CN108698671A - 具有改善的安全特征的风力涡轮机 - Google Patents

Abstract

风力涡轮机包括风驱动的能够围绕中心轴线旋转的涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮具有帆翼，该帆翼捕集风并使涡轮机叶轮旋转。固定装置和固定绳被附接至涡轮机叶轮，以防止风力涡轮机响应于高风状况而倾倒。一组飘带在一端被附接至轮辐并且包括自由端部，其中自由端部被设置在当涡轮机叶轮旋转时在两个相邻的轮辐之间限定出的空间中。滑接部以可移除并可滑动的方式被附接至主固定绳，次级固定绳被附接至滑接部和次级固定装置；以及，下降绳被可移除地附接至次级固定装置，该次级固定装置被构造成将固定装置降下至主固定装置，以使得滑接部、次级固定绳和次级固定装置被构造成对主固定装置提供固定支撑结构。

Description

具有改善的安全特征的风力涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于响应于大气风的移动而进行发电的风力涡轮机组件，以及涉及避免撞击系统和固定支撑结构的额外的安全特征。

背景技术

出于从地面泵送水和用于发电的目的，风车已被使用了许多代。风车的基本优点在于，风车使用大气风的动力来使具有径向延伸的叶片的轮旋转。这种旋转运动可被转化为各种有用的用途。例如，呈安装在塔上的螺旋桨的形式的风力涡轮机被安置在风稳定而普遍的地区，并且风力涡轮机被用来发电。

传统的风力涡轮机的叶片非常大并由昂贵的刚性材料制成，并且叶片被构造成使叶片从中心毂部径向地延伸，而在叶片的外部末端处没有额外的支撑件。传统的风力涡轮机叶片以高转速旋转并且必须承受由叶片的快速旋转产生的离心力以及由风施加到叶片的悬臂弯曲力。因为叶片的外部部分以非常高的速度运动并且与强风相接，所以叶片越大就一定越坚固，而叶片也变得更昂贵。因此，对于叶片的长度和宽度是有实际限制的。

另一类型的风力涡轮机是具有由织物构成的帆翼的风力涡轮机，该帆翼是上文所述的传统的风力涡轮机的刚性叶片的替代品。例如第4,330,714号、第4,350,895号和第4,729,716号美国专利公开了使用布质的“帆”的风力涡轮机，该布质的帆对风进行捕集。风力涡轮机的叶片由重量更轻的材料形成。

另一类型的风力涡轮机具有刚性的螺旋桨，该螺旋桨呈现出被刚性地安装至支撑螺旋桨的外端部的圆周轮缘，如第1,233,232号和第6,064,123号美国专利所示的。

上文所引用的专利中的风力涡轮机中的某些被构造成具有外轮缘，该外轮缘围绕涡轮机叶轮周向地延伸。橡胶轮胎被安置就位成与外轮缘接合，以使得橡胶轮胎进行旋转，其中被驱动的橡胶轮胎使发电机的转子进行旋转。因此，风力涡轮机的旋转被用于发电。在美国专利8,109,727、7,825,532、8,134,251、8,164,212、8,178,993、8,487,471、8,174,142、8,258,645、8,373,298、8,466,577和美国专利申请公布文本2014/40271183以及2014/0265344中示出了其它的设计，上述美国专利和美国专利申请公布文本的全部内容通过引用的方式被完全并入本文。

现有技术的风力涡轮机被安装在立式的塔上，并且塔在其基部通过将塔安装在地下或安装在某些其它稳固的平台上而被支撑。当风力涡轮机在迎面的强风与涡轮机叶轮的成角度的叶片相接的情况下处于运行时，相当大的纵向力从涡轮机叶轮的叶片被传递至塔的上部部分，从而趋于使塔倾侧。这种水平的倾侧力通常远大于与涡轮机叶轮的叶片的成角度的表面相接并致使涡轮机叶轮进行旋转的周向风力。该纵向力要求用于风力涡轮机的塔要非常坚固以避免倾倒。

同时，已在风稳定而普遍的开阔的陆地地区中使用风力涡轮机，最适于在风力涡轮机螺旋桨叶片上捕集风的陆地地区通常远离对电力需求高的地区。因此，需要通过导电线缆来将电力长距离地传输至有需求的地区。

在较大的水体上方，尤其是在大洋的上方产生的风不会遇到使风速趋于降低的山、建筑物和大陆的植被。风的湍流在水面上方通常比在陆地上方小。这可能是因为在不同的高度之间在陆地上方比在水体上方具有更大的温度变化，这显然是因为与陆地相比阳光被更多地吸收进水中，并且对于类似的条件，陆地的表面比水的表面变得更暖并辐射更多的热量。

而且，一些世界最大的城市的位置位于毗邻大型的水体(诸如大洋和海)，在该水体处风速不会减慢并且在水表面附近湍流更小并更可预测。因此，将风力涡轮机安置在大型的水体中可能具有一些优点，然而，这并非没有挑战。一种挑战在于如何固定风力涡轮机以使其不会在水面上漂流。已进行了若干尝试来提供水下固定系统，诸如美国专利8,118,538，其公开了一种风力涡轮机平台，该风力涡轮机平台可以是半潜式的，其中风力涡轮机延伸出水面而平衡装置在平台下方延伸。平台可飘浮在水的表面上并且可具有数个臂，该臂从风力涡轮机向外延伸以增大平台的覆盖区域。为了固定离岸的涡轮机，固定系统可将平台固定至海床同时使得飘浮的风力涡轮机能够随由潮汐变化或风暴潮造成的海平面的变化而被动地或主动地调整。

美国专利申请公布文本2013/0152839公开了一种飘浮的且重量稳定的风力涡轮机塔的系统，该风力涡轮机塔具有可单独浸水的隔舱和水上的空气动力学箱壳(encasement)以及附属的半潜式系泊结构，该半潜式系泊结构包括固定在海床上的固定装置、水平飘浮的水下系泊网状结构和系泊到风力涡轮机塔的放射状浮标电缆。美国专利申请公布文本2010/0290839公开了一种用于将物体固定至水体的底部的固定系统，该固定系统包括加重部分、在加重部分上的炸药装置、布置在加重部分上的可动的杆以及贯穿系统，该贯穿系统在引发炸药装置之后使杆向下移动。美国专利申请公布文本2009/0092449涉及一种用于飘浮的风力涡轮机设施的固定设备。这种风力涡轮机设施包括飘浮单元、被布置在飘浮单元上的塔、被安装在塔上的发电机以及固定绳装置，该发电机能够相对于风向进行旋转并且安装有风轮，该固定绳装置被连接至海床上的固定装置或固定点。

然而，这些设备中没有设备能够使支撑涡轮机叶轮的平台有效地旋转，从而使得涡轮机叶轮能够面对风的方向而不会围绕水下的固定绳旋转。进一步地，现有技术未公开要添加到现有的固定装置的稳固固定支撑系统。

随着越来越多地使用诸如风力涡轮机之类的替代能量系统，一个缺陷在于实际上或领会到认为这些大型的旋转结构会对鸟类，尤其是迁徙的鸟类造成危害。事实上，在2013年，据报告风能产业每年都杀死大量的鸟类。其它评论员表示尽管有鸟类因风力涡轮机而死亡的风险，但风险被夸大了。例如，由美国鱼类和野生动物服务机构做出的研究估计，每年有1.75亿只鸟因飞入电力线而死亡，每年有7200万只鸟被除草剂毒死，每年有660万只鸟死于飞入通讯塔，以及100万只鸟死于石油和天然气废物坑。相反，野生动物协会公报估计573,000只鸟被风力涡轮机杀死。尽管如此，防止实际上或察觉到鸟类不必要地死于风力涡轮机的这个问题仍是值得关注的问题。随着风力涡轮机的普及和增加使用，这个问题也将变大。另外，还有对风能公司误杀鹰的起诉。

已有某些尝试来防止鸟类穿过风力涡轮机造成的不必要死亡，其中包括美国专利8,742,977进行的尝试，其公开了一种收发分置的雷达系统，该雷达系统检测碰撞路径中的鸟并致动威慑手段。威慑手段可以是闪烁的频闪灯、强烈的声音或者是空气炮。美国公布文本2013/0101417公开了具有紫外线反光物质以防止鸟类撞击的风力涡轮机转子叶片。美国专利5,774,088公开了一种危害预警系统，该危害预警系统辐射介于1GHz到约40GHz的频率范围内的微波能量脉冲，以警示和警告飞行的目标鸟类存在风力涡轮发电机、电力分配系统、航空器以及其它受保护免于危害入侵的区域。美国专利9,046,080公开了在涡轮机叶片前缘上的能够瞬间充气的迷你气囊。

已知鸟类视力极好，正是这种感官有助于安全飞行。大多数鸟类是四色的，即具有四种类型的视锥细胞，这四种类型的视锥细胞各自具有不同的最大吸收峰值。某些鸟类的视锥细胞的最大吸收峰值由于最短波长延展到紫外(UV)范围而使得这些鸟类对紫外线敏感。鸟类由于超过100Hz的闪烁阈值还可以比人类更好地做出快速的移动。对于人类，当一个物体被另一个物体所遮盖时，人类的思想倾向于“补全”被遮盖的物体并“填补空白”以相信人类正看到整个物体。这被称为场景补全，一种被认为鸟类所不具有的特性。然而，鸟类确实具有非常好的解析力以清楚地看到并分辨出具有非常小灰度的图像。

被安置在水体上的风力涡轮机的另一优点在于，在水的表面的湍流更小的风使得涡轮机叶轮能够被支撑的更低，更靠近水的表面。这样，与通常在陆地安装的风力涡轮机所需的费用相比，使用高塔的费用趋于降低。

相应地，可能希望在水体上将风力涡轮机定位成离对电力有需求的大陆相对较近。而且，可能希望生产具有用于减小由涡轮机叶轮施加到风力涡轮机的塔或其它竖直支撑部的纵向力的装置的风力涡轮机。

利用鸟类的良好视力并将风力涡轮机构造和设置成具有额外的视觉安全特征也将是有利的，这使得鸟类能够察觉风力涡轮机并且第一时间避免碰撞。

发明内容

简而言之，本公开涉及一种用于发电的风力涡轮机组件，该风力涡轮机组件包括支撑部、涡轮机叶轮和被涡轮机叶轮驱动的发电机，该涡轮机叶轮以能够围绕纵向延伸的中心轴线旋转的方式被安装在支撑部上，该涡轮机叶轮包括圆形轮缘，该圆形轮缘与中心轴线同心并能够围绕该中心轴线旋转。

在一个实施例中，风力驱动的涡轮机叶轮可被安装在可飘浮的支撑部上，该支撑部能够在大型水体的表面上飘浮。可飘浮的支撑部可包括侧面推动器，该侧面推动器用于使风力涡轮机转动至迎面的大气风中。

该结构的另一新颖的特征可以是一种风力涡轮机，该风力涡轮机被安装在可飘浮的支撑部上，其中固定装置被拴接至风力涡轮机足够高的位置，以抵抗由大气风施加至涡轮的倾侧力。

本文所公开的风力涡轮机组件中的一种可包括可飘浮的支撑部，一对风力涡轮机被并排地安装在可飘浮的支撑部上，并且一个风力涡轮机的帆翼各自具有与另一风力涡轮机的帆翼的斜度相反的斜度，以平衡风力涡轮机的陀螺效应。

风力涡轮机组件的另一特征可包括拴接至可飘浮的支撑部的艏部的固定装置和侧面推动器，该侧面推动器用于使可飘浮的支撑部的艉部移动，以使风力涡轮机转动至大气风中。

风力涡轮机组件的另一特征可包括安装在可飘浮的支撑部上的一个或多个风力涡轮机，其中固定装置被直接拴接至风力涡轮机，以阻止风力涡轮机响应于指向风力涡轮机的强风而倾倒。

而且，风力涡轮机可包括由玻璃纤维或其它相对柔性的材料形成的帆翼，其中涡轮机叶轮所带有的形状控制装置用于使帆翼的端部中的至少一个围绕帆翼的纵向轴线旋转，以形成帆翼中的斜度或扭转。

风力涡轮机组件可包括不具有将可飘浮的支撑部支撑在一竖立高度的索具的可飘浮的支撑部。涡轮机固定装置可在可飘浮的支撑部的水平高度上方被附接至风力涡轮机并且可被布置成抵抗施加至风力涡轮机的纵向风力。

可根据下文的说明和附图来领会本文所公开的结构和工艺的其它特征和优点。

附图说明

图1是飘浮的风力涡轮机的前正视图，示出了涡轮机叶轮处于其竖立位置。

图2是图1的风力涡轮机的侧正视图。

图3是图1和图2的风力涡轮机的俯视图。

图4是图1的风力涡轮机的俯视图，但示出了涡轮机叶轮倾侧在其未运行位置。

图5是图4的风力涡轮机的侧视图，示出了涡轮机叶轮倾侧在其未运行位置。

图6是经修改的风力涡轮机叶轮的前正视图，该风力涡轮机叶轮与图1-5的涡轮机叶轮类似，但包括中间圆形轮缘，该中间圆形轮缘与外部圆周轮缘同心，该风力涡轮机叶轮具有被支撑在轮轴结构与中间支撑轮缘之间的内帆翼和被支撑在中间支撑轮缘与外部圆周轮缘之间的外帆翼。

图7是双风力涡轮机的前正视图，该双风力涡轮机具有安装在共用的可飘浮支撑部上的一对风力涡轮机叶轮。

图8是图6的双风力涡轮机的侧正视图。

图9是图6的双风力涡轮机的俯视图。

图10是与图7相似的双风力涡轮机的前正视图，但该双风力涡轮机包括经修改的固定结构。

图11是图10的风力涡轮机的俯视图。

图12是图1至图8的风力涡轮机的风帆中的一个的孤立视图。

图13是侧面推动器的透视图，该侧面推动器被安装至图1至图8的可飘浮的支撑部。

图14是图1至图8中示出的类型的涡轮机叶轮的侧视图，但示出了风力涡轮机的转子和定子的下部部分的更多细节。

图15是图11的发电机的侧正视图，示出了发电机的更多细节。

图16是图12和图13的发电机的转子和定子的一部分的特写的横截面视图，示出了涡轮机叶轮的外周轮缘，该外周轮缘在其圆形路径的底部处用作为发电机的转子，并且示出了定子的中心部分。

图17是从图4翻转的转子的横截面视图。

图18是发电机的另一细节视图的特写，示出了通过成对的轮驱动发电机的外周轮缘，该成对的轮与风力涡轮机的外周轮缘接合。

图19是双风力涡轮机的前正视图，该双风力涡轮机具有安装在共用的可飘浮支撑部上的一对风力涡轮机叶轮和使可飘浮支撑部稳定的外索具。

图20是图19的双风力涡轮机的侧正视图。

图21是图19和图20的双风力涡轮机的俯视图。

图22A是本发明的各方面处于总体静止的布置下时的前正视图。

图22B是本发明的各方面处于旋转的布置下时的前正视图。

图23A是本发明的各方面的俯视图。

图23B至图23E是本发明的各方面的侧视图。

具体实施方式

现在更具体地参照附图，在附图中，在数个视图中从始至终地，相同的附图标记指代相同的部件，图1示出了一种风力涡轮机20，该风力涡轮机被设计成用于捕集风并出于发电的目的进行旋转。风力涡轮机包括涡轮机叶轮22，该涡轮机叶轮具有由一系列角撑24和圆形的外周轮缘26形成的外周部23，该圆形的外周轮缘围绕涡轮机叶轮连续地延伸。圆形的外周轮缘可由弧形的部段形成，并且如在后文所更详细地说明的，外周轮缘可起到发电机的转子的作用，或者可以起到驱动发电机的转子的作用。

轮轴结构28处于涡轮机叶轮22的中心，多个帆翼组件30被安装到轮轴结构28并且径向地延伸向形成涡轮机叶轮的外周部的角撑24。涡轮机叶轮围绕中心轴29旋转。

风力涡轮机组件可被使用在诸如海洋或湖31之类的水体上，在该水体上的大气风37与在大陆上空的大气风相比通常具有更高的速度、更小的湍流并且更可预测。当在水上使用时，涡轮机组件可包括可飘浮的支撑部33，诸如浮船、驳船或其它合适的可飘浮的支撑部。图1至图5的可飘浮的支撑部为具有平行的浮筒35和浮筒36的浮船。图1至图5的风力涡轮机组件包括可折叠的塔组件32，该塔组件包括一对塔臂32A和32B，这对塔臂在其下端部部分处被分别连接至浮筒36和浮筒35，并且在竖直平面中向上朝向彼此会聚，直至一向上顶点，该向上顶点在涡轮机叶轮22的轴向结构28处支撑支承壳体38。塔臂32A和32B围绕其下端部能够被折叠至更横卧的高度，如图5所示，使得涡轮机叶轮22在浮筒35和浮筒36上方更加朝向仰卧的位置移动。

稳定臂40和稳定臂41相互平行并从浮船向上倾斜，并且其被可枢转地安装到支承壳体38。稳定臂40和稳定臂41的下端部被可释放地连接至浮船的横框，诸如横框44。当涡轮机叶轮22被朝向其仰卧位置倾斜时，稳定臂40和稳定臂41的下端部与横框构件44分离，使得涡轮机叶轮22能够朝向其仰卧位置倾倒。

液压缸46在其下端部处被安装到悬挂框架48，并且该液压缸在其上端部处被安装到支承壳体38。当液压缸46扩张时，其将可折叠的塔组件32保持在该塔组件的竖立高度，使得稳定臂40和稳定臂41能够在其下端部处被连接至横框构件44，从而将涡轮机叶轮22保持在其竖立位置。然而，当稳定臂40和稳定臂41在其下端部处与横框构件44分开时，液压缸46可以缩回，使得涡轮机叶轮22朝向其仰卧位置倾倒，如图5所示。

在将风力涡轮机组件运输至其工作场所或从其工作场所进行运输，用以维护或维修时，可使用可折叠的支撑部。如果需要，风力涡轮机还可被支撑在由可飘浮的支撑部承载的不可折叠的、更长久竖立的塔上。

考虑风力涡轮机组件20的可飘浮的支撑部33具有艏部50和艉部52。涡轮机叶轮22面对艏部50。侧面推动器54可被安装到浮筒35和浮筒36，通常是被安装在浮筒的艉部52处。艏部50可通过第一固定绳55或其它合适的装置连接到固定装置，诸如连接到固定的浮标56，该浮标用作为固定装置。固定装置56可包括桥墩、锚、码头或通常不能够从在水体中或在水体附近的指定位置移动的其它装置。固定绳55可以是链条、线缆、绞缠的麻绳或其它常规的装置，或者可以是这些连接装置与其它用于将可飘浮的支撑部连接至固定装置的连接装置的组合。

当大气风37迎着风力涡轮机组件20运动时，风力涡轮机组件所被系到的固定装置(浮标、桥墩等)使得可飘浮的支撑部的艏部50稳定，通常会致使风力涡轮机组件向其固定装置的下风方向移动。为了确保涡轮机叶轮22面对迎面的大气风，在图1至图5和图11中示出的侧面推动器54可响应于风向探测器(未示出)而被致动，这趋向于使可飘浮的支撑部转动并因此使涡轮机叶轮更直接地转动至大气风中。

图11的侧面推动器54通常被安装至可飘浮的支撑部33的艉部52，如图1至图5所示，使得固定装置56、60等使可飘浮的支撑部的艏部稳定而侧面推动器趋于使艉部转动而与艏部和大气风对齐。这确保了涡轮机叶轮22更直接地面对迎面的大气风，利用风穿过帆翼组件30的运动，使得涡轮机叶轮22进行有效的旋转。有时被称为“艏部推动器”的侧面推动器在本领域是常规的并且可以在位于佛罗里达州、迈阿密33142的Mabru Thrusters找到。

如图2和图5所示，诸如浮标56、桥墩或其它用于风力涡轮机组件的静止的停靠点58的固定装置包括连接到风力涡轮机组件20的发电机150的电连接装置(未示出)和连接到接收装置的导电装置62，该接收装置可以位于邻近的大陆上，用于传输由风力涡轮机组件产生的电能。

涡轮机叶轮和其可飘浮的支撑部在长度、宽度和高度上可能非常大。由于大气风的速度不受控并且由于风力涡轮机组件的其它尺寸较大，所以希望将风力涡轮机组件构造成使其抵抗由面对大气风造成的倾覆或倾倒或其它的偏斜，并且希望使施加到塔32和其稳定臂40与41的纵向的以及其它水平的力最小化。如图2所示，另外地或替代地，第二固定绳57在其端部中的一个端部处可被连接至涡轮机叶轮22的轮轴结构28，而在其另一端部处被连接至固定装置59。第二固定绳57可由与上文所述的用于第一固定绳的材料相同或相似的材料制成。第二固定装置59可以是任何阻止移动的设备，包括诸如桥墩、浮标、常规的锚和适于将风力涡轮机组件保持在其预定位置的其它设备的静止结构，该第二固定装置包括但不限于上文针对第一固定装置所说明的那些固定装置。通常，如果固定绳被连接到水下的固定装置，则固定绳应足够长，以具有至少约为七比一的长高比。

第二固定绳57与涡轮机叶轮22的轮轴结构28的连接处位于施加到涡轮机叶轮的风力的中心。固定绳与涡轮机叶轮的位于中心的连接处对风力涡轮机提供了平衡的纵向支撑，该平衡的纵向支撑直接与迎面的风37的方向相反并且减轻了由涡轮机叶轮另外施加到从涡轮机叶轮延伸至可飘浮的支撑部的塔结构的力。因为涡轮机叶轮通常被定心在可飘浮的支撑部的中间部分上，所以由固定绳施加的限制风力涡轮机组件向下风方向移动的限制力趋于将风力涡轮机组件保持在其竖立高度并面对迎面的大气风。固定绳57与轮轴结构的连接处处于塔组件32的上端部分，该上端部分与由迎面的风力施加的、被施加到风力涡轮机叶轮22的纵向力相对并抵抗该纵向力。因此，由固定绳施加的力抵抗塔32的倾倒并使得与在不包括固定装置59和固定绳57的情况下所要求的相比，塔结构可以不那样坚固、成本更低以及更轻。

图6示出了一种涡轮机叶轮的经修改的形式。涡轮机叶轮64包括外轮缘66和中间轮缘68，两个轮缘都是圆形的并与涡轮机叶轮的旋转轴线同心。多个内帆翼70在轮轴结构与中间轮缘68之间延伸，多个外帆翼72在圆形的中间轮缘68与圆形的外轮缘66之间延伸。外帆翼72的斜度通常与内帆翼70的斜度不同，因为外帆翼的圆周速度大于内帆翼的圆周速度。而且，使用圆形的中间轮缘68使得内帆翼和外帆翼稳定，以使得内帆翼70和外帆翼72的总长度可大于在单个一组帆翼上所能实现的长度。

如图2、图3和图5所示，涡轮机叶轮的轮轴结构28具有比圆形的外周轮缘26更厚的厚度。多个轮辐76从轮轴结构28的端部向外延伸并会聚到关于圆形的外周轮缘26的支撑联系件(supporting relationship)中。这样对圆形的外周轮缘26提供了侧向和径向的稳定性。

图7至图9示出了一种风力涡轮机组件80，该风力涡轮机组件为图1至图5的风力涡轮机组件的“双子”组件，该风力涡轮机组件包括与图1至图5的涡轮机叶轮22大致相同的涡轮机叶轮82和涡轮机叶轮83。可飘浮的支撑部33被修改成提供与外浮筒86和外浮筒88平行的中心浮筒84，所有的浮筒支撑如联系图1至图5所说明的涡轮机叶轮。

一个涡轮机叶轮82的帆翼90可被定向成具有一桨距，使得大气风将使涡轮机叶轮沿顺时针方向旋转，而另一涡轮机叶轮83的帆翼90被以与涡轮机叶轮82的帆翼相反的桨距定向。这致使涡轮机叶轮当面对迎面的大气风时沿相反的方向旋转。这趋于中和双子风力涡轮机组件80的涡轮机叶轮的旋转的回转效应。

图10和图11示出了与图7至图9相似的双子风力涡轮机组件，但该双子风力涡轮机组件具有固定绳85，该固定绳在其远端端部处连接到固定装置86以及在其近端端部处连接到水平横撑87，该横撑用作为水平塔。水平横撑87在其端部部分处连接到每个涡轮机叶轮的轮轴结构28的壳体。刚性的连接件88在一个端部处连接至水平横撑87并且在涡轮机叶轮82、83之间向前延伸并连接至更柔性的固定绳85。这避免了更柔性的固定绳85与涡轮机叶轮82、83之间的接触。这样，将由固定装置86和固定绳85施加的纵向支撑置于涡轮机叶轮的轴向中心处、在涡轮机叶轮的所需的中间高度处、处于塔的基部的上方，其中由固定装置施加的力被定位在每个涡轮机的轮轴结构的中心处。

图12示出了帆翼组件30中的一个。帆翼组件包括由柔性材料(诸如帆布或细玻璃纤维或当被成型为细长的形状时能够弯曲的其它材料)形成的帆翼92。帆翼92包括纵向轴线94、相对的侧边缘95和侧边缘96以及内端部97和外端部98。支撑线缆100、101邻近相对的侧边缘95和侧边缘96并延伸穿过帆翼92，并且该支撑线缆延伸穿过帆翼的内端部和外端部。

形状控制装置被定位在帆翼92的端部处。形状控制装置包括在帆翼92的内端部97处的侧向延伸的端部支撑件103和在该帆翼的外端部98处的相似的侧向延伸的端部支撑件104。侧向延伸的端部支撑件103和端部支撑件104在其端部处被连接到支撑线缆。侧向延伸的端部支撑件103和端部支撑件104能够围绕其中间长度处旋转，该中间长度处与风帆的纵向轴线94对齐，如由箭头113和箭头114所示的。侧向延伸的端部支撑件的旋转致使线缆100和线缆101的端部围绕帆翼92的纵向轴线94旋转。当线缆的端部沿同一方向被旋转时，帆翼形成用于捕集大气风的斜度。当线缆沿相反的方向被旋转时，帆翼沿帆翼的长度形成扭转。

沿帆翼92的长度可以以不同的间隔将该帆翼的材料制造得更坚固或更薄弱，通常是通过降低帆翼的在某些区域中的材料的密度。这使得帆翼在被弱化的区域处比在更坚固的区域处能够更大程度地扭转。例如，被标示为106的区域为经弱化的区域，使得当外端部98相对于内端部97被转动时，帆翼被扭转。帆翼趋向于在经弱化的区域106中比在该帆翼的坚固区域中更大程度地扭转，这使得沿帆翼的长度能够形成可变的斜度。

如图12所示，在帆翼的外端部处的侧向延伸的端部支撑件104被连接至回转环108，该回转环转而被连接至处于涡轮机叶轮的外周轮缘处的角撑24(图1至图5)，并且马达驱动的齿轮110可与回转环接合并控制侧向延伸的端部支撑件104的旋转运动。相似的侧向延伸的端部支撑件103被连接至处于内轮轴结构28处的回转环107，并且马达驱动的齿轮110可起到使侧向延伸的翼支撑件103旋转的作用。

对于这种布置，回转环107和回转环108、侧向延伸的端部支撑件103和端部支撑件104以及支撑线缆100和支撑线缆101被用作为形状控制装置，该形状控制装置用于调整每个帆翼的斜度和扭转。形状控制装置可被用作为赋予帆翼一纵向的扭转。

如图1、图2和图5所示，至少一个发电机170位于涡轮机叶轮的圆形的外周轮缘的下部圆弧处。圆形的外周轮缘的旋转运动被用于产生电力。

在附图中的图14至图17中示出了一种类型的发电机150。涡轮机叶轮22的圆形的外周轮缘126被用作为发电机的转子。如图15和图16所示，定子组件172被安装在涡轮机叶轮122的外周处并且被定位成接纳圆形的外周轮缘126，该外周轮缘被用作为发电机的转子。转子126被成型为围绕涡轮机叶轮的外周的弧形部段，并且转子的每个弧形部段均包括其自身的线圈160。

如图17所示，转子部段各自包括封闭的壳体154，该壳体具有平的相对的侧壁155和侧壁156、内端部壁158和外端部壁159。电线圈160被定位在封闭的壳体中，其中在线圈160与外端部壁159之间形成空间162。出于强度和从转子126散热的目的，冷却翅片164从外端部壁159延伸。而且，诸如油的冷却液体166占据围绕线圈160的空间中的一些空间。冷却液体166可不完全充满其转子部段的内部，而是在转子部段内部留出空间。随着涡轮机叶轮旋转，转子126的部段将翻转，其中图16示出了在转子的旋转圆弧的下部圆弧处的转子部段，并且图17示出了在通过转子的旋转圆弧的上部圆弧时的转子部段。冷却液体166受重力和离心力的影响而在转子126的内部移动，从而与线圈、与相对的侧壁155和侧壁156的内部面对的表面以及与内端部壁158和外端部壁159的内部面对的表面接触。这趋向于将线圈的热量传递到转子的壁，这样当转子移动离开定子并之后向定子返回时，冷却翅片164和转子的壁的外表面趋于放出其热量。

如图16所示，定子152包括定子半部170和定子半部171，该定子半部被定位在当转子在涡轮机叶轮122上旋转时转子126的路径的相对侧。定子半部170和定子半部171可大致相同并各自包括大致为杯形形状的定子壳体172，该定子壳体具有其面对转子126的相对的侧壁155和侧壁156的开口174。围绕杯形形状的定子壳体的边缘176各自具有面对转子的平的框边，框边的形状被设置为用于使从定子壳体逸出的空气在每个定子壳体与转子之间形成空气薄膜，使得在定子壳体与转子之间形成空气支承部。该空气支承部减小了转子与定子之间的摩擦力。

定子半部的线圈160被定子壳体172保持与转子126并置。

在杯形形状的定子壳体中形成处于定子线圈180后方的空间182，其中该空间形成用于使空气移动穿过定子的线圈的空气通道。空气导管184与每个定子壳体172的空间182连通，以对处于定子线圈160后方的空气通道182、184供应空气198，使得空气从空气源198移动并通过空气通道182穿过定子线圈180，以对定子线圈进行冷却。在空气移动穿过并围绕定子线圈之后，空气在转子126的平的面与杯形形状的定子壳体172的边缘176之间穿过。当空气通过杯形形状的定子壳体172的边缘176时，空气在定子壳体172与转子126的面对的表面之间形成空气支承部。从定子壳体的边缘移动的空气形成紧靠转子126的平的面对的表面的空气支承部，该空气支承部确保了定子壳体将不会与转子的表面摩擦接合。

涡轮机叶轮可具有非常大的超过100英尺的直径。当具有这样大的尺寸的涡轮机叶轮旋转时，转子部段126将很可能不精确地沿循相同的路径，使得转子部段在移动通过定子时可能经历侧向的摇摆运动和/或较浅或较深地移动至定子组件172中。由于这种运动的可能性，希望使定子响应于转子的侧向运动而侧向地移动，并且希望将转子构造成具有大于定子的高度的高度，使得定子能够总是处于转子的线圈的电场中。

如图15所示，为了适应转子126的可能的侧向运动，定子组件152包括支撑平台186，该支撑平台具有支撑框架，该支撑框架具有安装在支撑平台上的定子支撑轨道188。定子壳体172通过滚轮(诸如可沿定子支撑轨道188行进的滚轮190)被安装在支撑轨道188上。可膨胀的波纹管192被定位在定子壳体192的封闭侧。波纹管192呈气囊的形状，该气囊在一端各自连接到定子壳体192并且在远端端部处被定子的支撑框架187支撑。当波纹管192膨胀时，其将定子壳体192推向与转子126接合，其中在定子壳体的边缘处的空气支承部有助于避免定子壳体与转子接触。在处于定子壳体的两侧的可膨胀的波纹管192中保持相等的压力，使得当转子侧向移动时，波纹管趋于沿同一转子侧向移动方向推动定子。因此，气囊用作为与所述定子壳体接合并用于将所述定子推向所述转子的第一偏移装置。

为了在发电机停止运转时确保定子会减轻其朝向转子的力，拉伸盘簧194从侧向支撑结构187延伸到定子壳体172，该拉伸盘簧趋于将定子壳体推动远离转子。因此，弹簧用作为与所述定子壳体接合并用于将所述定子推动远离所述转子的第二偏移装置。

图15示出了用于定子组件152的空气供应系统。具有常规设计的空气供应设备(未示出)与空气导管系统200连通。加压空气198通过处于定子的相对的端部处的导管202、空气压力调节器204和空气压力释放阀206流动至可膨胀的一系列波纹管192。至波纹管的空气压力通过空气压力调节器204被调节，以将定子壳体192朝向转子126施加，其中相等的压力被施加到处于转子两侧的波纹管。

空气减压阀206用作于当空气压力下降至预定的值以下时从波纹管192排放空气。这使得在空气压力耗尽时弹簧194能够将定子壳体移动远离转子。

同样地，空气压力控制阀208控制如之前所描述的空气穿过导管184向定子壳体192的移动。这样保持了对定子线圈进行冷却并在杯形形状的定子壳体的边缘处相对于转子126的面对的表面产生了空气支承部。

虽然预期定子的上述可调整的定位特征将足以使定子壳体精确地跟随转子的侧向移动，但仍可使用来自空气源198的空气来在支撑平台186与该支撑平台的支撑表面212之间形成空气支承部。支撑平台186的外周被形成为具有向下延伸的边缘214，该边缘形成支撑平台186的底部表面与面向上的支撑表面212之间的封闭空间216。空气移动穿过向下延伸的导管218至空间216中，从而产生了足够大的向上的力，以抬升支撑平台，由此随着逸出的空气220的移动而在外周边缘214下方形成了空间。逸出的空气220形成了处于支撑平台186下方的空气支承部，这使得支撑平台能够跟随转子126的侧向移动而沿侧向进行移动。

图18示出了另一类型的发电机。涡轮机叶轮的外周轮缘226包括相对的、侧向面向外的表面228、229，该表面与涡轮机叶轮22A一致地移动。诸如橡胶轮胎的一对旋转构件230和231被支撑为分别与外周轮缘226的面向外的表面228和表面229接合。轮胎被支撑在轮轴232和轮轴233上，并且该轮轴通过齿轮箱236和齿轮箱237被分别连接至发电机234和发电机235。双向迫紧器240在其相对的端部处通过支承件242和支承件243分别被连接至轮轴232和轮轴233。双向迫紧器被紧固为使得轮胎230和轮胎231与涡轮机叶轮的外周轮缘226的相对的表面形成牢固并弹性的接合。

发电机234和发电机235被分别安装在轮242和轮243上，并且该轮与轨道245接合。

预期涡轮机叶轮20A的直径可能较大，在某些情况下直径会大于100英尺。由于涡轮机叶轮的大尺寸以及涡轮机叶轮的由大气风的强度和方向引起的轻微侧向移动，外周轮缘226很可能发生侧向移动以及沿其圆形路径进行移动。将用于旋转构件230和旋转构件231的支撑系统的布置形成为对侧向移动进行补偿。例如，如果图18的外周轮缘226其下部圆弧处向图18的左侧移动，则旋转构件230和旋转构件231以及其附接的部件(包括齿轮箱236和齿轮箱237、双向迫紧器240以及发电机234和发电机235)由于滚轮242和滚轮243沿轨道245进行移动而均自由向左移动。同样地，也适于以同样的方式向右移动。

图19至图21示出了双风力涡轮机260，该双风力涡轮机具有一对被安装在共用的可飘浮的支撑部266上的风力涡轮机叶轮262、264和使可飘浮的支撑部稳定的外索具268。外索具268各自包括侧向延伸的支撑臂270A-270F，该支撑臂支撑水下的海锚272A-272F以及该海锚的悬挂绳274。

当可飘浮的支撑部266发生滚转时，连接至海锚的、在可飘浮的支撑部向下倾斜的这一侧的绳趋于松弛，而连接至海锚的、在可飘浮的支撑部向上倾斜的另一侧的绳趋于抵抗向上移动。这趋于减小了可飘浮的支撑部和被支撑在该可飘浮的支撑部上的风力涡轮机组件的滚转。

虽然海锚272及其索具被公开为与图19至图21的双风力涡轮机连接，但应理解的是，海锚可被使用为与诸如图1至图5和图7至图11所示的单个风力涡轮机组件连接以及被使用为以本发明的其它形式连接。

使用海锚272允许使用更窄的可飘浮支撑部。

参照示出了静止的涡轮机叶轮的图22A，在一个实施例中可具有一组在前的轮辐和一组在后的轮辐。在前的这组轮辐被设置成最靠近固定绳，而在后的这组轮辐被设置在平台的后部。在前的这组轮辐可包括飘带300，该飘带被附接至轮辐的端部之间的点。在一个实施例中，飘带可沿径向距离302延伸超过一半。外部这组飘带被附接至处于中间轮缘和外轮缘之间的轮辐。内部这组飘带可被附接至处于中间轮缘的外周的内部的轮辐。轮辐可被布置成当从前方观察涡轮机叶轮时从内帆翼和外帆翼偏移，轮辐是与外帆翼和内帆翼交错的。飘带可以是天然的或合成的材料并且可以反射紫外线，这使得鸟类在飞行中能够看到飘带并躲避。外轮缘也可以反射紫外线。

在一个实施例中，飘带的长度随着沿轮辐设置的飘带被定位成靠近涡轮机叶轮的中心而减小。这允许一种协调的视觉效果，以使得涡轮机叶轮表现出具有更多的结构，以使鸟类能够避免撞击涡轮机叶轮。飘带可被设置在被限定于相邻的轮辐之间的空间中、在被限定于轮辐与帆翼之间的空间中以及当涡轮机叶轮旋转时在外轮缘与中间轮缘之间的空间中。飘带可具有一定长度，该长度小于相邻的轮辐之间的距离、约为相邻的轮辐之间的距离的一半、大于相邻的轮辐之间的距离的大约一半或者为任一种组合。飘带可具有不同的颜色并且可根据周围的环境来选择飘带的颜色，以使鸟类能够利用其能力来看到颜色和对比。例如，用于飘带的颜色可被选择为与周围环境不同的颜色并且比周围的环境更鲜明。

在一个实施例中，使用公式来选择颜色：

其中I为飘带的亮度，I_b为周围环境的亮度。基于涡轮机叶轮与景观的关系，飘带的颜色基于与涡轮机叶轮存在对比的环境背景在涡轮机叶轮的外周处可以与中心处不同。

参照图22B，涡轮机叶轮被示出为沿方向304旋转。飘带由于各种作用力(包括向前的运动力、阻力和向心力)而从前轮辐向后延伸，并且该飘带被设置在被限定于相邻的轮辐之间的空间(诸如306)中。飘带可被设置在被限定于轮辐与外帆翼和内帆翼之间的空间中。当涡轮机叶轮旋转时，飘带使得涡轮机叶轮能够更容易被看到并且因此使得鸟类能够更好地发觉涡轮机叶轮并避免飞入涡轮机叶轮。飘带的长度可改变，该长度在涡轮机叶轮的外周处可以较长，而在涡轮机叶轮的中心附近可以较短。

参照图23A，固定的浮标56可通过固定绳310a至310c被固定至海床或其它水体的底部。浮标可在水面飘浮或飘浮在水面上方，或者可以在水下。通过以停靠绳301将平台附接至浮标，平台通常可以沿着如303所示的路径而围绕浮标旋转，使得涡轮机叶轮面向与风向315相对，从而使得涡轮机叶轮面对风。此外，当与平台被直接固定至海床相比时，在平台沿旋转路径行进期间，该平台可能占据的区域要长得多。固定绳可通过固定装置312a至312c被固定至海床或水体的底部。通常，水深与固定绳长度的比为1:7并且对于恶劣的水状况或天气状况可超过1:10。因此，固定装置可以非常深，从而使得不易于对主固定装置312a至312c安装额外的支撑结构。一旦安装了主固定绳，则可安装固定装置支撑结构314，而不必实际位于主固定装置深度处。

参照图23B，机动船316可被用于安装固定装置支撑结构。船包括下降绳318，该下降绳具有被拴接到船上的一端和循环降下次级固定装置320以及返回到船上的动作的另一端。当下降绳被放出时，次级固定装置沿如322所示的方向落向底部。可将环或滑接部可滑动地附接至主固定绳310b和次级固定绳326，该次级固定绳被附接至次级固定装置。当船沿方向328行进并放出下降绳时，滑接部沿如330所示的方向沿着主固定绳向下行进而固定装置沿方向328行进。下降绳从浮标向外拉动次级固定装置，其中次级固定装置与海床接触。次级固定绳可被拉动离开主固定装置，以在次级固定绳上产生张力，以将次级固定装置合适地设置在海床中。一旦次级固定装置被设置，则下降绳的端部与船分离并从次级固定装置收回，并且返回到船上，留下次级固定装置以如图23D所示地支撑主固定装置。可对多个次级固定装置重复该过程以增加在主固定装置处的固定装置支撑结构。

在一个实施例中，下降绳被可移除地附接至处于固定装置的头部处的环。在一个实施例中，下降绳被可移除地附接在如图23E所示的固定装置的顶部处或附接在该固定装置的顶部附近。在该实施例中，下降绳对固定装置的顶部施加向上的力，并造成对锚钩进行向上提升或向上提升至少一侧，使得当固定装置被下放时，锚爪尖刺入到海床中。这种构造使得能够在处于次级固定装置与主固定绳之间的次级固定绳上施加张力，以增大由固定装置支撑结构提供的支撑。当次级固定装置设置在海床中时，可对主固定绳施加张力，该张力沿如328所示的方向拉动该主固定绳并拉动其远离浮标。该张力使得次级固定装置能够对主固定绳提供更稳固的支撑系统。

如果需要移除次级固定装置，可将钩附接至下降绳，该钩可被用于钩住次级固定绳。于是次级固定绳可被拉至水面以强行移除次级固定装置。由于下降绳被拉至水面，滑接部沿着主固定绳向上行进，这使得次级固定装置能够被收回并从主固定绳被移除。

滑接部可以是围绕主固定绳的环。在一个实施例中，环可以被打开并从主固定绳移除，该环诸如具有扣环样式的设计。在一个实施例中，滑接部可包括附接至笼状架的滑轮。该笼状架可部分地或完全地包围主固定绳，这使得滑接部能够沿主固定绳滑动。在一个实施例中，通过将次级固定绳的一个端部围绕主固定绳打环而形成滑接部，这使得次级固定绳能够沿主固定绳滑动。还可通过在次级固定绳的可能包括嵌环的端部中形成捻接的孔(eye)来构成滑接部。

虽然本文使用了“发电机”这一表述，但应理解的是，该术语可能指代可被本文公开的风力涡轮机驱动的其它旋转设备，诸如交流发电机、泵等等。

虽然数幅附图示出了涡轮机组件被安装在可飘浮的支撑部上，但应理解的是，本文所公开的结构可被用在被安装于非飘浮的支撑部上的风力涡轮机组件上。例如，第二固定绳57可通过将固定绳连接至地面固定装置而被用在陆地安装的风力涡轮机上。

本领域技术人员应理解的是，虽然前面的描述详细阐述了本发明的优选实施例、修改、添加和可能对该优选实施例进行的改变，但这不脱离本发明的如权利要求所阐述的精神和范围。

Claims (20)

1.一种用于发电的风力涡轮机组件，包括：

可飘浮的支撑部，所述可飘浮的支撑部被构造成用于在水体中飘浮；

风力涡轮机叶轮，所述风力涡轮机叶轮被安装在所述可飘浮的支撑部上并具有圆形的轮缘和轮轴结构，所述轮缘被设置在所述风力涡轮机叶轮的外周处；

一组帆翼，所述帆翼从所述轮轴结构径向地延伸；

发电机，所述发电机被所述可飘浮的支撑部支撑并且被构造成与涡轮机叶轮接合，以响应于所述涡轮机叶轮的旋转而发电；

一组轮辐，所述轮辐被包括在涡轮机叶轮支撑部中，所述轮辐从所述涡轮机叶轮的中心延伸至涡轮机叶轮的圆形的轮缘；

一组飘带，所述飘带在一端被附接至所述轮辐并且包括自由端部，其中，所述自由端部被设置在当所述涡轮机叶轮旋转时在两个相邻的轮辐之间限定出的空间中；

浮标，所述浮标被主固定绳连接至主固定装置；

停靠绳，所述停靠绳被附接至所述可飘浮的支撑部和所述浮标，以将所述可飘浮的支撑部固定至所述浮标，所述停靠绳被构造成使得所述可飘浮的支撑部能够围绕所述浮标旋转，以使得所述涡轮机叶轮被旋转成沿风的方向；

滑接部，所述滑接部以可移除并可滑动的方式被附接至所述主固定绳；

次级固定绳，所述次级固定绳被附接至所述滑接部和次级固定装置，以及

下降绳，所述下降绳被可移除地附接至所述次级固定装置，所述下降绳被构造成使所述次级固定装置在所述主固定装置附近降下，以使得所述滑接部、所述次级固定绳和所述次级固定装置被构造成对所述主固定装置提供固定支撑结构。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述飘带能够反射紫外线。

3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述飘带的长度随着所述飘带沿所述轮辐被设置在靠近所述涡轮机叶轮的中心的位置而减小。

4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述飘带被设置在相邻的轮辐之间限定出的空间中。

5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述飘带大约为相邻的轮辐之间的距离的一半。

6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述下降绳被可移除地附接至所述次级固定装置的顶部处。

7.根据权利要求1所述的组件，所述组件包括多个次级固定装置，所述多个次级固定装置限定出用于所述主固定装置的固定支撑结构。

8.根据权利要求1所述的组件，其中，所述滑接部为围绕所述主固定绳的环。

9.根据权利要求1所述的组件，所述组件包括中间轮缘，所述中间轮缘被设置在所述涡轮机叶轮的中心与所述圆形的轮缘之间。

10.一种用于发电的风力涡轮机组件，包括：

支撑部；

风力涡轮机叶轮，所述风力涡轮机叶轮被安装在所述支撑部上并具有圆形的轮缘，所述轮缘被设置在所述风力涡轮机叶轮的外周处；

一组帆翼，所述帆翼由所述圆形的轮缘承载；

发电机，所述发电机被构造成与所述风力涡轮机叶轮接合，以响应于所述风力涡轮机叶轮的旋转而发电；

浮标，所述浮标被主固定绳连接至主固定装置；

停靠绳，所述停靠绳被附接至所述支撑部和所述浮标，以将所述支撑部固定至所述浮标，所述停靠绳被构造成使得所述支撑部能够围绕所述浮标旋转，以使得涡轮机叶轮被旋转成沿风的方向；

滑接部，所述滑接部以可移除并可滑动的方式被附接至所述主固定绳；

次级固定绳，所述次级固定绳被附接至所述滑接部和次级固定装置，以及

下降绳，所述下降绳被可移除地附接至所述次级固定装置，所述下降绳被构造成使所述次级固定装置降下至海床，以使得所述滑接部、所述次级固定绳和所述次级固定装置被构造成对所述主固定装置提供固定支撑结构。

11.根据权利要求1所述的组件，其中，当所述次级固定装置被设置在海床中时，所述滑接部施加从所述主固定装置向外的力，以张紧所述主固定绳。

12.根据权利要求10所述的组件，其中，所述下降绳被可移除地附接至所述次级固定装置的顶部处。

13.根据权利要求10所述的组件，所述组件包括多个次级固定装置，所述多个次级固定装置由所述主固定绳承载并被包括在用于所述主固定装置的固定支撑结构中。

14.根据权利要求13所述的组件，所述组件包括多个次级固定装置，所述多个次级固定装置各自具有附接至所述主固定绳的次级固定绳。

15.根据权利要求10所述的组件，其中，所述滑接部为围绕所述主固定绳的环。

16.根据权利要求10所述的组件，其中，所述下降绳被可移除地附接至船，在所述下降绳被从所述次级固定装置释放之前，所述船拉动所述次级固定装置远离所述浮标。

17.一种用于发电的风力涡轮机组件，包括：

支撑部，所述支撑部承载风力涡轮机叶轮，其中，所述风力涡轮机叶轮包括一组帆翼，所述帆翼从涡轮机叶轮的中心径向地延伸；

发电机，所述发电机被构造成与所述涡轮机叶轮接合，以响应于所述涡轮机叶轮的旋转而发电；

主固定装置，所述主固定装置被主固定绳连接至所述支撑部，以使得可飘浮的支撑部能够旋转成沿风的方向；

滑接部，所述滑接部以可移除并可滑动的方式被附接至所述主固定绳；

次级固定绳，所述次级固定绳被附接至所述滑接部和次级固定装置，以及

下降绳，所述下降绳被可移除地附接至所述次级固定装置，所述下降绳被构造成使所述次级固定装置在所述主固定装置附近降下，以使得所述滑接部、所述次级固定绳和所述次级固定装置被构造成对所述主固定装置提供固定支撑结构。

18.根据权利要求17所述的组件，其中，所述滑接部为围绕所述主固定绳的环。

19.根据权利要求17所述的组件，其中，所述下降绳被可移除地附接至所述次级固定装置的顶部处。

20.根据权利要求17所述的组件，所述组件包括多个次级固定装置，所述多个次级固定装置由所述主固定绳承载并被包括在用于所述主固定装置的固定支撑结构中。