CN104040167B - 利用可再生资源进行能量生产的系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用可再生资源进行能量生产的系统，包括：支承结构，该支承结构包括第一和第二杆(11)，使竖向轴线风动机(10)定位在所述杆中的每一根杆上；所述第一和第二杆中的每根杆都包括在其顶点处定位的连接元件(29)，该连接元件具有用于第一缆索(24)的第一基座、和用于第二缆索(25)的第二基座；所述第一缆索和所述第二缆索相互垂直地定位；所述第一和第二缆索的端部固定至地面；所述第一和第二杆(11)均借助于铰链(13)锚定到固定进入地面中的支柱(12)上；所述风动机(10)具有用以实现在所述杆上的安装的纵向中心通孔、以及下部和上部锁定环(9)，该下部和上部锁定环与轴承(18)相关联，以使所述风动机能够转动。

Description

利用可再生资源进行能量生产的系统
技术领域
本发明涉及一种利用可再生资源进行能量生产的系统。
背景技术
通常被视为可再生能源(即，其当前使用不损害它们的将来可得到性的那些资源)的有：水电能、太阳能、风能、海洋能及地热能。
最常用的资源是太阳能和风能。
光电设备是电气系统，该电气系统利用太阳能通过光电效应来生产电能。
太阳跟随器是以电子方式控制的机械装置，该装置将光电面板、热太阳面板或太阳光聚集器相对于太阳的光线有利地定向。
风力设备利用竖向或水平轴线的涡轮机将风的动能转换成电能。
为了实现有价值的电能生产，上述设备必须具有可观的尺寸。
这意味着需要牢固的支架和非常大的基础，因为系统必须能够耐受不利的气候条件，并且特别是必须耐受风力。结果是：巨大的结构重量、可观的基础尺寸、以及需要时间和专业化劳动的安装。
此外，如果这样的设备定位在农用地面上，则会对于在地面上作业施加相当的约束条件，导致对于这样的作业造成干扰和妨碍。
文献WO2010103378述及一种由系带网支承的太阳能收集系统。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种利用可再生资源进行能量生产的系统，这种系统实现下方陆地的完全可接近性。
本发明的另一个目的是提供一种利用可再生资源进行能量生产的系统，这种系统具有容易建造的支承结构。
本发明的另一个目的是提供一种系统，这种系统安装和除去简单。
又一个目的是提供一种模块式结构。
这些和另一些目的根据本发明由一种利用可再生资源进行能量生产的系统而实现，这种系统包括：支承结构，该支承结构包括第一杆和第二杆，该第一杆和第二杆沿竖向定位；定位在所述第一杆上的竖向轴线风动机、和定位在所述第二杆上的竖向轴线风动机；所述第一杆和所述第二杆中的每根杆都包括在其顶点处定位的连接元件；所述连接元件包括下部部分，该下部部分将被固定到所述第一杆上，并且将被固定到所述第二杆上；所述连接元件包括中间部分和上部部分；用于第一缆索的第一基座，所述第一基座定位在所述下部部分与所述中间部分之间；用于第二缆索的第二基座，所述第二基座定位在所述中间部分与所述上部部分之间；所述第一缆索和所述第二缆索相互垂直地定位；所述第一缆索的端部以及所述第二缆索的端部由固定进入地面中的支柱固定至地面；所述第一杆和所述第二杆中的每根杆都借助于铰链锚定到固定进入地面中的支柱上；所述风动机具有纵向中心通孔，用以实现在所述第一杆上和在所述第二杆上的安装；所述风动机包括用于所述风动机的下部第一锁定环、和用于所述风动机的上部第二锁定环；与所述第一环以及所述第二环相关联以使所述风动机能够转动的相应轴承。
本发明的另一些特性在从属权利要求中描述。
借助于本发明，可以在农用地面上建造大型设备，同时保持地面适用于其主要耕种目的。
在这方面，风动机(发电机)可被定位在离地面一定高度处，然而不使用要求的承载结构。该解决方案使用约5-6m高的非常细的杆，这些细杆由系带保持就位。杆和系带联接到其上的基础缩减成混凝土支柱，为农作物留下最大的可能空间。
按这种方式，支柱排形成在地面上，具有约4.5m的通过空隙。这保证为了农用车辆的环行对于下方陆地的完全接近，或者如果这种结构建造在道路上，保证对于使用道路的车辆的良好通过。
风动机通常是逐个杆地分别固定至地面。相反，本申请人已经认识到，通过使用用于几根杆的共用固定系统，可以实现轻量化，并且能避免必需的巨大基础(所述必需的巨大基础干扰下方农作物)。
另外，在一个有利实施例中，太阳能设备的结构也协同地用来定位风动机。
附图说明
本发明的特性和优点由其一个实施例的随后详细描述将更为显明，该实施例作为非限制性例子在附图中示出，在这些附图中：
图1表示按照本发明的一种利用可再生资源进行能量生产的系统，这种系统具有两个元件；
图2表示按照本发明的一种利用可再生资源进行能量生产的系统，这种系统具有两个元件；
图3表示按照本发明的一种结构，这种结构用来将支承杆和系带固定至地面；
图4表示按照本发明的安装在支承杆上的风动机(windgenerator)的前视图；
图5表示按照本发明的安装在支承杆上的风动机的立体图；
图6表示按照本发明的风动机的半凸缘；
图7表示按照本发明的系统的缆索连接系统的细节的分解图；
图8表示按照本发明的系统的可滑动伸缩接头的细节的分解图；
图9表示组合式风力和太阳能生产系统；
图10表示穿过涡轮机固定系统的截面；
图11表示穿过涡轮机固定系统的截面，包括发电机(electricalgenerator)；
图12表示用来将风力杆固定到支承杆上的系统。
具体实施方式
参照附图，按照本发明的一种利用可再生资源进行能量生产的系统包括多台风动机10，这些风动机10特别是竖向轴线的，由伸张结构支承。
每台风动机10由约10-12cm直径的铁支承杆11支承，其具有3-4mm的厚度。
支承杆11由系带网保持就位。
支承杆11和系带优选地由支柱12固定到地面中，这些支柱12埋在地面中。支柱12包括长度为2-3m并且直径为约30cm的混凝土管，该混凝土管楔入地面中。
支承杆11由在它们的基部处定位的联接点13固定到支柱12上。
基础有利地包括楔入地面中的支柱12、或在现场形成的微型桩，即大体在地面中在一定深度处形成的混凝土栓桩。
支柱12在其顶部设有联接点13，该联接点13包括带钻孔的竖向板14。支承杆11在它们的基部处的末端优选地是两块间隔开的带钻孔的竖向板15，这两块间隔开的带钻孔的竖向板15与板14配合。板14插入到板15中。
销16穿过板14和15的相互面对的孔插入，以使支承杆11能够绕与支承杆11的轴线相平行的轴线转动。联接点13所以形成铰链。
每台风动机10包括竖向轴线的涡轮机17，该竖向轴线的涡轮机17例如是Savonius型的，与支承杆11同轴地定位。涡轮机17例如是2m高，并且具有1m的直径。
涡轮机17具有用来安装在支承杆11上的中心纵向通孔。
在一个端部处，它也包括发电机19。
为了将涡轮机17固定到支承杆11上，使用两个半凸缘(half-flange)9，这两个半凸缘9螺接到其上，即一个在上部并且一个在下部，这两个半凸缘9将涡轮机17固定到支承杆11上。每对半凸缘9起到用于轴承18的支架的作用，这使涡轮机17能够转动。优选地，将三个或四个结构40固定到所述轴承18上，以将那些风击表面限定和保持就位，这些风击表面形成风力叶片。这些柔性表面通过张紧而保持形状。
所述张紧通过按顺序修改在用于叶片表面的相对的所述支承结构，相对于第一中心的上部与相对于下部的第二中心，之间的距离而实现。张紧通过调整适当螺钉而施加，这些适当螺钉插入到中心环中。
每对半凸缘9形成直径比支承杆的外径稍大的环，该环由至少三个等距离径向螺钉固定，该至少三个等距离径向螺钉使环能够联接到杆上，并且使杆的任何非线性能够被补偿。这使杆能够使用，这些杆不必是完全直线的，并因而避免为保证它们的直线性在特定公差内的高成本杆加工。
按这种方式固定的环使得能够与支承杆的直线性无关地在一定极限内得到同轴固定点。
这些环的组装由简单的可除去式支承结构而简化，该可除去式支承结构在外部固定到环上，这些环使它们在螺钉的拧紧期间保持同轴，这些螺钉将环固定到杆上。
涡轮机17在上部或下部环9的附近包括环型的发电机19，该发电机19直接安装在杆11上。具体地说，永磁体41固定到轴承18上，以在叶片转动之后在定子的绕组42内引发电场，这些绕组42连接到对应环9上，以整体形成多相环发电机。
固定元件(或连接冠)29固定到支承杆11的上部端部上。
固定元件29具有用于其固定到杆11上的下部部分21、中间部分22及上部部分23。
在下部部分21与中间部分22之间为缆索24提供基座。
在中间部分22与上部部分23之间，为缆索25提供基座，该缆索25布置成与缆索24相垂直。
如此形成固定元件29，使它能够安装在杆11的顶部上，并且由两根相互垂直的拉紧的金属缆索24和25横过。
基本上，两根拉紧的金属缆索24和25被包括到固定元件29的构成元件中。
部分21、22及23由螺钉相互接合。之前，将锁定套管26(它增大缆索直径)在工厂中以预定距离和高精度，按由设计计划的尺寸，施加到缆索上并且压接在其上。按这种方式，这些套管形成一种组装模板，因为套管的位置已经以高精度限定各支承管11之间的距离。
用于缆索24和25(所述缆索24和25定位在下部部分21中、在中间部分22中并且在上部部分23中)的基座被形成为能够保持锁定套管26。
从而，缆索用来不仅将杆支承就位，而且也以高精度将它们按间隔开的正确距离保持就位，从而避免在杆的顶部之间的距离的任何调整。这种系统能够降低成本，简化支承杆的组装，并且保证高精度。
两根相互垂直的缆索25和25到达每根杆11处。如处理侧部杆，则将缆索在支柱12处固定至地面。如处理中间杆，则缆索转到下根杆。
对于具有六根杆11的设备，使用18mm直径的钢缆索。
在本发明的一个特别有利的实施例中，在固定元件29的上部部分23的上方并且在其侧部处，设有两个凸缘，这两个凸缘包括几个孔，对于螺钉需要这几个孔，这些螺钉将固定元件固定到管30上。
一个凸缘27用来将固定元件29固定(支承)到管30上，与第一个凸缘相对的另一个凸缘28用来将固定元件29固定(支承)到另一根相邻管30上，该相邻管30与第一管30共线。按这种方式，可形成连续成排的管30。水平定位的管30可以绕其自己的轴线转动。对于它连接有多根副管31，这些副管31垂直地固定到主管30上，并且能够凭借轴承绕它们的自己轴线转动。
太阳能收集面板32固定到各个副管31中的每一根副管上。
主管30优选地由挤压铝制成(减小重量)，具有12mm的长度，并且内部是空心的，具有约30-40cm的直径。
副管31在主管的两侧上的末端都是凸缘，以使面板32能够通过螺钉安装和拆卸。
主管30的两端固定到两根支承杆11上，这两根支承杆11由系杆网保持就位。
对于两根相互对准的主管30，需要两根侧部支承杆11和仅一根中间支承杆11。
在主管30的一个端部处，设有马达，该马达适当地固定到管上，其齿轮啮合在带齿半圆轮(或带齿轮)中，该带齿半圆轮固定到固定元件29上。这个马达使主管30绕其轴线转动。
在主管30上的更内部，有另一个马达，该马达驱动齿条，该齿条使刚性小齿轮转动，该刚性小齿轮具有固定到副管31上的轴。这种结构对于固定到主管30上的每对副管重复。
作为对于上述解决方案的可选择例，齿轮可由齿条替换，该齿条具有皮带轮和皮带(或链条)。
在主管30的另一个端部处，设有可滑动伸缩接头33，该可滑动伸缩接头33设有可伸缩元件，以实现其伸缩。
一个可伸缩元件34固定到发电机29的凸缘上，并且另一个可伸缩元件35固定到主管30上。两个可伸缩元件由聚四氟乙烯(PTFE)环36分离。在组装期间，将可滑动端部固定到支承结构上，从而实现最大膨胀和最大收缩。
伸缩接头33使主管30能够通过热膨胀延长，而不压在支承点上，这些支承点是固定元件，或者反之亦然，使固定元件在固定点处具有一定运动弹性，按这种方式补偿缆索的弹性。
由于主管30是承载的，它支承其自己的重量、内部连杆的重量、旋转轴(面板连接到这些旋转轴上)的重量、以及面板的重量。管的机械特性能够与轴的位置无关地耐受风力和雪负载。
用于各个面板32和/或涡轮机17的连接电缆定位在主管30的内部，并将由此产生的电流带走。
用于跟随器的控制系统(该控制系统集成到主管30中)能够恒定地保持面板这样指向，从而通过已知技术使太阳光与面板的收集表面相垂直，这些已知技术按照算法由天体力学的可预测性导出，该算法基于日期和时间、地理安装坐标、及对于与地面相平行的主轴线的北方的方位。
每根主管30包括集成到管本身中的控制系统、和能够与附近主管30通信的接收器/发射器。
控制系统设有优选为ZigBee类型的接收器-发射器，借助于该接收器-发射器，它能够在网络内通信，该网络包括几台发电机和一个或更多个控制中心。每个接收器-发射器在网络内形成节点，该节点能够直接传达其自己的消息，或者重新传输从附近节点接收的消息。接收器-发射器的作用半径必须是这样的，从而能够不仅与最近接收器-发射器通信，而且在它们中的一个或更多个有故障的情况下，能够与更远的接收器-发射器通信。为此目的，每个接收器-发射器的作用半径将至少等于主管30的四倍长度。
典型情况可以是与跟随器32和涡轮机17相组合的结构的使用，该结构具有长度12m的主管30，这些主管30在与高度5m的杆间隔开12m的平行排中，该结构在主管30的第一侧上包括五个面板，并且在主管30的另一侧上在与第一侧几个相对的位置中包括五个面板，以避免平衡问题，这些面板具有1m×2m(或甚至更大)的尺寸，间隔开约1.5m。借助于这种构造，对于农作物的类型和农业机械(这些农业机械能够在设备下面通过)的尺寸没有限制。
通过将设备安装得很高，发电机和电气系统保持远离地面，能够提高对于人员的安全水平，并且使得可能形成洪涝或沼泽的地方能够使用。
具有系杆的结构可以仅借助于有限的基础工程通过使用待插入到地面中的微型杆或支柱而实现，所以能够省去传统跟踪器(这些传统跟踪器位于地面上)所需的强加钢筋混凝土基础工程。
当已铺设一排支柱、且将支柱排横向连接在一起的缆索已经穿过支柱的顶部时(然后将缆索在支柱排的开始和端部处锁定到地面上)，这种解决方案使杆通过将它们在杆的基底处的枢轴上使用简单杠杆系统非常容易地转动而能够从地面升高。在杆与基础之间的接合包括枢轴，该枢轴可退出以使杆能够更换，并且该枢轴在设备寿命终止时使结构能够拆除，并且使基础能够容易地从地面除去。基础在固定环处在其端部处联接到升降系统上，该升降系统将它从地面沿竖向退出。
设备沿所有的运动轴线都是平衡的，并因而使其运动所需的力被最小化。这使得能量消耗低并且机构部件较轻。
本发明的支承结构不需要钢筋混凝土基础工程，该钢筋混凝土基础工程对于下方地面形成显著影响，并且在设备操作寿命的结束处难以除去。
凭借所研究的系统的特性，涡轮机的安装是特别简单而又经济的。
它在新结构安装的情况下、和在已经存在结构的情况下都完全发生在地面上，在新结构安装的情况下凭借安装系统，该安装系统基于将杆的基底铰接，这在安装期间将杆保持位于地面上，仅在以后才放置在竖立位置中，在已经存在结构的情况下，所述铰链使杆按能够插入固定环和涡轮机的环形元件必需的量能够与铰链脱开。这方面在保证用来更换所述涡轮机元件的任何维护操作时是重要的，这样的操作是经济的，因为没有拆卸连续伸张结构的需要(如此说是因为它包括连续缆索，这些连续缆索穿过在杆的顶部处定位的窝槽。
如指出的那样，杆不必耐受巨大弯曲应力，所述巨大弯曲应力由在叶片上的风引起，并由此传递到支承支柱上；因此可使用小尺寸的钢或甚至木材的普通杆。
此外，杆不必转动，而是代之以在杆本身上安装的涡轮机转动，所以杆是非常普通的杆。
对于非常长的杆，如在约6m的目前情况下，使用进一步固定环9或进一步轴承18，两个或甚至三个涡轮机可以彼此上下交叠地安装在杆上。
所使用的材料和尺寸可以根据要求和根据现有技术状态随意选择。
按这种方式设计的太阳跟踪器可以具有多种修改和变化，这些修改和变化全部都落在本发明概念的范围内；此外，全部细节可由技术等效元件替换。

Claims (10)

1.一种利用可再生资源进行能量生产的系统，该系统包括：支承结构，所述支承结构包括第一杆和第二杆，所述第一杆和第二杆沿竖向定位；定位在所述第一杆上的竖向轴线风动机(10)、和定位在所述第二杆上的竖向轴线风动机(10)；所述第一杆和所述第二杆中的每根杆都包括在其顶点处定位的连接元件(29)；所述连接元件(29)包括下部部分(21)，所述下部部分将被固定到所述第一杆上，并且将被固定到所述第二杆上；所述连接元件(29)包括中间部分(22)和上部部分(23)；用于第一缆索(24)的第一基座，所述第一基座定位在所述下部部分(21)与所述中间部分(22)之间；用于第二缆索(25)的第二基座，所述第二基座定位在所述中间部分(22)与所述上部部分(23)之间；所述第一基座和第二基座构造为用以保持所述第一缆索(24)和所述第二缆索(25)的预限定部分；所述第一缆索(24)和所述第二缆索(25)相互垂直地定位；所述第一缆索(24)的端部以及所述第二缆索(25)的端部由固定进入地面中的支柱(12)固定至地面；所述第一杆和所述第二杆中的每根杆都借助于铰链(13)锚定到固定进入地面中的支柱(12)上；所述风动机(10)具有纵向中心通孔，用以实现在所述第一杆上和在所述第二杆上的安装；所述风动机(10)包括用于所述风动机(10)的下部第一锁定环、和用于所述风动机(10)的上部第二锁定环；由所述第一锁定环以及所述第二锁定环支承以使所述风动机(10)能够转动的相应轴承(18)。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一缆索(24)和所述第二缆索(25)的所述预限定部分由锁定套管(26)组成，所述锁定套管按预定距离压接到所述第一缆索(24)上并且压接到所述第二缆索(25)上。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括与所述风动机(10)相连接的发电机(19)，其同轴地固定到所述第一杆上、并且固定到所述第二杆上。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括：承载水平主管(30)，所述主管能够绕其轴线转动；所述主管(30)的端部联接到所述第一杆的上部端部以及所述第二杆的上部端部上；多根副管(31)，所述多根副管按可运动方式与主管(30)垂直地固定，并且能够绕它们自己的轴线转动；太阳能收集面板(32)，所述太阳能收集面板固定到所述多根副管(31)中的每一根副管上。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述铰链(13)包括：固定到所述第一杆和所述第二杆中的每一根上的第一钻孔板(15)、和固定到所述固定进入地面中的支柱(12)上的第二钻孔板(14)；销(16)，所述销穿过所述第一钻孔板(15)和第二钻孔板(14)的孔而插入。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一杆和所述第二杆的高度大于3m。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一杆和所述第二杆的高度大于4m。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述连接元件(29)包括第一横向部分(27)和第二横向部分(28)，所述第一横向部分用来固定所述主管(30)，所述第二横向部分用来固定备选的其它主管(30)。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述主管(30)包括可滑动接头(33)，所述可滑动接头使所述主管能够伸缩。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一锁定环和所述第二锁定环中的每个环均包括两个半凸缘，所述两个半凸缘固定到所述第一杆上、并且固定到所述第二杆上。
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