CN106415000A - 气旋的风能转换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气旋的或反气旋的转换发电机，包括中空且刚性结构(1)，该结构具有位于其上端的产生文丘里(venturi)效应的扩散偏转器(2)以及用于将外部风的动能转换成电能的装置，所述中空且刚性结构包括：利用对流器(5)、(6)，用于生成主流(3)的装置和用于生成次流(4)或涡流核的装置；以及利用增加周缘流(12)的斜坡或者中心突起或凸起表面(11)来促进主流和次流的垂直运动的装置。该发电机可被用于生成气旋和反气旋，并可以与诸如风或水的任何流体一起使用。该发电机使流体的速度增加，从而将所述流体集中到周缘上，这产生改进的性能和效果。

Description

气旋的风能转换器

技术领域

本发明的目标，诸如本发明设置的标题，是提供气旋的或反气旋的转换发电机。

该发电机包括中空且刚性结构，具有位于其上端的产生文丘里效应的偏转扩散器，以及用于将动能风能转换为电能的装置，其中该中空且刚性结构包括用于生成主流的装置和用于生成次流或涡流核、涡流效应或微型气旋的装置。

该发电机提出了元件和设计，使得实现增加导管式输出流中的速度的效果，同时，由于斜坡产生主流的旋转，在主流的周缘处实现更强烈的流，因此在发电机的螺旋桨叶片处产生更大的扭矩。

因此，本发明属于气旋的发电机范围之内并且尤其属于与其构造特征相关的范围之内。

背景技术

气旋的或反气旋的转换塔在本领域中已知是人工地再现被限制的湍流(称为涡流)，或再现可以从层流风流上升或下降的闭合电流路径螺旋旋转的湍流的系统，在塔内集成不同的环境能量：动态风能、由于在大气的不同水平的大气压力的差异而产生的气压能、对流热能以及还有来自冷凝的热能。

常规的气旋的或反气旋的转换塔基本上由称为涡流导管的中空中心管组成，两个或更多个膜、筛网或垂直结构几乎切向地从该中心管出现，其母线具有空气动力学横截面的弯曲轮廓。与中心涡流导管的对应部分关联的这些膜或筛网当中的两个构成对流器。一般情况下，当它们可以在所有方向上定向时，通常每一级有五个对流器。每个对流器的这些膜或筛网当中有两个被加强件支撑，加强件是具有空气动力学横截面的水平板。在涡流导管的对流器的开始处，放置阻挡设备，其允许层流外部流的迎风进入，但不允许流体从涡流导管退出到外部到背风方向。在气旋的转换器的上部中，存在扩散器，其防止由塔外部的层流空气的流引起的对出口涡流的剪切效应。偏转器位于转换器的下部，其防止由涡流的吸收造成的凹陷。

通常，在塔的底部和上部，反旋转或不是反旋转的航空涡轮机与发电机、水泵、压缩机或能够产生能量的任何元件放在一起。可选地，可以添加温室或用于加热空气和蒸发水的设备，利用热条件的控制，包括浅水池形式的底部，以便或者从温室本身或者从一个或几个水温室加热空气并尝试用水蒸气使其饱和。具有这些特征的气旋的或反气旋的转换塔在西班牙专利号493.713中公开。

但是，这些气旋的或反气旋的转换塔具有许多机械和成本的缺点，主要源于常规阻挡设备的构造。如在西班牙专利号493.713中可以观察到的，阻挡设备是靠在阻尼臂上的具有空气动力学轮廓的可移动筛网，阻尼臂以这样一种方式围绕其在对流器的膜或筛网之一上的支撑件转动，使得阻挡设备在它们处于必须使外部流体或流通到涡流导管的对流器中时打开，并且在流体或流试图向外离开中心涡流导管时关闭。

第一个问题在于降低涡流的性能，并且甚至由于阻挡设备部分地穿透到涡流管中而导致涡流的破坏。

而且，第二，在对流器的膜或筛网中以及在阻挡设备本身当中，保持阻挡设备的臂的支撑点中的大应力涉及构造的相当大的困难。例如，考虑到对于100Mw的转换塔，每个阻挡设备将由70m长×3m高的筛网组成，其保持和移动涉及在保持臂的支撑点上的巨大应力。这个问题由于风速或方向的突然变化将增加应力这一事实而进一步加剧。由于这些应力，保持臂的减震器和球窝接头以及阻挡设备本身经历很大的磨损，并且在实践当中，未知的是，以可接受的成本制造它们的材料和技术。

因而，这些转换塔的构造需要具有高刚性但同时非常轻的特殊合金，这大大增加了所述转换塔的成本。

而且，它们的维护非常昂贵且具有风险，需要大量的熟练人员。高构造和维护成本以及由于阻挡设备在中心涡流管中部分引入而具有缺陷的涡流造成的有限性能阻止转换塔对能量生成的大规模使用。迄今为止还一个都没有建造。

还已知在专利ES 2166663中描述的气旋的或反气旋的转换塔，其包括中心涡流导管；至少一个由两个垂直的膜或筛网构成的对流器，其由曲线生成并且在其一侧被中心涡流导管限制；每个对流器有至少两个加强件；每个对流器有一个阻挡设备6、每个对流器有两个或更多个阻挡设备；扩散器；偏转器；以及用于将动能风能、位置的气压能和对流能量以及来自冷凝的热能转换成电能或机械能的装置；其中阻挡设备能够打开中心涡流导管的外引导冠。

但是，这种气旋的转换发电机给出可以改进的方面，以避免断开出口涡流、产生出口涡流的吸收的文丘里效应、增加周缘输出流以便使叶片上的扭矩更大并因此提高功率和能量效率。

发明内容

本发明的目标是气旋的转换发电机，即，来自小的人造气旋或涡流形成的电能发电机。

能量是通过从气旋塔的外部到内部的或多或少的层流风的作用生成的，其中形成小的气旋或反气旋并且，在其气旋的或反气旋的运动中，即，向上或向下，电力是通过移动涡轮机的叶片生成的，涡轮机耦合到放在气旋的发电机的一端上的发电机。

气旋或涡流包括以上升方式旋转的第一湍流，留下中心内部空间，第二流或涡流核流经该空间，被称为飓风的眼，等同于在向上旋转中从底部吸入空气的非常稳定的实心圆柱体。

在反气旋的情况下，主流和次流的运动反向，主流向下循环旋转，而次流或涡流核就像向下旋转中从顶部吸入空气的实心圆柱体。

在南半球，主流和次流的旋转在如上面所指示的相反方向。

气旋的转换发电机包括中空且刚性结构，具有位于其上端的偏转扩散器和用于将动能风能转换成电能的装置，其中中空且刚性结构包括用于生成主流的装置和用于生成次流或涡流核的装置。

在可能的实施例中，中空且刚性结构采用圆柱形形状，并且优选地从底部到顶部具有增加的段，具有呈双曲线或直线形式的略微弯曲的壁。

偏转扩散器试图通过增加空气的输出功率在输出微型气旋管上实现文丘里效应。产生进入的空气的偏转和扩散，对微型气旋管空气产生抽吸效应，从而增加其输出速度。偏转扩散器以从其底部向上端增加的阶梯方式布置，以便形成对输出流体产生文丘里效应的若干同心流。

用于生成主流的装置包括一系列将空气从外部引导到中空结构的内部的会聚对流器，因此迫使来自外部的空气在其中旋转，并且在次流或涡流核的生成当中合作。

用于生成次流的装置包括将空气引向涡流核的第二对流器。通过这个流，电势和热对流能量凭借压力和温度的差异被使用。

会聚对流器被布置成沿着专用生成主涡流的中空且刚性结构的部分的弯曲轮廓。它们的目的是捕获、集成、集中并将空气引导到中空结构中，迫使空气在其中旋转。

对流器的数量至少为两个，但它可以多达五个或更多。

对流器的数量将取决于刚性中空结构是否可以转动。如果它可以转动，则至少两个对流器就足够了，中空结构被定向为以便捕获并经由低功率发电机通过对流器将空气引导到内部。

如果中空结构不能转动，则将存在多个对流器，以便覆盖中空结构的整个周界，还具有用于打开和关闭对流器进口的装置，使得对流器的至少两个入口总是打开的。

由于对流器的存在以及如何生成气旋或反气旋，实现了外部风力波动不影响发电，因为在内部形成的气旋由于气旋的惯性力矩而对波动产生阻尼效应。

为了便于主流以上升或下降的方式，沿着由对流器限定的输入表面旋转，所述表面被斜坡形式的隔离壁分隔，隔离壁是倾斜的，使得除了输入风旋转之外，还提供沿向上或向下方向的旋转。

此外，在形成气旋的情况下，该刚性结构在其底部具有中心突起形式的突出或连续凸起轮廓，使得次流对流器将空气带入内部，从而使其旋转，同时所述突出造成次流的向上运动。

在气旋的转换发电机的情况下，各种元件的相对布置使得中空结构在其底部具有次流对流器或涡流核，在结构的其余部分上具有主流对流器，并且在其上端具有生成文丘里效应的偏转扩散器，同时在其上端内部具有垂直轴发电机和中心涡轮机的支撑结构，在其上固定有较短的导管式叶片。

在反气旋的转换发电机的情况下，各种元件的相对布置使得中空结构在其上端具有产生下游文丘里效应的偏转扩散器，随后是次流对流器或涡流核，在结构的其余部分上具有主流对流器，以最终具有用于朝水平轴发电装置进行空气引导的装置。

依据本描述，已经参考外部风作为发电机流体，也适用于诸如水的其它流体，使得本发明的转换发电机目标也适用诸如利用洋流的水的介质中。

由于偏转扩散器的存在，产生输出流中速度增加效应，同时，由于主流的旋转效应，在主流的周缘实现了增加的通量，从而在发电机的螺旋桨叶片产生更大的扭矩。

由于所描述的特征，实现了用于发电的装置，具有大功率垂直轴发电机和带较短导管叶片的涡轮，其：

可安装在地面或“岸上”，这避免海上或“离岸”的发电系统的安装、维护和连接的巨大复杂性，

每Mw的安装成本是地面上的三叶片发电系统的一半，是海上三叶片发电系统的四至六倍。

其发电成本不到三叶片发电系统的一半。

每单位产生的能量比三叶片系统多10到30倍。

维护成本非常低，因为发电机和涡轮机是内部的。

就产生同等的能量而言，比三叶片系统占地面积少20至30倍。

产生的能量具有更好的质量和控制。

在背风方向上没有湍流发生，只有阴影效应。

附图说明

为了补充本描述并且为了更好地理解本发明的特性，根据其优选的实际实施例，附上一组附图，作为所述描述的组成部分，其中作为说明性而非限制性例子，如下所示：

图1示出了表示气旋的转换发电机的前视图。

图2示出了同一发电机的表示，其中示出了一些构造细节。

图3示出了其中示出对流器的段。

图4示出了其中示出安装在发电机内的阻挡设备的视图。

图5示出了被分成部分或段的阻挡设备。

图6示出了发电机-风力涡轮机组件及其到结构的其余部分的附连。

图7示出了风力涡轮机内部的细节。

具体实施方式

参照附图，下面描述所提出的发明的优选实施例。

下面描述的优选实施例涉及气旋的转换发电机，相同的原理适用于反气旋的转换发电机，改变元件布置但具有相同的必要元件。

在图1中，我们可以观察到包括中空且刚性的结构1的气旋的转换发电机，在其顶端布置有偏转扩散器(2)。

该中空且刚性的结构优选地是圆柱形，从底部到顶部具有增加的段，具有双曲线形式的直的或弯曲的壁。

偏转扩散器(2)在其上端从中空结构(1)的周界突出，朝顶端以阶梯方式增加部署，以便形成对输出流体产生文丘里效应的多个同心流。

中空结构(1)包括具有用于形成次流(4)或涡流核的装置的区域。在气旋的转换的情况下，所述装置位于中空结构1的底部。

在中空结构(1)的其余部分上，布置有主流(3)的生成装置。

用于形成主流(3)的装置包括对流器(5)，如前面所解释的，对流器(5)将是至少两个，但可以是覆盖中空结构(1)的整个周界的数量。由每个对流器限定的输入表面可以被斜坡(12)形式的一系列分隔件或分离器分开，该斜坡(12)是倾斜的，以促进主流的向上旋转。

所述斜坡(12)在它们穿透中空结构内部时具有向上的倾斜度和减小的段。

次流(4)或涡流核的形成装置包括一系列对流器(6)并且，如图7中所看到的，还可以具有均匀轮廓的突出或中心凸起(11)，其促进次流或涡流核心的向上运动。

在图2和3中，示出了用于生成次流的若干对流器(5)。在这种情况下，对流器(5)覆盖中空结构(1)的整个周界，由于它是固定结构，因此它们还具有可移动的阻挡设备(7)，以便总是打开至少两个由两个阻挡设备限定的入口。

由于中空结构(1)可以是几十米，阻挡设备的长度应当等于中空结构(1)的高度，因此，为了制造和移动这种大型阻挡设备，阻挡设备(7)可以被分成部分或段(7.1)，如图5中所示。

图6示出了发电机如何安装在中空结构(1)中，涡轮机(8)设置在由空气动力学截面的梁或支撑件(10)支撑的中心部分中，并且所述支撑件(10)包括到涡轮机(8)的接入路径。

从涡轮机(8)，生成叶片(9)出现，使得有可能几乎到达中空结构(1)的内壁，以便实现通过该结构的最大流量。

涡轮机可以包括三个、五个、七个或九个导管式叶片(9)，其将被尽可能多地调节到输出涡流导管，以便获得最大性能，并且甚至嵌在输出涡流管的管状轮廓中。效率可以超过输出涡流的95％。

关于要使用的发电机的类型，多极永磁体发电机(PMG)是优选的，因为起动扭矩比常规的电磁发电机中的要低得多。

已经充分描述了本发明的本质以及本发明的实施，要注意的是，就其本质，只要不更改、改变或修改其基本原则，可以实施与作为例子在本文中指出的细节不同的其它实施例，并且其也将包括该保护范围。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种气旋的或反气旋的转换发电机，包括：

-中空且刚性结构(1)，具有位于其上端的偏转扩散器(2)，

-用于将外部风的动能转换为电能的装置，

-其中所述中空且刚性结构包括用于生成主流(3)的装置和用于生成次流(4)或涡流核的装置，

-其中用于生成主流(3)的装置包括将空气从外部引导到中空结构内部的一系列会聚对流器(5)，

其特征在于，

-所述偏转扩散器(2)以从其底部向上端增加的阶梯方式布置，以便形成对输出涡流流体产生文丘里效应的若干同心流，

-由每个对流器(5)限定的输入表面被斜坡(12)形式的一系列隔离物或分离器分开，所述斜坡(12)是倾斜的，以促进主流的旋转的增加，并提供由所述斜坡产生的向上或向下垂直分量，并且在增加的生成次流或涡流核以及由此的涡流中合作。

2.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述对流器(5)的数量至少为两个，并且安装在中空且刚性结构(1)上，所述中空且刚性结构(1)能够旋转并面对风。

3.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述对流器(5)的数量使得覆盖所述中空结构(1)的整个周界，并且包括可移动的阻挡设备(7)，能够关闭对流器中除至少两个之外的所有对流器的入口。

4.如权利要求3所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述阻挡设备(7)被分成部分或段(7.1)。

5.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于用于生成次流(4)的装置包括将空气引向所述涡流核的第二对流器(6)。

6.如权利要求5所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于用于生成次流(4)的装置包括具有均匀轮廓的突起或中心凸起(11)，从而促进次流或涡流核的向上运动，该运动具有与所述涡流核输出直径匹配的主干锥。

7.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，发电装置包括涡轮机(8)，从所述涡轮机出现的多个导管式发电叶片(9)，涡轮机(8)由附连到所述中空结构(1)的壁并且具有空气动力段的梁或支撑件(10)支撑，还包括所述支撑件(10)到涡轮发电机(8)的接入路径。

8.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述中空且刚性结构(1)从底部到顶部具有增加的段。

9.如权利要求7所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述涡轮机可以包括三个、五个、七个或九个导管式叶片(9)，这些叶片被调节至所述输出涡流导管，并且甚至嵌在所述输出涡流管的管状轮廓中。

10.如权利要求7所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述发电机是多极永磁体发电机(PMG)。

Claims (13)

1.一种气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，其包括：中空且刚性结构(1)，具有位于其上端的偏转扩散器(2)，它的设计使得产生缩流效应，并且具有用于将外部风的动能转换为电能的装置，其中所述中空且刚性结构包括用于生成主流(3)的装置和用于生成次流(4)或涡流核的装置。

2.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述偏转扩散器(2)以从其底部向上端增加的阶梯方式布置，以便形成对输出涡流流体产生文丘里效应的若干同心流。

3.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述生成主流(3)的装置包括将空气从外部引导到所述中空结构内部的一系列会聚对流器(5)，以此方式推动外部的风在其中旋转，并且并提供由所述斜坡产生的向上或向下垂直分量，并且在增加的生成次流或涡流核以及由此的涡流中合作。

4.如权利要求3所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述对流器(5)的数量至少为两个，并且安装在中空且刚性结构(1)上，所述中空且刚性结构(1)能够旋转并面对风。

5.如权利要求3所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述对流器(5)的数量使得覆盖所述中空结构(1)的整个周界，并且包括可移动的阻挡设备(7)，能够关闭对流器中除至少两个之外的所有对流器的入口。

6.如权利要求5所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述阻挡设备(7)被分成部分或段(7.1)。

7.如权利要求3所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述由每个对流器(5)限定的输入表面被斜坡(12)形式的一系列隔离物或分离器分开，所述斜坡(12)是倾斜的，以促进主流的旋转的增加。

8.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于用于生成次流(4)的装置包括将空气引向所述涡流核的第二对流器(6)。

9.如权利要求8所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于用于生成次流(4)的装置包括具有均匀轮廓的突起或中心凸起(11)，从而促进次流或涡流核的向上运动，该运动具有与所述涡流核输出直径匹配的主干锥。

10.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，发电装置包括涡轮机(8)，从所述涡轮机出现的多个导管式发电叶片(9)，涡轮机(8)由附连到所述中空结构(1)的壁并且具有空气动力段的梁或支撑件(10)支撑，还包括所述支撑件(10)到涡轮发电机(8)的接入路径。

11.如权利要求1所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述中空且刚性结构(1)从底部到顶部具有增加的段。

12.如权利要求10所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述涡轮机可以包括三个、五个、七个或九个导管式叶片(9)，这些叶片被调节至所述输出涡流导管，并且甚至嵌在所述输出涡流管的管状轮廓中。

13.如权利要求10所述的气旋的或反气旋的转换发电机，其特征在于，所述发电机是多极永磁体发电机(PMG)。