CN107532565A - 适于没有风力涡轮机塔的安装的改进的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开适于没有风力涡轮机塔的安装的改进的风力涡轮机。风力涡轮机基于具有适当选择的叶片的转子。风流中的喷嘴和扩散器增加转子可用的风能量。转子与一个或多个发电机可中断地连接，这允许在宽风速范围内产生。转子还与飞轮可中断地连接，这允许根据风能量的可用性的需要来存储或使用旋转能量。一个或多个风力涡轮机可被一同组合在公共壳体中。风力涡轮机塔的缺乏以及通用紧凑型设计允许风力涡轮机在靠近建筑物或在建筑物上的使用。

Description

适于没有风力涡轮机塔的安装的改进的风力涡轮机

技术领域

本专利涉及如下风力涡轮机，即，该风力涡轮机通过喷嘴和扩散器的使用来增加空气流并且适于没有风力涡轮机塔的安装。

背景技术

风力涡轮机是通过转子叶片的转动来将风的动能转化成机械能的众所周知的装置。接下来，机械能随后能够通过发电机转换成电能。

用于发电的一种类型的风力涡轮机由转子构成，该转子具有连接到位于适当大小的塔的顶部上的公共主轴的多个长细长叶片。这种类型的图示可在US8,622,698的图1中发现。这种类型的风力涡轮机在实践中面临的挑战是低效率，特别是在低风速下，要求安全性和效率的塔和叶片的高度以及这种大型结构的整体侵入式外观。本专利还说明了在实践中使用的常见的风力涡轮机塔：细长且高的单元件支承件。

部分地，风力涡轮机的效率由贝茨定律预测。该定律预测风力涡轮机只能捕获小于风力的16/27(59.3％)的动能。由于空气分子将其能量转移到转子叶片的碰撞而产生极限。

在实践中，风力涡轮机只能捕获贝茨定律极限的约75％至80％。然而，实现更高效率的手段是通过在转子之前和之后使用喷嘴和扩散器来收集额外的风流。这种挑战在US20120175882中更全面地描述。

具有罩或整流罩的许多风力涡轮机用于产生喷嘴和扩散器是本领域已知的。一个例子在WO2012137008中发现。另一个在WO2006065248中发现。在US4075500中发现了用于塔式结构上的早期类型的风力涡轮机罩。然而，在实践中，罩的重量和风载荷证明为难以安装在风力涡轮机塔上。

风力涡轮机的其它缺陷发现于US2012282092的第0014段和下文。这些包括：靠近地面的低效运行；塔所需的大尺寸；昂贵的维护和循环压力和故障。

风力涡轮机的一种低效率是由在叶片尖端产生的风流产生的。解决该问题的一个手段是将叶片包围在没有这种风流的结构中。这种布置在CA2590918(图3)中发现。在本专利中，筒也用作发电机的一部分。

如果风力涡轮机可被设计成在较低风速下是有效的，可在不使用公共风力涡轮机塔的情况下安装，以及通常可克服以前已知的风力涡轮机的缺点，这将是有益的。

发电的挑战是输配电系统的电力损失。简单地将电力从一个地方传输到另一个地方，将会损失大量的电力。由于这种挑战，希望将发电系统置于接近电力使用的地方。本发明允许发电能力靠近或者在合适的情况下放置在消除传输损失的建筑物上。

与电力相关的系统的最终挑战是存储过剩电力并平滑电源中的波动的困难。由于风的自然波动，使用风力发电机时，这个挑战是显而易见的。解决这个问题的一个手段是使用飞轮和离合器，如US8749083中所述。然而，其中提出的系统面临着在风力涡轮机塔的顶部安装重飞轮的挑战。

如水的液体可具有类似于如空气的气体的流。大多数风力涡轮机的设计的短期缺陷是无法将这些设计适应于自然水流的区域以用于发电。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在增加穿过该装置的风速方面的限制。

本发明的另一个目的在于通过提供转子与一个或多个发电机之间的连接来适应于通过转子的速度来提高发电效率。

本发明的另一个目的在于创建通过机械或其它方式储存多余电力的装置，并允许根据需要使用这种过剩的容量。

本发明的另一个目的在于创建可容易地安装和使用在包括建筑物的屋顶在内的任何位置中的紧凑装置。

本发明的另一个目的在于在相同的安装中使用根据本发明的一个或多个装置。

本专利描述了在一个实施例中使用其中固定有风力驱动叶片的中央筒式转子的装置。筒式转子的使用允许叶片固定在其运动的外部或周围上，从而消除在更传统的风力涡轮机中发展的涡流。

筒式转子的使用也允许使用叶片的许多不同类型和布置。可使用的两种主要类型的叶片是螺旋叶片和风扇叶片。

螺旋叶片是螺旋凸缘，其凸缘的宽度大致等于转子的半径。凸缘在其外端连接到沿着螺旋路径的转子。凸缘的中心侧可松动或可选地连接到与转子同轴的主轴。如果使用多于一个的螺旋叶片，则螺旋叶片成比例地位于转子内并与转子同轴。在偶数数量的凸缘的事件中，相对的侧凸缘将追踪出螺旋形状，其中相对的凸缘实际上是一片。

螺旋叶片的螺旋可为右手式或左手式，并且将具有描述为螺旋已经完成一圈的点之间的距离的螺距。此外，凸缘可以各种角度连接到转子。螺旋叶片的转子内的螺旋度、间距、转子连接角度和位置可通过实验确定，并针对转子尺寸和风速的特定组合进行了优化。

风扇叶片是绕与转子同轴的中心轴线的多个相同的叶片。叶片在其远端处与转子连接，并且在其中心端处彼此连接或与可选的主轴连接。风扇叶片的形状、尺寸、角度和设计及其在转子内的位置可通过实验确定，并针对转子尺寸和风速的特定组合进行了优化。

其它类型的转子可用于本发明。例如，可提供中心主轴，以对其上适当地安装有适当尺寸的风扇或叶片。根据需要可将适当的轮毂固定到中心主轴上。

用于集中风的喷嘴可放在转子之前，以增加进入空气的流动。通过类似的方式，扩散器可放置在转子的后面，以降低出口空气的压力。这两种技术都是有用的，以增加装置在低风速情况下发电的能力。

喷嘴和扩散器可通过使用适当形状的整流罩来形成。输入整流罩集中风以创建喷嘴。出口整流罩创建低压区以作为扩散器。

提高转子上的风速的另一种手段是使用反锥形轴。这种主轴将增加转子内存在的文丘里效应。这种主轴的实际位置将考虑要使用的叶片的布置以及使用的任何喷嘴或扩散器。

转子绕其轴线自由转动。这种自由旋转可在转子周围的两个或更多个地方用传统的轴承环来实现。可选地，如空气轴承或磁性轴承的较少的摩擦倾向轴承系统可被使用，并且是本领域公知的。

该装置可以通过本领域公知的适当大小的电机驱动的转台变成风。用于测量风的方向和速度的风速计和本领域公知的控制电路用于确定所需的方向。

本发明的筒式转子提供了许多不同的装置，通过该装置可机械连接发电机。优选地，多个发电机使用有将每个发电机单独地与转子机械连接的装置。因为发电机的机械连接为转子产生载荷，所以在低风速情况下，期望的是只有与转子机械连接以在给出较低的风速的发电机的最高效率下操作的一个或少量的发电机。在高风载荷下，更多的发电机可机械连接到转子上，以利用系统中存在的较高能量的优点。机械地中断发电机与转子的连接并控制转子的手段是本领域公知的。

该装置可具有与转子同轴的飞轮。飞轮可用离合器和传动装置连接到转子和发电机，以将转子的运动存储在飞轮中，或者可选地将发电机运送到飞轮。在电能过剩的时候，也可以通过使发电机作为电机而将能量转移到飞轮来反向地操作系统。

将飞轮的运动与转子和发电机连接、从转子和发电机转移和转移到转子的手段以及控制它们的手段式本领域公知的，并且包括单向离合器和双向离合器、变速箱和变矩器。

所述的装置可在没有塔的情况下安装。装置的总体尺寸与转子和附加的整流罩的直径成比例。

装置还可以模块化的方式布置，从而允许多个单元使用在公共转台旋转系统上的公共安装中。在具有多个单元的模块化安装中，任何一个或多个单元都可容易地拆卸以进行修理或维护，同时留有单元在适当的位置中的余量以进行生产。

在预期为具有破坏性的非常高的风速的事件中，装置可转为一角度出风，从而保护转子免受不必要的高载荷。在这种情况下，与传统的塔式风力涡轮机不同，装置的转子容易地通过转换其出风来避免危害。

本发明也可适用于天然水道。所有的内部方面都可用转换到或放置在水流的方向内的转子来防水。

附图说明

本发明的实施例通过示例的方式并且参照附图来解释。附图仅示出了本发明的实施例的示例，并因为本发明可具有与等同有效的实施例，因此不应被视为限制其范围。

图1示出了根据本发明的风力涡轮机的剖视立体图。

图2示出了根据本发明的风力涡轮机的正视图。

图3示出了横跨图2的部分A-A的根据本发明的风力涡轮机的剖视图。

图4在与图3相同的方向的取向上示出了根据本发明的风力涡轮机的主要内部部件以的透视图。

图5示出了如图4所示具有替代性外壳且位于转台上的根据本发明的风力涡轮机的透视图。

图6示出了如图5所示的根据本发明的风力涡轮机的立体图。

图7示出了如图5所示的根据本发明的风力涡轮机的正视图。

图8示出了根据本发明的在风力涡轮机中使用的发电机组件的详细示意图。

图9示出了如前面的附图中的任一个附图所示的根据本发明的风力涡轮机的后视图，其中出口整流罩被去除以示出内部工作的布置。

图10示出了本发明的替代性实施例的侧透视图，其中多个风力涡轮机一同组合在公共壳体中。

图11示出了图10的本发明的替代性实施例的立体图。

图12示出了图10的本发明的替代性实施例的正视图。

图13示出了本发明的另一替代性实施例的立体图，其中将多个风力涡轮机的不同的组合被一同组合在公共壳体中。

图14示出了图13的本发明的替代性实施例的正视图。

图15示出了图13的本发明的替代性实施例的侧透视图，示出了风力涡轮机还可被一同组合成一组风力涡轮机的出口端口可将额外的风力涡轮机的输入端口全部馈送到公共壳体内的布置。

图16示出了位于建筑物的屋顶顶部上的图10、图11和图12的风力涡轮机。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的风力涡轮机10的剖视立体图。本发明具有围绕同轴主轴25的螺旋叶片20。外壳30也示出了集中进入气流的进入整流罩35作为喷嘴。剖视图示出了螺旋叶片支承件38和同轴飞轮40的位置。螺旋叶片支承件38内的所有内容均包括本发明的转子。

图2示出了根据本发明的风力涡轮机10的正视图。涡轮机示出了围绕同轴主轴25的螺旋叶片20的前缘22。进入整流罩35作为喷嘴集中进入气流，并且覆盖风力涡轮机内的其它设备，从而防止污染、动物和其它干扰风力涡轮机的碎屑进入。

图3示出了横跨图2的部分A-A的风力涡轮机10的剖视图。风力涡轮机被转动以使得风从左边进入风力涡轮机并在右边出去。这示出了作为喷嘴集中进入气流的进入整流罩35、螺旋叶片20和同轴飞轮40的位置。该图还示出了同轴心轴25，同轴心轴25被设计成通过在螺旋叶片的方向上具有其最大端的锥形形状提供额外的进入气流的浓度。螺旋叶片20在叶片壳体41内旋转，叶片壳体41又通过适当定位的导辊44或发电机组件50与外部壳体42相隔开。叶片壳体41内的所有内容均用作本发明的转子。

图4在与图3相同的方向的取向上示出了风力涡轮机10的主要内部部件以的透视图。外部壳体42内的所有部件用虚线示出。进入整流罩35与同轴主轴25一同作为喷嘴集中进入的气流。本实施例中的同轴主轴25还被设计成具有出口部26，该出口部26作为从螺旋叶片20的前缘22的点到其后缘23的扩散器来减小气压。螺旋叶片20附接到同轴主轴25的出口部26，并且其另一侧附接到叶片壳体41。用作本发明的转子的叶片壳体41通过适当定位的导辊44或发电机组件50旋转。叶片壳体41还可与齿轮箱60机械地接合，齿轮箱60允许来自叶片壳体41的机械能到达飞轮40，其中，飞轮40位于叶片壳体41外部、单在外部壳体42内并与叶片壳体41同轴，并且飞轮40通过减摩装置与外部壳体相隔开。

图5是本发明的不同实施例的主要内部部件的透视图。替代性外部壳体43内的所有部件用虚线示出。本发明的替代性实施例是具有替代性外部壳体43的风力涡轮机10，其包括延伸的输入整流罩46和延伸的出口整流罩47。风力涡轮机在机械转台70上被转动，以使得风从左边进入风力涡轮机并在右边出去。机械转台70可由电机或其它装置供电，并通过来自叶片风速计的输入信号由微控制器控制或者由本领域技术人员公知的其它技术控制。转台70绕中心线71旋转。延伸的输入整流罩46提供额外的横截面积以捕获更大的风能并用作喷嘴。延伸的出口整流罩47降低输出气压，从而提高空气通过风力涡轮机的速度并作为扩散器。

图6以立体图示出了图5的装置。还示出了网孔75，网孔75放置在装置的入口处的可选的网孔75并且定尺寸为防止不希望的动物和物体进入并用作安全机构。该图示出了风力涡轮机10，风力涡轮机10可在机械转台70上转动，以将开口放置在风中。还示出了延伸的输入整流罩46和延伸的出口整流罩47。网眼内还可看到同轴主轴25、进入整流罩35和螺旋叶片20的前缘22。

图7以正视图示出了图6的装置。该图示出了延伸的输入整流罩46。也可看到同轴主轴25、进入整流罩35和螺旋叶片20。还示出了机械转台70。

图8示出了发电机组件的示意图。发电机或交流发电机80安装在铰接的基座84上，并且直接连接到摩擦轮或齿轮82。摩擦轮或齿轮82可通过与致动器86接合来与适当的驱动源接合，而致动器86允许摩擦轮或齿轮82与旋转能量源接合。发电机或交流发电机80的输出通过本领域公知的装置连接，以通过使发电机组件与本发明的转子接合来实现电力生产。

图9示出了移除了出口整流罩的风力涡轮机10的完整后视图。该图示出了叶片壳体41内的螺旋叶片20的后缘23，而后缘23又由导辊44支承。叶片壳体41内的所有细节均用作本发明的转子。根据本领域技术人员熟知的控制器系统，发电机组件50可与叶片壳体41接合以用作转子。所述控制器系统将允许发电机组件与叶片壳体41与可用风量成比例地接合。

图10示出了本发明的替代性实施例，其中单个风力涡轮机单元可组合在一起，以最大化在特定位置处可用的风能。每个单独的风力涡轮机单元11可容纳在外部壳体90中，外部壳体90具有延伸的输入整流罩91，延伸的输入整流罩91布置成集中对该组中的所有单元可用的风能。整个组件位于适当尺寸的机械转台70上。

图11示出了图10中所示的独立风力涡轮机单元组的替代性实施例的透视图。

图12示出了图10中所示的独立风力涡轮机单元组的替代性实施例的正视图。

图13示出了本发明的替代性实施例的立体图，其中根据本发明的多个风力涡轮机单元被一同组合在替代性外部壳体92中。

图14示出了图13中所示的本发明的替代性实施例的正视图。

图15是图13中所示的本发明的替代性实施例的侧透视图，其中虚线表示在外壳内的本发明的主要部件。该图示出了第二组风力涡轮机单元95可放置在第一组风力涡轮机单元96的后面，以确保所有风能可在本发明内转换。两组风力涡轮机单元之间的空间97通过使第一组风力涡轮机单元96的扩散器效应和第二组风力涡轮机单元95的喷嘴效应最大化的方式来成型和设置。

图16示出了位于办公楼100上的图10、图11和图12中所示的本发明的实施例。办公楼未被示出为本发明的一部分，而仅仅是为了说明本发明如何能够通过本领域技术人员熟知的适当的机械连接和控制装置容易地位于办公楼顶部。

Claims (10)

1.风力涡轮机，包括：

可自由旋转的筒式转子，所述可自由旋转的筒式转子的两端开口，其中，其入口端接收气流，并且其相对的出口端排出气流；

一个或多个叶片，所述一个或多个叶片布置在所述筒式转子内，与所述筒式转子连接，并与所述筒式转子同轴，由此使气流经由所述转子的通过诱导所述一个或多个叶片绕其轴线旋转；

用于将所述转子引导到风的方向的装置；以及

用于将一个或多个发电机可中断地连接到所述转子以通过其旋转发电的装置。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个叶片为螺旋状叶片。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述一个或多个叶片为风扇状叶片。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括：

扩散器，所述扩散器在所述转子的所述出口端之后。

5.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括：

喷嘴，所述喷嘴在所述转子的所述入口端之前。

6.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括：

扩散器，所述扩散器在所述转子的所述出口端之后；以及

喷嘴，所述喷嘴在所述转子的所述入口端之前。

7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述装置还包括：

飞轮存储装置，所述飞轮存储装置与所述转子可中断地连接并与一个或多个发电机可中断地连接；以及

控制装置，所述控制装置用于控制所述飞轮存储装置与所述转子的连接以及控制一个或多个发电机与所述飞轮存储装置的连接。

8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述装置以模块化的方式构建，以允许所述装置与其它类似装置以及用于将多个所述装置引导到风中的装置的使用。

9.风力涡轮机，包括：

可自由旋转的筒式转子，所述可自由旋转的筒式转子在两端处开口，所述可自由旋转的筒式转子具有一个或多个螺旋状叶片，所述螺旋状叶片的所述转子内的螺旋度、螺距、转子连接角度和位置能够通过实验确定并且针对转子尺寸和风速的特定组合来优化；

输入整流罩，所述输入整流罩作为喷嘴集中输入气流并将其引导到所述转子中；

出口整流罩，所述出口整流罩作为扩散器从所述转子接收输出气流；

一个或多个发电机，所述一个或多个发电机能够与所述转子可中断地连接以发电；

飞轮，所述飞轮与所述转子同轴，所述飞轮能够与所述转子或者所述一个或多个发电机可中断地连接以存储旋转能量；

转台，所述转台允许所述风力涡轮机被引导到可用风中；

控制器，所述控制器测量所述可用风的速度和方向并控制所述转台、所述转子与所述一个或多个发电机之间的所述可中断连接以及所述转子与所述飞轮之间的所述可中断连接。

10.用于发电的涡轮机，包括：

转子装置，所述转子装置用于将液体流或气体流转换成旋转能量；

发电机装置，所述发电机装置用于将一个或多个发电机与所述转子装置可中断地连接并且发电；

喷嘴装置，所述喷嘴装置位于所述转子装置的所述流的输入中；

扩散器装置，所述扩散器装置位于所述转子装置的所述流的输出中；

飞轮装置，所述飞轮装置用于存储来自所述转子装置的所述旋转能量；

用于将所述转子装置与所述飞轮装置可中断地连接以允许将旋转能量从一个传递到另一个以存储或使用旋转能量的装置；

转台装置，所述转台装置用于将所述涡轮机引导到风中或者从风引导出；以及

控制器装置，所述控制器装置用于控制所述转台装置和所述可中断连接。