CN103597207A

CN103597207A - 混合水压能量积累风力涡轮机及方法

Info

Publication number: CN103597207A
Application number: CN201180071449.1A
Authority: CN
Inventors: 卡门·乔治·卡门诺夫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2031-06-06
Also published as: CN103597207B; WO2012169991A1

Abstract

一种混合水压能量累积风力涡轮机塔组件用来直接推动水泵以便将水从低海拔蓄水池升高到其中它用作势能的高海拔蓄水池。风塔组件包括：风力涡轮机，其具有带有转子的推进器；发电机，其由转子驱动；以及偏航组件，其附接到具有基座的塔。该塔包括被配置用于储存水的塔内储存蓄水池。塔内储存蓄水池可以由附接到塔的内表面或外表面的下水储存容器和上水储存容器限定，这些容器可以连接到其他的相邻蓄水池。风力涡轮机可以为竖直或水平轴线类型，并且可以安装到居住或商业建筑物内部。提升的水用来利用水力发电机发电。

Description

混合水压能量积累风力涡轮机及方法

PCT申请人：卡门·乔治·卡门诺夫

2470富尔顿街第5号

美国加州旧金山94118

相关申请的交叉引用

美国专利申请No.12/384797，提交日期：2009年4月8日

技术领域

本发明总体上涉及用于发电的替代性能量生成风力涡轮机领域，更具体而言，涉及混合式水压能量积累风力涡轮机塔，其被修改用于存储水作为势能以供立即或者以后用作电能以及通过电网传输。上面的公开阐明了本发明的若干实施例。未精确阐明的其他布置或实施例可以在本发明的教导下以及如下面的权利要求书中所阐明的那样实施。

背景技术

天然能量以诸如风力、太阳能、潮汐和波能之类的各种不同的形式在全世界可用。风力涡轮机已经用于产生电力，尽管这样的用途典型地限于少量直流（DC）电的产生。

常规的用于产生电的能源的供应在不断减少，这使得在更大程度上利用天然形式的能量成为必要。天然形式的能量实际上是取之不尽的，并且典型地以不同的形式在全世界可用。

风力发电的第一台机器于1890年在丹麦设计和建造。随后，在该国家建造了数百台机器。

在美国，风力机器在农村地区一直到二十世纪三十年代都广泛用来发电，向农民们提供电力，在那个时候，美国国会颁布了农村电气化法案，该法案有效地使乡村电气化。

在1931年，在（前）苏联，建造了第一台相对较大的100千瓦容量的风力涡轮机。

在1941年，在美国，设计和建造了1250千瓦的风力机器。在开始运行之后不久，主轴承和叶片发生故障。由于第二次世界大战的原因，该机器从来没有被修复，并且它随后被拆卸。

如今，在一些国家广泛使用了用于产生电的风力涡轮机。在2007年，德国是产生风能方面的领先国家，其后是美国：

1.德国-22.248MW，2.美国-16.818MW，3.西班牙-15.145MW，4.印度-8.000MW，5.中国-6.050MW。

在2008年，领先的德国公司Enercon开始安装具有6兆瓦（MW）功率的世界最大的风力涡轮机EnerconE-26，所述功率足以向4500个家庭供电。E-26的转子的直径为126米。动力舱（吊舱）的重量为75吨。塔几乎200米高。为了对比，埃菲尔铁塔为300米高。

目前，世界上大多数现代机器都是水平轴线风力涡轮机（HAWT）类型；只有不足10%为竖直轴线（VAWT）类型。

风力涡轮机通过使用使轴（shaft）旋转的转子将风的动能转换成机械功率。该轴连接到将机械功率转换成电的发电机。

除了塔和基座之外，水平轴线类型机器还包括：

-叶片，其由用纤维玻璃加固的铝构成。它们具有现在对于2-3MW生产机器达到8cm的大的复式横断面。

-叶毂，其将叶片连接到低速轴。该叶毂将转子叶片产生的转矩传递至轴。

-节距控制组件，其用于使叶毂中的叶片倾斜以便将它们适当地调节到所谓的风的“攻角”。这意味着叶片组件的面向风的总表面面积改变。当风弱时，表面变得更大。当风强时，每个叶片在其底座上转动并且总表面面积变得更小以降低风压力以便叶片组件以恒定速度旋转。

-制动器，其被设计成在狂风的情况下使旋转的主轴停止。通常为盘式制动器，类似于汽车中的制动器。

-变速箱，其将轴的高转矩低速运动转换成适合发电机的要求的低转矩高速运动。轴平均以大约12-22rpm旋转，而发电机要求近似1800rpm。

-发电机，其功能是将轴转矩转换成电。

-动力舱，其由容纳所有上述元件的舱室构成。在现代涡轮机中，动力舱经常具有校车的尺寸或者更大。动力舱位于诸如钢管或混凝土塔或者网格塔之类的塔的顶部。目前，存在使用更高的塔的趋势，因为风能典型地随着高度呈指数增加。

-偏航组件，其功能是支撑塔顶部的动力舱内部的整个机器组件并且允许其旋转以便随风调整。

这显然说明了利用风力涡轮机将风能直接转换成电涉及精心设计的装备并且要求高的初始成本。

现有技术：

随着储存能量的需求的增加，在1979年，Hanley获得一项发明专利，其中风能用来产生电，电用来利用水电厂将水从坝的下游提升至上游。提升的水作为势能而被储存。一旦需要，水就用来发电。

他的发明解决了将风能储存作为水的势能的问题。然而，它具有将风能转换成水力的缺点。因此，假设Hanley发明的技术可行，其涉及精心设计的装备并且要求高的初始成本。

在使得海上风力发电设施更加可靠的努力中，西门子能源公司现在正在测试一种在没有变速箱的情况下工作的新类型的风力涡轮机。该新的单元的主要益处在于其更简化的设计，该设计需要更少的机器部件，并且因此将导致更低的维护成本和更高水平的可靠性。这对于其中涡轮机故障总是非常昂贵的海上设施尤其重要。

没有变速箱的第一台风力涡轮机于2008年在丹麦西部建立。该涡轮机具有3.6兆瓦（MW）的输出。具有107米的转子直径。

该项目处于研究阶段两年了并且将使得西门子能源公司能够确定没有变速箱的单元是否能够与常规型号竞争，以及如果这样的话，处于哪些性能类别。没有变速箱的风力涡轮机通常比常规单元更重并且生产也更昂贵。

没有变速箱的单元被改为装备有由所谓的永磁体激励的同步发电机。它们直接将转子的运动转换成电能。丹麦的两个发电机每一个都增加大致2500千牛顿-米的转矩。通过比较，用于汽车的强大的电力驱动系统具有远小于1千牛顿-米的转矩。

现有技术的缺陷：

风能的优点是，它是可再生的、无污染的和免费的。

风能的缺点是，它是削弱的、不可预测的，并且要求高的初始成本。当不刮风时，风力产生装备闲置并且不存在电。风能仅在风在特定风速范围内刮起时才可用，即涡轮机在低于最小速度的风速（也称为速率）下不能运行，并且在最大速度以上的风速下不能安全地运行。典型地，最小速度为7-8km/h，并且最大速度为60km/h。因此，风能仅仅断续地可用。此外，风力取决于位置，因为它在世界的许多地区仅仅是季节性的。

当前使用的风力涡轮机的主要缺点是：

-每个风力涡轮机具有其自身的发电装备、与塔顶部的AC发电机联接的变速箱。电气装备非常沉重而昂贵，并且因此初始成本非常高。用于当代风力涡轮机的变速箱是非常庞大、沉重而昂贵的机械装置。它们存在另外两个问题。目前，它们的市场需求太高并且它们的可用性不足。制造能力滞后于需求大约2年。并且由于所述变速箱和发电机庞大而沉重，因而难于将它们提升至今天的高的风力涡轮机塔的顶部。再者，由于其重量和尺寸的原因，塔的构造必须非常坚固。本发明的另一个目的是在一些特定的实施例中一起消除这些缺点。

-每个风力涡轮机具有其自身的节距控制组件。一些较小的涡轮机没有所述组件。它们具有所谓的固定节距风力涡轮机转子。固定节距风力涡轮机转子是相对于可控叶片节距风力涡轮机转子在较低成本下的简化。然而，固定节距转子更难于启动，因为用于高效运行的叶片节距不同于用于良好启动的叶片节距。一种提出的将风力涡轮机转子带至运行速度的解决方案是在启动期间使用其自身的发电机作为发动机。固定节距涡轮机转子被设计成在狂风下失速以便限制转子转矩并且不损坏发电机。本发明消除了节距控制组件。

-所述机器太大、高而笨重。例如，在大的5MW涡轮机上，即使借助于碳纤维加固，单单叶片就可能超过18吨。叶片直径现在达到超过120米。单单发电机就可能超过55吨。

-高的塔和高达65米长的叶片难于运输。运输现在可能花费装备成本的20%。

-在水平轴线风力涡轮机（HAWT）中，发电装备安装在塔的顶部。当今的塔非常高，这使得安装困难并且有时在偏远和高海拔位置是不可能的，因为没有适合大型起重机到达那里以交付和安装重型装备的道路。然而，高海拔由于那里连续的狂风的原因而对于收集风能是最好的。除了安装的问题之外，在大的塔顶部上的运行和维护是困难的。叶片也在阵风期间遭受高的振动并且经常弯曲或者断裂。所有这些都缩短了装备的寿命。

-大多数HAWT使用逆风设计，转子在塔的前面面向风。顺风式变型在叶片穿过塔的风影时遭受由湍流造成的疲劳和结构故障。

-由风车产生的电必须立即消耗掉。通常，风在夜晚刮得更凛冽，夜晚对于电的需求最低。这对于其电网与风车连接的公用事业公司产生运营问题。

-当不刮风时，整个系统不工作，并且不产生电。

发明内容

在本发明中，与现有技术的主要区别是使用水箱蓄水池作为用于储存能量的压力容器。这在与使用标准风力涡轮机相比时导致节省成本和能量的若干优点。同时，这些蓄水池中的水可以在干旱期用于灌溉和其他需求。

本发明的一个目的是通过将风力涡轮机与水泵直接耦合而降低将风能转换成电的成本，所述水泵将水从较低海拔处提升至较高海拔处，在该处水作为势能而被储存。

本发明的另一个目的是利用所有的风力潜能，弱的和强的以及更偏远的和高位置的地区。

本发明的另一个目的是利用任何类型的风车，不管是竖直轴线的或者水平轴线的。

本发明的另一个目的是以经济的方式驾驭风能并且改进风力涡轮机的生产率和成本效益。

本发明的另一个目的是利用与标准的当前风力发电机相比不那么昂贵的水泵发电的优点。

本发明的另一个目的是具有一种混合风力涡轮机发电系统，其借助于涡轮机将风能转换成水动力能量以直接驱动发电机，从而避免对于变速箱的需求。

本发明的另一个目的是在本发明的一些实施例中由于部件的数量减少和尺寸减小以及因而对于保护和维护这些部件的需求降低，消除了作为塔的不必要的附加物的动力舱的使用。

本发明的另一个目的是由于较小和较少部件的原因，允许尤其是在偏远位置实现系统的轻松而快速的安装。

本发明的另一个目的是提供一种具有以这样的方式将水作为势能储存的能力的系统，该方式使得所述水可以循环并且返回到系统中以便再次产生用于电网的电。

本发明的另一个目的是提供一种这样的系统，该系统引导内部产生的初级风电以运行水泵，该水泵将低海拔的水提升为高海拔的水，从而将它转换成势能以便产生准备用于电网或者用于私人用途的次级电。

本发明的另一个目的是提供一种选择，供具有被顺风定向的叶片组件的HAWT参与加固以便保护这些叶片不会弯曲和断裂。

本发明的另一个目的是建造具有更少和更小部件的风力涡轮机，其可以在无需大型起重机的情况下容易地安装在偏远位置。

总的说来，本发明的又一个目的是管理风能以适应于对于电消耗的需求。

本发明的另外的目的将随着描述的进行而显现。

为了实现上面的和有关的目的，本发明可以以附图中图示的形式实施，请注意以下事实：附图仅仅是示意性的并且可以在所附权利要求书的范围内在图示和描述的特定构造中做出改变。

本发明的其他目的和优点根据以下结合附图的描述将变得清楚明白，其中通过图示和实例公开了本发明的实施例。

附图说明

图1A示意性地示出了本发明的利用水平轴线风力涡轮机的混合发电系统。

图1B与图1A相同，只是缺少变速箱7。

图1C和图1D为本发明混合发电系统的没有动力舱的一些实施例的实例。

图1E示意性地图示出本发明的混合发电系统，其中大的下蓄水池置于地下、主塔下方或附近。

图2A示意性地示出了本发明的利用竖直轴线风力涡轮机的混合发电系统。

图2B与图2A相同，只是缺少变速箱7。

图3A示意性地示出了本发明的利用水平轴线风力涡轮机的混合发电系统，该系统具有直接的转子-泵机械连接以便利用差动式变速箱进行运动传递，其中所述变速箱的两个轴形成90度角度。

图3B示意性地示出了本发明的利用竖直轴线风力涡轮机的混合发电系统，该系统具有直接的转子-泵机械连接并且没有利用任何变速箱。一切与图3A中相同，只是缺少变速箱19和动力舱10。

图4示意性地示出了本发明图1的利用水平轴线风力涡轮机的混合发电系统，水平轴线风力涡轮机经由若干导管连接到水储存塔，所述水储存塔在顶部具有大的蓄水池。

图5A示意性地示出了内部具有浮球的漏斗状阀门，所述浮球在低水位期间用于在容器12内部的水位上升的情况下关闭阀门。

图5B示意性地示出了内部具有浮球的漏斗状阀门，所述浮球在高水位期间关闭所述阀门。

图6A示意性地示出了内部具有浮动漏斗状设备的漏斗状阀门，所述浮动漏斗状设备在低水位期间用于在容器12内部的水位上升的情况下关闭阀门。

图6B示意性地示出了内部具有浮动漏斗状设备的漏斗状阀门，所述浮动漏斗状设备在高水位期间关闭所述阀门。

图7A示出了与图3A中相同的风力涡轮机。唯一的区别在于，水泵22现在较低地置于蓄水池11内部或附近并且轴20向下延伸以直接与所述泵连接。

图7B以竖直轴线风力涡轮机为特征。别的一切都与图7A中相同。

图8A和图8B示出了建筑物28，在该建筑物内安装了本发明的使用（特别地图7B的）竖直轴线叶片组件的系统。在图8A上，在透明视图中示出了该建筑物以便我们看见该建筑物内部的本发明的系统。

图9A示出了具有叶片加固支撑杆29a、29b和29c的水平轴线风力涡轮机的转子组件4。

图9B示出了具有图9A的支撑杆的叶片组件的侧视图。

图9C示出了具有双侧支撑杆的叶片组件的侧视图。

图9D示出了图9B或图9C的扩展的转子组件4，其具有在外侧的附加杆31a、31b和31c，所述杆由刚性硬质材料或者相等尺寸的钢缆制成，在其一端成角度地且固定地附接到每一个叶片或者附接到图9B或图9C的杆并且在其另一端附接到所述风力涡轮机的转子轴。

图9E示出了图9B或图9C的扩展的转子组件4，其具有在内侧的附加杆31a、31b和31c，所述杆由刚性硬质材料或者相等尺寸的钢缆制成，在其一端成角度地且固定地附接到每一个叶片或者附接到图9B或图9C的杆并且在其另一端附接到所述风力涡轮机的转子轴。

图9F示出了图9B或图9C的扩展的转子组件4，其具有附加杆31d、31e和31f（未示出）和在外侧的附加杆31a、31b和31c，所述杆由刚性硬质材料或者相等尺寸的钢缆制成，在其一端成角度地且固定地附接到每一个叶片或者附接到图9B或图9C的杆并且在其另一端附接到所述风力涡轮机的转子轴。

图9G示出了叶片加固支撑，其中代替杆的是，该支撑由轮形式的一个连续圆形件32组成。

图10图示出在没有起重机的情况下建造风力涡轮机的方法。

图11A和图11B图示出相邻地放置和固定地附接并且由至少两个风力涡轮机塔支撑的附加的大型水储存塔组件23和24。

图12图示出主风力涡轮机塔1内部的所有元件，这些元件改为位于内部且围绕附加的大型水储存塔组件23并且利用导线电连接到主风力涡轮机。

图13A和图13B图示出具有上面的蓄水池12的塔1，该蓄水池延伸到外部并且围绕该塔。

具体实施方式

这里提供优选实施例的详细描述。然而，应当理解的是，本发明可以以各种不同的形式实施。因此，这里公开的特定细节不应当被解释为限制性的，而是相反地作为权利要求的基础以及作为代表性基础用于教导本领域技术人员在几乎任何适当地详细说明的系统、结构或方式中采用本发明。

本发明针对风力涡轮机塔或者塔系统，其被配置用于将水储存在位于塔结构本身内和/或挨着它的水容器中，并且用于使用储存的水的势能发电。简言之，现代公用事业规模的风力涡轮机塔系统的塔典型地为具有圆形截面的金属或水泥结构，所述结构除了支撑动力舱之外，还适于依照本发明储存水。为了实现这个功能，塔被修改为在塔内或者它附近提供两个或更多水容器以及在必要时利用附加的材料加固塔结构。此外，本发明将水和电支撑装备建造为邻近风力涡轮机以便通过将该装备连接到风力涡轮机功率转换器而提高效率。这种布置避免了与许多包括多个功率转换的现有发电设计关联的损耗和低效。

本系统的一个优点在于，可以消除对于节距控制组件的需要。节距控制组件对于风力涡轮机转子来说又是昂贵且沉重的附加物。本发明优选地使用固定节距风力涡轮机转子。固定节距风力涡轮机转子提供了相对于可控叶片节距风力涡轮机转子的在较低成本下的简化。固定节距涡轮机转子被设计成在狂风下停转以便限制转子转矩。因此，发电机必须能够吸收转子可以产生的最大功率输出。转子反过来必须具有在负载从其处移除的情况下不严重超速的能力。本发明通过不断地循环水而做到这一点。因此，在某种意义上，负载可能永远不会从转子移除。

本发明的一个甚至更加重要的优点在于，它产生更多的功率，因为可以驾驭任何风，不管是弱风还是强风。风以可变速度吹动，有时是阵风，而由风力涡轮机提供动力的发电机必须以恒定速度旋转，因为生成的AC电流必须具有恒定的频率。这要求风力涡轮机的叶片自动地调节，以便以恒定的速度旋转。这通过节距控制组件完成。但是，节距控制并不完成期望它所完成的所有工作。利用常规的风力涡轮机，当风弱时，涡轮机不工作，因为需要具有最小启动风速。当风太强，处于最大风速时，涡轮机必须停止，因为它会使叶片弯曲或者折断，或者它会以更高的旋转转动发电机，这将使其不能输送电网公用系统所需的50-60Hz的AC功率。

本发明中优先使用固定节距风力涡轮机不仅仅因为它更廉价，而是主要因为它可以驾驭更多的风能。与在所有条件下以相同速度持续转动的具有节距受控叶片的转子相反的是，这种类型的转子在狂风期间更快速地转动。这意味着节距受控叶片在狂风期间错失大量的可能驾驭的能量。当速度加倍时，风的能量加倍。固定节距转子捕获可能在低速与高速之间多次加倍的该能量。本系统然后保存该能量以供以后使用。

节距控制转子错失所有该动作。它可以在狂风期间持续转动并且它产生它在努力工作的错觉，但是实际上它在捕获相同量的能量，因为它以与低风速下的速度相同的速度旋转。仅仅通过观看它而看不见的大多数风能从叶片之间丢失。

当与使用标准风力涡轮机相比时，使用水容器作为储存能量的压力容器导致成本和能量的节省。修改塔以储存水而增加的成本远远小于提供单独的水压装备（例如水坝）。能量节省了，因为典型的塔提供的容积如此大，以致大量的水体可以以较低的花费临时储存以供以后使用并且可以被连续地循环。

通过参照图1A和图1B讨论一种用于在风力涡轮机塔内储存水的系统，开始下面的描述。该系统还包括用于通过使用储存的水来发电和用于分配产生的电的特征。然后，描述参照其余附图继续，这些附图更具体地讨论依照本发明配置的风力涡轮机塔系统，示出用于修改塔以用于储存以及利用储存的水的各种不同的技术。最后，参照图4A、图7A和图7B以及图8A和图8B，详细地描述了一种设计、制造和运行具有塔内和建筑内水储存装置和附加的塔的风力涡轮机塔系统的方法，所述附加的塔具有连接到主风力涡轮机的水储存蓄水池。末了，在图9系列中，示出了固定叶片组件所需的加固。

参照图1A，可以认识到本发明的基本构思以及操作方法。图1A示出了一种风力涡轮机组件，其包括牢固地附接到底座2的竖直排列的塔1。在塔1的顶部，存在叶片部分，其包括多个附接到叶毂4的涡轮机叶片3。该组件，叶片和叶毂一起，称为转子。对于本发明而言，所述转子优选地为固定节距转子。存在容纳第一轴6的动力舱5，该轴将来自叶片转子叶毂4的低速高转矩动力传输至变速箱7。变速箱7基本上为传动装置，其将来自所述第一轴6的动力转换到第二轴8，并且将轴8的现在的高速低转矩的旋转传递至主发电机9。低速输入轴6的平均速度可以从12rpm变化到60rpm，但是AC发电机产生电所需的速度介于1200-3600rpm之间。因此，，高速输出轴8根据风力条件和发电机要求以大约这么多的旋转进行转动。

如果发电机9为DC发电机，那么上面的比例可能不同。DC发电机可以在任何速度下产生电。出于我们的目的，DC发电机是优选的，但是由于市场上已经存在如此多的其中合并了AC发电机并且该AC发电机准备好使用的风力涡轮机系统，因而AC发电机是可接受的并且可以适用在本发明的系统中。

如果整个系统从头开始建造，那么出于经济的目的，发电机9应当为DC发电机。原因在于，DC发电机可以在低速和高速轴旋转下产生电，因此它可以利用弱风和狂风工作。出于相同的原因，它无需节距控制并且它可以利用固定节距叶片工作。这允许减小变速箱7的尺寸或者甚至如图1B中所示完全去除它。

在10处，偏航组件允许动力舱水平旋转以便随风调整。偏航组件由告诉它向哪个方向转动以及转动多少的电子控制箱（未示出）控制。控制箱从风力计和风向标（未示出）获得其数据。风力计测量风速并且风向标测量风向。

在11处，示出了下水箱蓄水池。该蓄水池可以在塔的内部、挨着塔、在塔的周围或者地下。在12处，示出了上水箱蓄水池（因为它更小，我们将称其为容器）。该容器储存水作为势能。当刮风时，主发电机9产生电，其经由电导线（未示出）转动电动机13。电动机13同轴联接到泵14，泵14从蓄水池11汲取水并且通过导管15将其输送至上水箱12。所述水然后在压力下经由导管16穿过水力涡轮机17的推进器，导管16在下端具有喷嘴（未示出）。下落的水于是将其势能释放成旋转涡轮机轴的动能。涡轮机17转动AC发电机18的与其同轴连接的辅助轴，该AC发电机于是产生用于电网或者用于私人用途的电。在利用其动能之后，水继续运动并且它被收回到下蓄水池11中，准备重复使用。

在本发明中，由于叶片可能固定地附接到叶毂，因而它们可以被设置为在较低的风速下开始转动涡轮机并且然后在高速下持续转动它而不必使它停止。非常高的风速将更快速地转动转子，并且反过来它将输送更多的初级电以供系统的内部使用，这于是将更快速地转动泵14并且使上水容器12充溢。然而，溢出的水将在未被使用的情况下返回并且收回到下蓄水池11中。同时，涡轮机17和相邻的第二发电机18上的压力将保持恒定，因而在任何时间将产生相同频率的电，而不管风速如何。转子不必停止旋转。

因此，通过利用本发明，与常规风力涡轮机相比，将实现更长的工作时数。由于本系统的扩大的工作陆地区域的原因，还可以实现在更偏远或更高的位置安装这样的涡轮机。例如，一些地方风力不够当代风力涡轮机使用，其他地方则风力太大。其他地方位于高海拔处。

参照附图中的图1C和图1D，示出了依照本发明的竖直轴线风力涡轮机，由于与标准风力涡轮机相比，部件的数量更少且尺寸更小，因而移除了主塔顶部的动力舱。这可以应用于本发明的所有实施例。

参照附图中的图1E，示出了依照本发明的竖直轴线风力涡轮机，其中主蓄水池11置于地下、风塔下方或者附近。这可以应用于本发明的所有实施例。

参照附图中的图2A和图2B，示出了依照本发明的竖直轴线风力涡轮机。除了叶片和竖直轴之外，该实施例中的其他一切都与图1A和图1B中相同。该实施例中的转子组件的轴是竖直的并且它连接到变速箱7的轴6（图2A）或者直接连接到发电机9的轴8（图2B）。在该实施例中，变速箱7（图2A）和发电机9也竖直地置于塔体内部。在图2B的实施例中，消除了变速箱7并且无需偏航组件。

参照附图中的图3A，示出了依照本发明的水平轴线风力涡轮机。在该实施例中，一切都与图1A中相同，只是缺少塔组件1顶部的变速箱7和发电机9，并且缺少连接到下蓄水池11的水泵14和发动机13。作为替代，来自叶片组件的轴6经由差动式变速箱21将其水平旋转变换成轴20的竖直旋转。在这种类型的变速箱中，两个轴6和20形成90度角度。轴20穿过偏航组件20的中间。所述轴20然后将其旋转直接传输至水泵22。水泵22经由诸如管道或软管之类的导管15连接到下蓄水池11。当刮风时，叶片组件的旋转直接地、机械地传输至泵22，泵22然后经由所述导管15泵送来自下蓄水池11的水并且将它输送至上容器12中。该实施例的所有其他操作与针对图1A的实施例所描述的相同。

在图3B中，示出了依照本发明的竖直轴线风力涡轮机的一个实施例。在该实施例中，一切都与图3A中相同，只是叶片是竖直的并且转子是竖直的。消除了差动式变速箱21和偏航组件10，因为无需它们。涡轮机具有竖直轴线6，其联接到轴20。所述轴20直接转动水泵22。该实施例的其余操作与图3A的相同。

参照附图中的图4，呈现了风力涡轮机的不同构思。在这里，接着先前的图的基本构思，存在具有抬高的大型蓄水池24和基座25的水储存塔23。蓄水池24的体积是容器12的体积的许多倍，但是小于蓄水池11。蓄水池24将水作为势能储存以用于存在弱风或者没有风的时间。

图4中的实施例如下工作：当刮风并且涡轮机的转子转动时，电传输线将来自发电机9的电输送至发动机13。所述发动机转动水泵14，该水泵泵送来自下蓄水池11的水并且经由导管15和15a将其存放到容器12中。当水达到其在容器12中的最大预定水平时，它提升浮球28a或者类似的构件并且关闭导管15a的末端阀门28。水然后经由导管15b继续进入蓄水池24。阀门28不断地打开和关闭，原因在于由于所述水被用来运行水轮机17，之后被排放回蓄水池11中以供重新使用，因此所述容器12中的水位不断地上升和下降。当水位下降时，阀门28打开并且更多的水进入容器12内部，这再次升高水位并且关闭阀门。

当风强时，泵14获得足够的动力以泵送来自容器11的水，这些水足以将容器12填充至高达关闭阀门28的水平。这意味着没有更多的水进入容器12，并且水继续沿导管15b向上到达蓄水池24以供储存和以后使用。

当容器12中的水位再次为低时，来自蓄水池24的水离开所述蓄水池并且经由导管26输送回到容器12中。水进入导管26所经过的蓄水池24底部的开口26a的水平总是高于容器12中的允许的预定最大水位。在导管26进入容器12所在的另一端处存在漏斗状阀门附接件27。在所述阀门附接件27内部存在浮球27a（图5A和图5B）或者浮动漏斗状设备27b（图6A和图6B）以用于关闭所述阀门以便在必要时防止来自导管26的水流入所述容器中。

当水从蓄水池24排入容器12中并且所述容器中的水位升高时，水提升浮球27a或者漏斗状设备27b，其然后关闭阀门27并且没有更多的水可以进入所述容器12中。这自动地将所述容器内部的水量保持在相同的水平，这意味着水轮机17上的压力总是相同的。所述阀门27不断地打开和关闭以便保持水位相当一致。因此，所述水轮机17以相同的速度旋转，并且总是通过发电机18输送用于电网的一致的AC电流，而不管蓄水池24中的水压如何。

在没有风并且风力涡轮机的转子组件不转动的时间，AC发电机18仍然将输送电力用于公用事业电网，直到蓄水池24变空为止。

另一方面，当夜晚对于电力的需求为低，但是有风时，与公用电网的连接可以关断。这意味着水轮机17将停止旋转，将没有水向下通过导管16，并且容器12将快速地装满。这将首先关闭阀门27并且然后关闭阀门28，阀门28放置得比阀门27更高。关闭阀门28将防止水从蓄水池24排入容器12中。由于可用的风的原因，转子4的叶片组件将保持转动。然后，泵14将持续经由导管15泵送来自蓄水池11的水，该导管分成15a和15b。但是，阀门27已经关闭15a，因此，水将仅仅经由15b继续向上至大型蓄水池24以供储存。因此，系统将累积作为势能的水以供以后使用。

如果风太强，那么水可能溢出大型蓄水池24。在那种情况下，过多的水将在未被使用的情况下经由溢出导管29返回到主蓄水池11。

在图5A和图5B以及图6A和图6B中，在上面和下面示出了漏斗状阀门27（28是相同的）和位于内部的浮球27a或者浮动漏斗状设备27b。当水位为高时，水提升浮球27a或者浮动漏斗状设备27b并且它们关闭阀门。当水位为低时，它们下降并且打开阀门。它们通过阀门底部的网格附接件27c而被防止逃离阀门。然而，所述网格附接件27c允许水自由地进入和离开所述阀门。

在图7A中，风力涡轮机与图3A中的相同。唯一的区别在于，水泵22现在置于低处，位于蓄水池11内部或附近并且轴20向下延伸以直接与所述泵连接。这种布置的优点在于，当所述泵22在下面时，它不将其振动直接传递至塔。缺点是轴20太长。

图7B以竖直轴线风力涡轮机为特征。其他一切都与图7A中的相同。

图8A和图8B示出了利用本发明的系统的建筑物28。在图8A中，所述建筑物28是透明的，并且我们可以看见安装在内部的本发明的系统。特别地，给出了图7B的竖直轴线风力涡轮机的实施例，但是可以利用本发明的任何实施例。在建筑物的顶部，存在具有叶片3、叶毂4和轴20的竖直轴线推进器。所有这些形成转子，该转子在有风时经由所述轴20将其旋转传递至泵22。所述泵将来自下面的蓄水池11的水提升到上容器12中。所述水然后沿着导管16行进并且通过转动水轮机17，发电机18产生供建筑物消耗的电。如果存在过量的电，那么可以将它输送回公用电网。因此，具有这样的系统的建筑物在其自身的电力消耗方面可以变得部分地或者完全地自足，并且甚至可以产生供外部使用的电。

在建筑物中间或者中间层以上，代替容器12的是，一个或多个楼层可以用作水容器。目前，一些高层建筑物使用一个或多个中间楼层作为水容器以便在地震的情况下实现更好的稳定性。据测试，在地震的情况下，容纳这样的水箱的中间楼层吸收地震的振动，并且其之后的建筑显得更强。在本发明中，中间或顶部楼层内部的的水可以用于这两个目的。同时，这样的具有水容器的楼层可以连接到洒水器并且可以在火灾的情况下有用。

图9A示出了具有叶片加固支撑附接件29a、29b和29c的水平轴线风力涡轮机的转子组件4以及塔1。这些叶片加固支撑元件包括由诸如塑料、木材或金属之类的刚性硬质材料制成的相等尺寸的杆。它们可以是在每一端具有用于将它们螺栓连接到叶片的孔30a、30b和30c的扁平、圆形或方形管。支撑杆利用经过叶片的螺栓经由正好在叶片的轴线中间的孔固定地附接到叶片。所有孔应当确切地处于每个叶片上的相同地点，使得叶片组件均匀平衡。如果必要的话，支撑杆可以附接到叶片的两侧并且利用相同的螺栓紧固。叶片加固在强烈阵风的情况下是必要的，以便支撑叶片并且保护它们不会弯曲、折断或者散架。本发明的叶片将偶尔以高于正常的速度转动，并且如果它们未被加固和适当地平衡，那么整个组件可能开始晃动并且然后从塔处裂开。这就是为什么极其重要的是这些加固杆为等尺寸并且它们精确地附接在每个叶片的轴线中间。然而，这种类型的支撑只能安装在固定叶片转子上，因为一旦它们被安装，所述叶片不能像节距控制转子组件的叶片那样绕枢轴转动。

图9B示出了具有图9A的支撑杆的叶片组件的侧视图。

图9C示出了具有双侧支撑杆的叶片组件的侧视图。

图9D示出了图9B或图9C的扩展的转子组件4，具有在外侧的附加杆31a、31b和31c，所述杆由刚性硬质材料或者相等尺寸的钢缆制成，在其一端成角度地且固定地附接到每一个叶片或者附接到图9B或图9C的杆并且在其另一端附接到所述风力涡轮机的转子轴。在强风期间，本风力涡轮机的固定叶片可能经受这种的使得它们弯曲或折断的压力。这些成角度附接元件理应支承叶片，给予它们附加的强度和支撑。

图9G示出了叶片加固支撑件，其中代替杆的是，该支撑件由轮形式的一个或多个同心圆形件32组成。这些轮状元件可以安装在叶片的两侧。

图10示意性地示出了一种在不使用起重机的情况下建造和安装风力涡轮机的部件的方法。在建立塔之后，不同的部件由于其更小的尺寸的原因而可以通过塔的内部安装。在塔的顶部建造临时的网格构造33，并且利用金属绳或缆线将像图片上的发电机9那样的不同部件捆扎起来并且提升到顶部。在安装了所有部件之后，可以移除临时的构造。该方法允许实现风力涡轮机的更加经济的构造，因为消除了对于起重机或者其他提升装备的需求。它将降低建造风力涡轮机的总成本。它也将允许实现在获取大型起重机受限或者不可能的偏远位置构造涡轮机。

Claims

1.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

塔，其附接到底座；

偏航组件，其安装在所述塔的顶部上；

变速箱，其包括：从所述变速箱的一侧延伸的低速高转矩轴；以及从所述变速箱的另一侧延伸的高速低转矩轴；

风力涡轮机组件，其包括附接到转子叶毂的多个涡轮机叶片；所述转子叶毂同轴地连接到所述低速高转矩轴；

主发电机，其连接到所述高速低转矩轴；

电动机，其同轴地连接到水泵；其中由所述主发电机产生的电驱动该电动机和所述水泵并且直接对电池组储存组件充电；

下蓄水池，其置于所述底座处；

所述水泵经由导管连接到所述下蓄水池，将来自所述下蓄水池水提升并且将该水输送至位于所述塔的中间或者高达大约3/4处的较小抬高水容器中；

水轮机，其通过来自所述较小抬高容器的水的运动动力旋转，其中所述水向下穿过所述抬高容器底部的另一个导管；

辅助发电机，其同轴地连接到所述水轮机的轴，将所述轴的动力转换成电流；所述水在撞击所述水轮机的推进器之后被排放回所述下蓄水池中；以及排水管道，其将从所述较小抬高水容器溢出的水引导回所述下蓄水池中。

2.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

塔，其附接到底座；

偏航组件，其安装在所述塔的顶部上；

风力涡轮机组件，其包括附接到转子叶毂的多个涡轮机叶片；

主发电机，其中所述转子叶毂的轴直接耦合到该主发电机；

下蓄水池，其置于所述底座处；

所述水泵经由导管连接到所述下蓄水池，将来自所述下蓄水池的水提升并且将该水输送至所述塔的中间或者高达大约3/4处的较小抬高水容器中；

3.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

塔，其附接到底座；

风力涡轮机组件，其包括多个涡轮机叶片并且被同轴地连接到所述低速高转矩轴；

主发电机，其连接到所述高速低转矩轴；

其中所述风力涡轮机组件、所述变速箱和所述主发电机被竖直定向；

下蓄水池，其置于所述底座处；

所述水泵经由导管连接到所述下面的蓄水池，提升来自所述下面的蓄水池的水并且将其输送至塔的中间或者高达大约3/4处的更小的抬高的水容器中；

4.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

塔，其附接到底座；

风力涡轮机组件，其包括多个涡轮机叶片；

主发电机，其中所述风力涡轮机组件的轴直接耦合到所述主发电机；

下蓄水池，其置于所述底座处；

5.根据权利要求1所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括商业或居住建筑物。

6.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

塔，其附接到底座；

偏航组件，其安装在所述塔的顶部上；

变速箱，其包括：从所述变速箱的一侧延伸的低速高转矩水平轴；以及从所述变速箱的另一侧延伸的竖直轴；

其中所述转子叶毂直接耦合到所述低速高转矩水平轴；

水泵；其中所述低速高转矩水平轴和所述竖直轴形成90度角度，并且所述竖直轴穿过所述偏航组件并且被直接机械地联接到水泵的轴；

下蓄水池，其置于所述底座处；

7.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

塔，其附接到底座；

竖直轴线风力涡轮机组件，其包括附接到具有竖直转子轴的转子叶毂的多个涡轮机叶片；

水泵；其中所述竖直转子轴直接耦合到所述水泵的轴；

下蓄水池，其置于所述底座处；

8.根据权利要求6所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括商业或居住建筑物。

9.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

塔，其附接到底座；

偏航组件，其安装在所述塔的顶部上；

主发电机，其连接到所述高速低转矩轴；

下蓄水池，其置于所述底座处；

辅助发电机，其同轴地连接到所述水轮机的轴，将所述轴的动力转换成电流；所述水在撞击所述水轮机的推进器之后被排放回所述下蓄水池中；以及排水管道，其将从所述较小抬高水容器溢出的水引导回所述下蓄水池中；以及

至少一个水储存塔组件，其被定位成挨着所述塔；以及至少一个水储存塔，其在顶部具有大型蓄水池，该蓄水池用于保存经由所述导管和所述水泵从所述下蓄水池输送到该蓄水池的水；来自顶部的所述大型蓄水池的所述水在其自身压力下经由导管输送至所述较小抬高水容器中；排水管道，其将从所述大型蓄水池溢出的水引导回所述下蓄水池中。

10.根据权利要求2所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括商业或居住建筑物。

11.根据权利要求3所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括商业或居住建筑物。

12.根据权利要求4所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括商业或居住建筑物。

13.根据权利要求7所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括商业或居住建筑物。

14.一种组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

固定叶片组件，其具有加固和支撑附接元件；

多个相等尺寸的杆；

所述杆由刚性硬质材料制成并且在每一端被固定地附接到一个叶片或者被固定地附接到所述叶片的两侧。

15.根据权利要求14所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，包括：

具有延伸的转子轴的固定叶片组件；

多个相等尺寸的附加金属缆线或杆；

所述缆线或杆由诸如金属或纤维的强硬质材料制成；

所述缆线或杆的一端成角度且固定地附接到一个叶片并且另一端附接到所述延伸的转子轴。

16.根据权利要求14所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中：

所述加固支撑附接件由为环形形式的一个或多个圆形件组成；

所述件由环形形式的刚性硬质材料制成，被固定地且同心地附接到所述固定叶片组件。

17.根据权利要求9所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中：

附加的大型水储存塔组件23和24相邻地放置和固定地附接并且由至少两个风力涡轮机塔支撑。

18.根据权利要求9所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中：

主风力涡轮机塔1内部的所有元件改为位于所述附加的大型水储存塔组件23内部和周围；

所述元件经由电导线连接到所述主风力涡轮机组件。

19.根据权利要求1所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括延伸到所述塔外部和周围的上蓄水池12。

20.根据权利要求2所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括延伸到所述塔外部和周围的上蓄水池12。

21.根据权利要求3所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括延伸到塔外部和周围的上蓄水池12。

22.根据权利要求4所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括延伸到塔外部和周围的上蓄水池12。

23.根据权利要求6所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括延伸到塔外部和周围的上蓄水池12。

24.根据权利要求7所述的组合的混合水压能量累积和风力涡轮机塔组件，其中所述塔包括延伸到所述塔外部和周围的上蓄水池12。