最后，图3也示出了上、下风力发电机（1）截面之间的耦合系统。该任务通过使用中心翼内侧的钻孔轴实现，位于第一中心发电系统（2）内部，其允许风力发电机的每个截面足以将扭矩朝向发电系统传送。在所述图中，示出结构（5）的底部，示出完整的轴负载传送系统（7）以及中心轴（4），其除了确保主要结构（5）的弯曲强度外，还允许正确传送来自内部拖曳翼（2）的正常运行产生的高扭矩。

实施例1

表1显示了本发明的发电系统（1）与在现有技术中能够找到的更加通用的风力发电机的效率之间的比较。重要的是这些系统绝大多数设计为在明显大于8-10m/s的风速下工作。

因此，通过上述表格可以清楚看到，本发明的风力发电机（1）在单元地区中具有与其它系统所提供的发电水平相当的水平，当考虑到如雅各布风力系统（Jacobs Wind Systems）的模式需要的跨度面积和风速显著大于本发明所需，它们正确操作时，本发明提供的发电水平更高。

此外，有必要再指出绝大多数现有技术中可用的具有建设性和功能性的特征的其它型号，生成相对于风速的陡峭的负载曲线。相反地，本发明通过包括双空气动力系统，生成的功率快速增加，在速度稍高于如传统系统的普通速度时，没有减损。具体如表1所示。

Claims (8)

1.一种风力发电系统（1），其特征在于，包含：

-基于拖曳力的第一内部使用系统（2），该系统设置在系统（1）的支承结构（5）的螺旋臂（52,53）的中心的轴（4）上；

-环绕第一内部系统（2）并与位于支承结构（5）的螺旋臂（52,53）的外部的对称气动翼相对应的第二外部使用系统（3）；

-端部连接到两个使用系统（2,3）所在的支承结构（5）的中心轴（4）；

-支承结构（5），其包含支持中心轴（4）和一对螺旋结构的锚固支承件（51），底部（52）和上部（53）；

-包含飞轮或是棘轮轴（61的底部支承件（6），其作为球轴承，从而允许使用系统（2,3）围绕着中心轴（4）旋转；

-位于底部支承件（6）下方的轴向负载传送系统（7）；以及

-朝向叶片底部设置的，与风力发电机轴直接连接的发电系统（8）。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，内部使用系统（2）包含两个面（21，22）。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，外部系统（3）基于三叶片设计，其垂直步进是螺旋形的，以实现向中心轴（4）的扭矩的恒定曲线。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，支承结构（5）具有下螺旋结构（52）和上螺旋结构（53），其每一个包含至少三个臂。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，下臂（52）由长度小于其长度的第三组臂（521）加固，以便于确保抗扭曲强度。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，轴向负载传送系统（7）包括轴（71）和多个臂（72），允许分配由结构（5）产生的负载或重量。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，轴（71）与飞轮（61）以及中心轴（4）连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，风力发电机（1）的上、下截面通过钻孔轴连接至中心翼内部，位于第一中心发电系统（2）内部。

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