CN1238632C - 具有气流加速的风塔 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有转子的风塔，所述转子的叶片与将风能转化成其它形式能量的装置相连，该风塔包括在气流进气部和气流出气部之间设置有变窄部分的风道导管，在其中一个可能的实施例里，所述变窄部分设置在导管的中部，所述转子在变窄部分的中央转动。风塔也可以设置有掠过区域为圆顶形状的转子和导管，所述导管具有适应于所述形状或与它们类似的形状。所述风塔还可以包括位于导管进风口的风力激励器和关闭进风口的装置。

Description

具有气流加速的风塔
技术领域
本发明涉及一种捕获风能并将其转化成电能、机械能或者其他形式能量的风力发电机。
背景技术
在本发明涉及的风力发电机中，存在三个有问题的方面，它们已经成为不同技术方案所要达到的目的。
首先，如Betz的理论中所述的，风能使用的优化带来了风力发电机的技术方案，其中转子叶片具有能接近风能利用最大潜力水平的形状，尤其是避免由于紊流产生的不利因素，而且还提出了具有可变的转子方位的风力发电机的技术方案，其中转子方位可以根据风向调整。
其次，已有各种不同的技术方案用于解决尤其在具有大尺寸转子叶片的风力发电机中产生的机械问题，实际上，目前已存在具有直径为60米到80米的转子的风力发电机，其运转令人满意。
第三，将风能转化成尤其是电能的能力形式已经是不同技术方案的目的。
尽管已知技术取得的风力发电机相对于最初对其的设想产生电能的能力已经达到了相当的水平，但是，这种发电机，尤其是那些大尺寸的风力发电机，安装复杂，而且需要很高的投资，因此限制了它们的应用。
本发明致力于解决上述存在的缺点。上述不同的技术方案基于能量产生决定因素其中的一个起作用，即转子叶片掠过的区域，从而解决使用大直径转子带来的问题，以获得更大的能量，本发明的技术方案基于其他因素：风速，通过加速它的流动起作用。
这也是FR1035426和FR2450252中公开的装置所要达到的目的。尤其是FR2450252中公开了一种在一个风道导管里面具有旋转的螺旋件或涡轮的风力装置。
发明内容
根据本发明的第一目的，提供一种具有转子叶片的风力发电机，所述叶片与将风能转化成其它形式能量的装置相连而转动，该风力发电机包括风道导管，该风道导管具有进风区域和出风区域，所述进风区域由接受气流的第一区域和加速气流的第二区域构成，所述第二区域具有第一部分和第二部分，第一部分具有逐渐减小的横截面，第二部分具有恒定的截面，所述转子位于第二部分的端部，所述区域的形状是这样的，即加速气流的方向垂直于转子的掠过平面；所述出风区域由第三区域和截面恒定的第四区域构成，所述第三区域具有截面恒定的第一部分和截面逐渐增加的第二部分，所述第三和第四区域的形状相对于所述转子的掠过平面分别与所述进风区域的第二区域和第一区域略微对称。这种结构通过小直径转子来加速气流，其效果与目前使用大直径转子的效果类似。对于这部分，导管的并入大大简化了使用大直径转子带来的机械方面及与将风能转换为电能或其它形式能量的装置有关方面的问题。
在本说明书中，术语“风塔”是用于命名本发明的发明目的，以替代风力发电机或者其他用于将风能转化为其它能量的装置的名字，因为尽管它们具有类似的目的，上述导管的并入却使其有着不同的外观。但是，在权利要求中，我们将使用风力发电机以避免对“风塔”含义的误解。
根据本发明的第二目的，提供一种风塔，其中所有的风道导管区域都具有圆形截面，及所述转子掠过圆形区域。
根据本发明的第一和第二个目的，本发明第三目的涉及风塔中附加的用来关闭风道导管进风口的关闭装置和调节风进入速度的装置，以便提供与相应能量产生装置相关的转子，并具有将风能转化成其它形式能量的最佳的风流动速度。
参考附图和与附图有关的实施例，下面对本发明的其它特点和优点将进行详细的描述，但并不是用来限制本发明。
附图说明
图1中左侧是现有技术中风力发电机的侧视图，右侧是现有技术中风力发电机的正视图；
图2是构成现有技术风力发电机元件的详细视图；
图3左侧是根据本发明第一和第三发明目的的风塔的垂直截面视图，右侧是其正视图；
图4是根据本发明第一和第三发明目的的风塔风道导管的纵向截面视图；
图5是根据本发明第二和第三发明目的的风塔风道导管的纵向截面视图；
图6是根据本发明第二发明目的的风塔中使用的圆顶形转子的正视图；
图7和图8是根据本发明第二发明目的的风塔不同实施例的类似于图5和6的纵向截面视图和正视图。
具体实施方式
在图1和图2中，可以看出，现有技术中用于产生电能的风力发电机1由支撑塔2，带有三个叶片5，6，7的转子3，及容纳能够产生电能的必要元件的罩壳4组成，所述必要元件包括通过轴12与转子3毂11相连的发电机10，其上设置有倍增器13用来控制转子3的方位和运动，其中包括电机减速单元15和供给制动的液压单元16以及调节叶片掠过的机构。
参考图3，下面描述根据本发明第一个目的风塔20，其中可以看出，风塔由支撑结构21，带有进风口23，中心变窄部分24和出风口25的导管22，罩壳26，带有叶片31，32，33的转子30组成，以及根据本发明第三个目的的带有叶片36，37，38的风力激励器35。
现有技术中的风力发电机与本发明风塔20的基本区别在于具有具有中心变窄部分24的导管22，旨在加速转子所在区域的气流。为了能够达到相似的能量，这种加速使得风塔20的转子30直径小于风力发电机1转子3的直径，其优点是简化了风塔20的建造。
从这个角度，可以知道，现有风力发电机1的支撑塔2必须足够高以便捕获更高高度的高速气流，因此叶片5，6，7的端部与地面的距离也需要慎重选择，同时它们还必须很细以防止由于它们端部的强烈后掠而产生的碰撞，由于空气动力的原因，正如我们所说过的，这些叶片的结构性功能相当于具有小边缘的悬臂梁，它们的长度可以达到30-40米。可以理解，这些高度和细长度会带来严重的建造问题。正是出于这种原因，转子30的小直径允许更大的转动角速度，从而消除了已知风力发电机中所需的倍增器13。
如图4详细示出的，导管22的形状使箭头线所示的气流相对于导管进风口的气流速度加速，气流的方向大致垂直于转子30的掠过平面。具有恒定圆形截面的第一区域43和第二区域44用来加速气流，第二区域44具有圆形截面逐渐增加的第一部分45和第二部分46，第二部分46具有恒定的截面积，并且转子30设置在其端部，而第三和第四区域47和48用于排放气流，它们形状分别所述第一，第二区域的形状对称。
在图3和图4中，导管2在其所有区域都用圆形横截面表示，但是本发明还包括其他任何形状横截面的导管，只要该形状能够以这样的方式导引气流就可以，即在中心变窄部分30，它们的方向大致垂直于转子30的掠过面。
罩壳26用来容纳与现有技术中风力发电机1的罩壳4内所容纳的用来控制导管22和转子30组件的方位和运动的类似装置。
风塔20的支撑结构21用矩形形状表示，但其仅仅表示它并不需要已知风力发电机支撑塔1那样的高度和细长度，任何简便的结构都可以使用。
可以估计，本发明功率为250Kw的风塔20需要具有进风口23直径为8米的导管22和掠过区域直径为6米的转子30。而功率为250Kw的已知风力发电机1需要掠过区域直径为30米的转子30。
参考图5，提供根据本发明第二发明目的的风塔，可以看出导管22具有圆顶形式的变窄部分51和具有相同形状掠过区域的转子52。
所述变窄部分51通过导管22内主体55的存在而形成，所述主体由圆形中心部56和两个锥形57，58外面部分组成，并且在导管内分别限定了接受气流并具有恒定截面的第一区域60，加速气流的第二区域61，及排放气流并分别具有与第一、第二区域61，60相对称的形状的第三和第四区域64，65，所述第二区域60具有圆顶形状截面的第一部分62，所述圆顶截面具有逐渐减小的表面积，及具有圆顶形恒定截面的第二部分63，转子52设置在所述第二部分63端部。
图6详细示出了转子52，从图中可以看出，其由带有多个叶片71的支撑件70组成，所述叶片通过位于主体55中心部59中的未示出的装置相对于轴72旋转。转子52以与传统转子3相类似的方式运转，其掠过区域为圆顶形。
主体55设置了装置以获得导管22的变窄部分，主体55还设置了必要的空间，用来容纳与现有技术中已知风力发电机1的罩壳4内容纳的装置相类似的装置，以便用来控制导管22和转子30的方位和运动。
图7是根据本发明第二目的的不同实施例，从图中可以看出，与具有类似于主体55形状的主体85一起，导管22在其中部具有截面较小的区域，用来限定导管圆顶形状的变窄部分51，对于这部分，与图6类似的图8示出了转子的正视图。
根据本发明第一和第二目的，本发明的第三目涉及风塔中图3，4，5和7中所示的风力激励器35的附加件，所述激励器35由与转轴相连的叶片36，37和38组成，所述叶片与传统转子的形状相类似，所述激励器35可以用传统装置来支撑，以便首先提供调节转子30，52驱动气流的速度，所述转子30，52与相应的能量发生装置相连。通过利用传统转子中使用的类似方式改变其叶片的旋转速度和/或角度，进入风塔的气流速度的变化趋势就减小了。这样到达转子30或52的气流能够获得产生能量的最佳速度，而并不需要考虑天气的变化。
其次，通过使叶片36，37和38的结合面等于它们掠过的圆形区域设置它们的形状，从而当风速不适合风塔的运行时，设置关闭进风口的方便的装置，另外，该关闭装置也可以是类似于水管中使用的闸门。在这种情况下，风力激励器35的功能会受到气流进入速度的调节的限制。
尽管上面说明了带有沿中心面对称的导管和变窄部分的风塔，并作为根据本发明前两个目的的实施例，但是普通技术人员能够理解，在权利要求限定的范围内，相对于尤其是本发明第二目的，可以引入多种变型，本领域的普通技术人员还可以理解，变窄部分可以具有圆顶形状以及由导管和内部主体限定的其他不同形状，所述导管和内部主体具有不同于圆形的截面。最后，必须指出的是，根据本发明第三目的的风力激励器可以具有致动装置，这样即使在无风的时候，风塔仍然可以继续运行。
也可以包括其他变型，这些变型都在下列权利要求限定的本发明范围内。

Claims (10)

1、一种具有转子叶片的风力发电机，所述叶片与将风能转化成其它形式能量的装置相连而转动，该风力发电机包括风道导管(22)，该风道导管具有进风区域和出风区域，其特征在于：
a)所述进风区域由接受气流的第一区域(43，60)和加速气流的第二区域(44，61)构成，所述第二区域(44)具有第一部分(45，62)和第二部分(46，63)，第一部分(45，62)具有逐渐减小的横截面，第二部分(46，63)具有恒定的截面，所述转子(30，52)位于第二部分(46，63)的端部，所述区域的形状是这样的，即加速气流的方向垂直于转子(30，52)的掠过平面；
b)所述出风区域由第三区域(47，64)和截面恒定的第四区域(48，65)构成，所述第三区域(47，64)具有截面恒定的第一部分和截面逐渐增加的第二部分，所述第三和第四区域的形状相对于所述转子的掠过平面分别与所述进风区域的第二区域和第一区域略微对称。
2、如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所有的风道导管区域都具有圆形截面，及所述转子(30)掠过圆形区域。
3、如权利要求1所述的风力发电机，其特征在于，所述第一和第四区域(60，65)具有圆形截面，而所述第二和第三区域(61，64)具有圆顶形截面，并且所述转子(52)掠过圆顶形的区域。
4、如权利要求3所述的风力发电机，其特征在于，所述风道导管(22)包括内部主体(55，58)，所述内部主体(55，58)由圆筒形的中心部分(56)和两个圆锥形的外面部分(57)构成。
5、如权利要求4所述的风力发电机，其特征在于，所述风道导管(22)具有圆筒形的形状。
6、如权利要求5所述的风力发电机，其特征在于，所述风道导管(22)具有圆筒形的形状并具有中心变窄部分。
7、如前述权利要求任一项所述的风力发电机，其特征在于，该风力发电机包括用于关闭所述导管(22)进风口的装置。
8、如权利要求1-6中任一项所述的风力发电机，其特征在于，该风力发电机还包括风力激励器(35)，该激励器位于导管(22)的进风口(23)并由多个与转轴相连的叶片(36，37，38)构成，所述叶片的尺寸是这样的，即它们的掠过区域与所述进风口(23)的区域相一致。
9、如权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述叶片(36，37，38)的结合的表面区域等于它们掠过的圆形区域。
10、如权利要求8所述的风力发电机，其特征在于，所述风力激励器具有截然不同于风力的致动装置。
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