CN1298061A - 能量转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风能转换器,它包含一个安装在支撑塔架顶部水平轴周围、且能旋转的风驱动旋转体装置,该旋转体装置包含两个同轴布置且彼此隔开的旋转体,每一个旋转体又由多个叶片组成,其中一个旋转体的叶片相对于另一个旋转体的叶片具有一定的斜角,由此这两个旋转体将在相反的方向上旋转。

Description

能量转换器

本发明涉及一种带有水平轴的风力涡轮机系统，特别是关于一种可用于如下用途的风力涡轮机，即既可用于产生电能用于不同应用，又可产生能量用以推动水泵和输入到通过电解法获得游离氢等的装置中。本发明的创新点及特征，同时也是本发明的开发及操作理论基础，以下将通过文字描述、结构图以及所涉及参数的特征曲线图进行阐述。

众所周知，采用风力涡轮机或风扇可将风力和风速转换为能量。依据操作原理，这些风力涡轮机和风扇，可分为推进装置或者提升或“翼形效应”装置，并且在同一类型中，这些装置的轴可以是垂直或水平的，其中，后者的使用最为普遍。

推进装置大多应用于抽水，它们具有大量的叶片或叶轮，效率为可用风能的10％，所获得的功率只有几个千瓦。

另一方面，“翼形效应”转换器通常采用旋转体，对于窄范围的风速值，其效率几乎达到40％。根据装备的大小，这些装置也可细分为两类，分别是功率在75kW-1500kW之间的大型涡轮机和功率在0.2kW-20kW之间的小型涡轮机。需要说明的是，目前很少使用功率在20-75kW之间的涡轮机。

这些装备通用的主要构件是：塔架或支柱；装有两个或三个叶片或叶轮的旋转体，其叶片或叶轮的斜度固定或可变；用于将旋转体连接到发电机上的机械系统，在某些情况下，机械系统含有由齿轮、皮带和链条构成的角速度加速箱；用于使旋转体指往风向的主动或被动式指向系统；制动器和发电机。

较大型的涡轮机适用于生产可并入到输配电网系统中的电力。根据风速情况，可采用斜度固定或可变的旋转体，从而改善风能的收集状况，同时，通过叶片和连接到发电机上的关联组件，将收集的风能转换成机械能，并最终将风能变为电能。

一些十分现代化的机器融合了变频旋转体的概念，采用这种方法明显提高了风能转变为电能的输出。这种机器的发电机通常采用永磁体，因而简化了机器的构造，提高了它们的效率，尤其是在低功率范围。发电机与电网系统之间的连接通过变频器和整流桥实现，即电力调整。

除此以外，小型机器最近已开始采用具有高磁性能量的永磁体，磁通(B.H.)大，矫顽力(Hc)高，并直接与带有旋转体的叶片相连接。这些小型涡轮机的应用主要是为那些与外界隔绝的、偏僻而遥远的地方服务，例如人口密度较低的乡村居民点及小镇。通常情况下，这些涡轮机都包含一套电池，适用于照明、小型工业机械以及抽水等局部应用中。

另一方面，需要指出的是，世界上对通过水、生命体和/或碳氢化合物的分解来获得游离氢的需求日益增长，这一过程被定义为能量的“向量化”，其中，能量就是从风中获得的。因此，如果能够获得电，并且能以很低的费用获得，那么就能方便地得到游离氢。游离氢可被积聚、运输并用作燃料。这种燃料既可用于车辆、本地居民或工业用途，也可利用燃烧机车或在燃料室中进行电化学转换的机车进行发电。这就是说，可以由游离氢获得一种真正持续不断的、清洁的且用之不竭的能量。

基于上面所述，可以确信，生产游离氢将可增加风能的应用，无论是在偏僻遥远的地方还是在大型转换和消耗中心，并因此将最终对环境的保护和恢复做出贡献。

毫无疑问，借助风力涡轮机，尤其是功率能满足它们所安装地区需求的风力涡轮机，电能的生产和输送与这些地区的居民数量和人口密度密切相关。正因如此，在这个方面也将要给予简要的考虑。

如下引用一些实例加以说明。在阿根廷，没有电力服务的隔绝人口只占总人口的5-6％，在巴西，这一比例约为20％，约为3千万人。在拉丁美洲，这类散布的人口约占27％，而全世界这种散布隔绝的人口约占33％。这意味着，世界上约有20亿居民没有电能，这一相关数字表明，为了改善生活在这种条件下的人们的生活质量，有效解决这一问题是十分必要的。

例如，在Patagonian地区，对于一般应用，有电的好处自然是无可辩驳的。但是，在这个地区，可用的水和热能无论对人类应用还是对农业和牲畜来说，都要比电重要得多。

很多地区都具有高质量的风。高质量的风的含义是指具有高的平均速度和良好持续性的风，因此，涡轮机、风扇或者风能转换器就可以将风能转换为电、热、可移动的水和游离氢。

在已知的各种风力涡轮机的应用中，需要解决的一个主要难题是，涡轮机将风能转变成电能的输出或效率较低。关于这一点，可以说，依据目前的风力涡轮机型号的状态，企图增加风能/电能转换输出的最终解决方法就只有多安装几台这种传统的涡轮机单元。但这种传统的涡轮机单元是一种单旋转体涡轮机，它的安装费用相当高。

因此，如果拥有一种新型风能转换器能够显著提高风能/电能转换输出而无需成比例地增加生产及安装费用，自然是十分合适的。

因此，本发明的目的在于，提供一种新型风能转换器，这种转换器包含一个支撑结构和安装在该结构上的风驱动旋转体装置，该旋转体装置具有至少两个同轴布置、彼此隔开且在相反的方向上旋转的旋转体。

本发明的另一个目的是，所提供的风能转换器的风驱动旋转体装置安装在支撑塔架顶部水平轴周围，且可以旋转，该旋转体装置包含两个同轴布置且彼此隔开的旋转体，每一个旋转体又由多个叶片组成，其中一个旋转体的叶片相对于另一个旋转体的叶片具有一定的斜角，由此这两个旋转体将在相反的方向上旋转。

基于本发明的涡轮机不同于以前的类型，它为将风能转变成电能中的难题提供了不同寻常而有效的解决方法，因为本涡轮机系统基于其在风能转换过程中的高效率，能够用在不同的用途中，如抽水、产生热和/或空调、电能生产、生产用作燃料的氢，其中最后一种应用被称为能量的“向量化”，在本案例中能量来自风能。而且，由于本发明的结构特征以及因此而实现的优点，本涡轮机系统也可令人满意地用于航行应用中，它可为船只的辅助设施和船只马达供电，并可用于取代和/或支持传统的帆，特别是可用于逆风向航行。

在本发明所有最为显著的优点中，需要尤其说明的是，本涡轮机可以用低风速来操作，根据上面所述，这一点是显而易见的，因此，这就允许在只有低速风和微风的地域也可将风能转换成电能，而且该涡轮机也可在洼地工作。此外，风的槽路方向总是指向旋转体，因此风可获得加速度，从而增加了风的平均速度，由此获得最佳的动能转换，即由旋转体的每一片叶片产生了净压力。这一过程的产生是由于叶片工作在“翼形效应”下，而非在推进效应下，因此增加了风的“提升”分量，或者“抽吸”分量，却降低了风的“拖拽”分量。

另一个值得提出的优点是，本涡轮机系统是一种模块化系统，使得只用一种型号的机器就可以安装成可提供几个千瓦和大的以及非常大功率的系统，同时，也简化了安装过程中所有部件的搬运和装配工作，这些部件包括支撑塔架、支柱和桅杆、旋转体以及其他将会进一步描述的部件。与已知的涡轮机相比，本系统不需要诸如增益齿轮箱这种昂贵而笨重的部件，且这种部件噪声大、自己亦消耗能量，并需要频繁的维护。

根据本发明的结构特征的描述，它的其他优点中也将是显而易见的。

因此，本发明的一个目标是提供一种具有水平轴的涡轮机系统，它最适合用于发电。这种类型的涡轮机包含一根桅杆或支柱，其上部装有旋转体。旋转体的特征可通过径向叶片或叶轮来描述。这些叶片彼此相隔相同的角度，当风作用在叶片表面上时，旋转体能够转动。其中，在支柱上至少安装有一对平行的旋转体，在支柱纵轴的每一侧分别对称地分布一个，每一个旋转体安装后均可自由旋转，并在不同的方向上旋转。涡轮机本身装有发电装置。

为了更好地阐明和理解本发明的目的，本发明依据一种最佳的描述方式，采用几幅描述本发明的图形来进行阐述，所有图形均为简图，其中：

图1所示为本发明的优化结构的部分横截面透视视图；

图2是本发明中安装在上部的十字部件的部分正视横截面视图，该部件安装在支柱的上部末端，其中在十字部件上装有图1中所描述的旋转体及其他部件；

图3显示的是图2中十字部件的俯视图；

图4所示为本发明的系统中所用旋转体的正视及分解图；

图5所示为本发明中叶片安装部件的侧视图，见于图4中和图2中的十字部件；

图5A所示为图5中所示部件的横截面图；

图6所示用于安装叶片和调整其角度的安装板的正视图，该安装板位于图5所示旋翼叶彀中；

图7所示为联结在本系统中的电能产生装置的横截面视图，图中显示叶片末端包含有永磁体，叶片末端正划过磁电转换器的空气隙；

图8所示为旋转体叶片的部分及透视图，叶片包括永磁体以及一个支撑图7中所示磁电转换器的支持环；

图9所示为功率系数Cp随风速V变化的特征曲线，其中Cp是几种叶片型号的特征参数；

图10所示为对于四种收集叶片，旋转体所收集的功率百分比P随风速V变化的曲线图；

图11所示为对于四种收集叶片，所产生的功率P随风速变化的曲线图；

在描述本发明涡轮机机构的图形之前，最好先解释一下与系统开发所考虑的参数及变量相关的理论基础。

从设计原理上来说，本装置的出发点是要实现某些地区所具有的风能的最佳转换，无论是具有高风速的地区还是具有中等风速或低风速的地区。在传统的机器中，大量的“残余”风能量没有保存下来，因此，在本发明中，提供了好几个收集叶片用以收集风能，并将其转变为电能，从而实现达到能较高地保存可用风能的目的。

风功率或风能可由下式给出：

P=.m.V²其中，m为风的质量，V为风的速度。

此外，由于m=ρ.V.A，其中ρ为空气密度，(在海平面上ρ=1.223Kg/m³)A为入射横截面积，因此，上述风功率表达式也可表示为：

P=.ρ.V.A.V²，因而

P=.ρ.A.V³，因此，每个平面单元的风功率为：

P/A=.ρ.V³.

由上式可以看出，风功率与风速是极为相关的，因为功率直接正比于风速的立方，因此，如果风速加倍，功率就要乘上8。在一定时间间隔上对功率积分，就可算出在该时间段内所收集的风的能量。

必须说明，在传统的机构中，特别是在风速一般超过10m/sec的平均风速和高风速时，大部分风能没有收集到。但是，采用本发明的装置就克服了这一存在的缺点。

假定根据渔网方式提供4个旋转体叶片，按风的方向一个接着一个地排列，第一个旋转体所没有收集的风能将可被第二个旋转体收集，依次类推，第二个旋转体所没有收集的风能将被第三个或下一个旋转体收集。由于在超过一定风速时，每一个平面所收集的能量对较高风速而言几乎是一定的，而没有被收集的风能则相当多，因此，大部分本应被传统的单一旋转体涡轮机所收集和被转换的能量都失去了，不论这种旋转体是大还是小。这可从P-V曲线，即功率-速度曲线上也可看出。

在世界上类似于阿根廷南部和其他高风速区域的几个地区，本发明的用途变得非常重要，因为用很低的总费用，只需增加收集平面的数目，就可增加风能的收集量。

例如，在风速超过13-17m/sec.的地区，安装6-8片叶面是很有利的。

现在来讨论由一个叶片-旋转体装置所构成的4个叶面，然后讨论功率系数Cp与风速的函数曲线。

根据能量守恒原理，并假定每一个叶面上的平均风速一致，那么我们可得：

V₁，风吹到第一个叶面或旋转体上的输入风速，

V₂，风吹到第二个叶面或旋转体上的风速，它由下式给出：

V₂=V₁.(1-Cp(V₁))^1/3，其中Cp(V₁)为速度V₁的功率系数，它是第一个旋转体叶片类型的特征值。

Cp(V₂)由V₂确定，是速度为V₂时第二个旋转体叶片类型的特征值。根据以下方程可得：

V₃=V₂.(1-Cp(V₂))^1/3，那么由V₃，可得到功率系数Cp(V₃)，且

V₄=V₃.(1-Cp(V₂))^1/3，且类似地由V₄得到Cp(V₄)。其中：

V₃，风吹到第三个叶面或旋转体上的风速，

V₄，风吹到第四个叶面或旋转体上的风速。

现在再返回到表达式P₀=.ρ.V³中，它表示在第一个叶面的入口处所收集的风功率。由该叶面所收集的功率为：

P₁=.ρ.V³.Cp(V₁)类似地，在第二个叶面上：

P₂=.ρV³.(1-Cp(V₁)).Cp(V₂)在第三个叶面上：

P₃=.ρV³.(1-Cp(V₁)).(1-Cp(V₂)).Cp(V₃),and在第四个叶面上，功率将为：

P₄=.ρV³.(1-Cp(V₁)).(1-Cp(V₂)).(1-Cp(V₃).Cp(V₄)，

其中：

.ρ.V³.=P₀为输入功率，

(1-Cp(V₁))为经过第一个叶面后流向第二个叶面的功率分量，

(1-Cp(V₂))为经过第二个叶面后流向第三个叶面的功率分量，

(1-Cp(V₃))为经过第三个叶面后流向第四个叶面的功率分量，且

Cp(V₄)为第四个叶面所收集的功率。

类似地，也可分析其他几个叶面。

系统的总功率将决定于每个旋转体所收集功率的总和，即：

P_TOTAL=P₁+P₂+P₃+P₄

为了完成上面所阐述的设想，以下将参考包括特征曲线和线条的图形。

现在来看图1。可以看到，附图标记1所指示的塔架或支撑结构上安装有一根桅杆或支柱2。由上面部分或部分3组成的支柱连接到由附图标记4所指示的涡轮机或旋转体上，该旋转体正是本发明的特征所在。如同图2所具体显示的，上述支柱2的靠上部分3的上部装有一个十字结构，它由可旋转的竖直套管5以及从套管5径向伸展出去的两臂6和7所构成，这两臂在径向上相对安放，而套管则同轴包住支柱上端，并可转动。每根臂的一端固定在套管5的外侧，而另一端则与此端相对。所描述的两臂分别支承旋转体，并在此拴联在一起，如两个同类的附图标记8和9所示。

正如将要进一步描述的那样，旋转体8和9要靠旋翼叶彀或具有六角形外沿的圆盘安装到与臂6和7拴联在一起的可自由旋转的挡块上，如附图标记10所示。各个叶片或叶轮都固定到所描述的旋翼叶彀10上。特别是，确定这种布局的主要构件的旋转体8和9，各自都包含三个叶片11，三个叶片互相平行、同轴对中且对称地分布在支柱纵轴线的相对两侧，同时它们互相间隔约相当于叶片的一段距离。此外，旋转体8和9分别在相反的方向上自由转动，这成为实现本发明的目的操作原理的基本条件。

实际上，每一个旋转体确定一个风收集面，按这种方式，第一个旋转体(比如说，旋转体8)没有收集的风能，就被第二个旋转体(即旋转体9)收集，因而提高了整个装置的效率。由于存在几个收集面，如在本设计中有两个面，因此，每个旋转体叶片的“吹入角”将依据本地区的平均风速优化确定。依据这种工作模式，无需采用昂贵而复杂的叶片角度调整机构，就可提高系统的效率。

这种设计思想可以总结为，根据风的方向，借助一个接一个排起来的多个风收集面，就可获得较好的与循环气流(即风)相关的主要能量的转换效果，从而提高在高地和高速风地区的风能转换效率。对于高速风，可以安排4、6、8或更多对叶面或旋转体，总让它们成对，并在相反方向上旋转。采用这种方法，旋转体的回转力矩或动量与另一旋转体相抵消，从而使得收集面能方便地始终指向所需要的方向或指向定向法线，或者垂直于风向。其中一个旋转体的叶片的斜角与另一个旋转体叶片的斜角相反，因此在风的作用下，两个旋转体反向旋转。

在靠近旋转体8处(旋转体9的情况类似)，支撑环12分别通过一套辐条固定到臂6和7上，固定的时候，支撑环面的内侧至少是非常贴近叶片11的末端11’。支撑环12支承着下面将要描述的发电装置。发电装置与叶片11的末端11’在旋转运动过程中的圆形轨迹所确定的圆保持同心，即支撑环贴近或与叶片末端的外沿保持同心。对应旋转体8和9的支撑环12通过结构棒14互相连在一起，结构棒14均匀地分布在这种支撑环12的周边上。

上述机构被封在管形通道或笼子里面，如附图标记15所示。管形通道或笼子包括中间圆柱形部分16和两个相对的向外张开的圆锥形末端部分17和18，或者位于圆柱体部分端部16’，16”的边界圆锥体。圆锥体部分确定了风的收集、流通、导向以及输运嘴部分。具体地说，圆锥体17确定了风的收集及进入入口19，而圆锥体18则确定了风输出时的出口20。圆锥体17可收集更多的风，因为该处的横截面大于圆柱体部分16的横截面。因此，空气由圆锥体17流过圆柱体16的内部，通过旋转体8和9后，再不受约束地穿过圆锥体18，其中圆锥体18可改善流动空气总量的内外流通状况。

图中，圆锥体17，18的半径都从圆柱体部分16向外扩大，前面的圆锥体17可以依旧如图所示，而后面的圆锥体18可以颠倒过来，从而在后部逐渐减小直径，由此，前边旋转体可布置在前面圆锥体最大直径处，而后边的旋转体可布置在后面圆锥体部分的最小直径处。

需要说明的是，风在流经类似于这种由圆柱体16和圆锥体17和18所确定的这类“缩喉管”型加速通道时，可以在喇叭嘴处装上栅格或铁丝网，尤其是在有候鸟的地区，因而可以让风通过，而又防止这些鸟进入笼子中撞到旋转体叶片上。在传统的涡轮机中，这是不可能的。此外，在那些下大雪及存在大气和天气介质，如尘土、冰雹等的地方，这种栅格和丝网对保护旋转体是很有用的。比如，万一有雪沉积并粘到叶片上，它也会被通到栅格或丝网上的电所产生的热所熔化。

同时需要说明的是，借助这种风槽路方式及加速方法，风的平均速度增加了，并因此在降低其压力分量的情况下提高了其动能。这对反作用于每一个叶片的净力起到好的影响，因为这些叶片工作在“翼形效应”下，而不是推进效应。换句话说，当“提升”或“抽吸”分量增加时，“拖拽”分量下降。

如图中所示，旋转体8，9以及各自的外沿支撑环14位于圆柱体部分16的端部16’和16”。

由图2中支柱2上方的十字构件3的详细横截面可以看出，管件5同轴地装在一内管部位或者管端21，且管件5可自由转动。在管件5的根部提供有衬套22，用以支撑径向受力，在管体5的另一端，装有圆锥轴承，用以支持结构的轴向负载，由此管件5装在内管端21的上部，且能旋转。

同时也可看出，管件5的上端有一个上孔，内管部分25从支柱的管端21向上延伸，穿过上述孔洞，直至一个圆柱体或部位26，其中，部位26上带有环形导槽27，用以将所产生的电能传递到滑动电极28上，电极分别用字母标识，N表示中线接头，代号F1、F2、F3表示所产生电流的三相。即使图中没有显示出来，电极28也实际上是连到电缆上的，这些电缆在支柱内走线，并连接到比如一块板上(图中未画出)，从这块板上，电能才被引走用于相应用途和/处理。电缆也连接到用于调节所产生电动力大小的电路板上。

图2也显示，径向臂6和7分别包含分别用连接法兰29和30连接起来的长度6′和7′以及延伸长度6″和7″。同时可以看出，长度6″和7″分别包含一组由参考编号31所指示的一组小孔，辐条13的一端插入到这些小孔中，用于安装圆周支持环12。辐条的另一端固定到所述支持环上，由此所述支持环就相对于上述臂同轴安装。按参考编号32所示，在臂6和7的每个相对端，各自的外罩32、旋翼叶彀的固定钉或者挡块10穿过上述外罩，用于安装旋转体8和9，如图4、5、5A所示。

图3补充显示了图2的图形，并显示出臂6和7都采用焊接方法固定，如参考编号33所示。

图4所示为联结到挡块10’上的旋翼叶彀或圆盘10，旋翼叶彀具有确定六角形外沿的六条边34，它们互相呈120度角，每个伸到旋翼叶彀里面的轴36以及相应的叶片11通过各自的连接板35连接到这些边上。在每个叶片的末端都安装有各自的永磁体37，这些磁体，如同图7、8所描述，是电能发生装置的组成部分，通过旋转体8、9的旋转，就可获得电能。需要指出，上述磁体由Nd Fe B(钕-铁-硼)复合材料制成，因而具有很高的磁性能量值，可达30-40MGOe。

参考编号38所指示的孔用于连接布置在臂6、7另一端的外罩32，外罩32用于在两臂的末端安装旋转体8和9。

图5清楚地显示了六角形圆盘10的一个侧面或正面34，其上有用于固定图6中所示连接板35的孔34′，该连接板带有槽口或型孔35′用于调节相应叶片的角度位置。图5也显示了用于将六角形旋翼叶彀固定到挡块10′上的一对螺丝39。图5A所示的横截面示意地表示了六角形旋翼叶彀的内部结构。它连接到挡块10’上，包括一个带传统型号制动块40的制动鼓，在适宜情况下，比如风速很快或要进行维护、维修工作时，制动块作用于制动鼓，可以手动或自动停止旋转体8、9的旋转。

图7示意地显示了用以产生电能的装置，可以看出，该装置由参考编号48所示的磁电变换器确定，它包括其上绕有感应线圈42的磁铁芯41，该铁芯有一段空气隙，在对应旋转体旋转时，布置在叶片11每一端11’的磁体将划过该空气隙。参考编号44所指为线圈支承支座，用于连接到支承环12上，其中，一对支撑架45伸出空气隙，并包括轨道46，连同固定到叶片11末端11’的滑块47，为点磁体37提供了一个导轨，从而保证磁体通过空气隙的中心。

旋转磁场B每经过每一个空气隙43时，都感应出不断变化的磁通，在线圈转动时产生了电动力，此力正比于磁通量变得值以及叶片末端处的切向速度。本发明中的布局允许在最大半径或“叶片点”使用最高切线速度值，取代了传统涡轮机此叶片片基或根部。其结果是，只需较少的磁铁，从而降低成本。

图8所示为在支撑环12的内侧周长上，布置有很多磁点变换器48，所有这些变换器均具有上面所描述的特点。图中也显示了一个叶片11，特别是永磁体37所安装在此的叶片末端11’位置，即如图7中所解释的当旋转体旋转时，磁体划过空气隙的该位置。在所描述的优化结构96中，等距分布的变换器48安装在每一个支撑环12上，因此在每个旋转体旋转时，就能获得所产生的三个电流相。也就是说，每一相由32个变换器产生。但是，必须清楚，在本发明的实践中，变换器48的数目可根据各具体应用的技术要求或高或低。

图9所示为从关于这类涡轮机的文献中摘录的3条特征曲线，曲线表示了传统涡轮机功率系数Cp的变化。该图中列出了短划线曲线、实线曲线以及点线，每一条曲线对应一种特定的叶片。除了在所检测的叶片的表现上略有波动外，当风速在7.5m/sec的范围时，功率系数Cp达到最大，约为0.45。超过该速度，功率系数Cp开始突然减小，直至速度超过17m/sec为止，此时，Cp自然达到低值。这就是说，在中等速度，获得风力涡轮机性能的主要输出。但是，鉴于可用风能量/所收集能量之比，在相对较高的平均速度时，这种涡轮机的性能及效率显著下降。

机器功率保持近似固定不变，但机器功率与风功率之比下降，因为风速增大。由于功率来自大自然，每个表面单元所收集的输出是近似恒定的，约为每平方米400瓦，增加安装收集面就能增加输出。

图10的图表表示根据本发明原理，由一个接一个对准而成的四个面所收集到的功率百分比。非常明显，当优化结构中有两个收集面，即旋转体8和9张开时，这些曲线非常有效地证实由上述装置所实现的优点。事实上，可以看出，参考编号R1所示的第一个收集面所对应的曲线完全与图9所示曲线重合，但是，对于布置在第一个叶面后的第二个叶面R₂，所收集的功率百分比显著减少，而且对于第三个叶面R₃和第四个叶面R₄也可看到类似的这种减少方式。可以看到，叶面R1所收集的功率百分比在大约8m/sec的风速时达到最大值；对于叶面R₂，在风速为10m/sec时得到最高收集百分比；而对于叶面R₃和R₄，最大收集功率百分比则分别在约13和14m/sec的风速达到。

在速度略高于17m/sec.时，每一个面都收集最高的能量。对于过高的风速，系统进入到饱和区或实用极限，因此，当能量百分比逐渐下降时，功率值保持恒定，并且对每一个面都是相等的。如图11所示。

因此，在风速达到17m/sec时，将达到根据本发明所制造的风力涡轮机装置的最大优势。

实际上，对于类似于上面所提到的高风速的情况，叶面R₂，R₃和R₄所收集的功率都加入到叶面R₁所收集的功率中，因而补偿了在每一单独的面(旋转体)上的收集损失，并由装置的所有收集面产生很高的电能总输出。

图11中的曲线显示了所产生的功率与风速间的关系。可以看出，对于四个叶面R₁，R₂，R₃和R₄，而言，所产生的功率的上升最高到风速达到约17m/sec为止，风速超过这一数值，除在每个面上略有波动外，总功率或多或少总保持在恒定的水平。因此，在风速高于17m/sec时，将每个面所产生的功率加起来(求和)，从而就如同已解释过的，得到由四个风收集面所产生的总功率。

如果上述描述足以深入说明本发明的理论原理、优良的结构特点以及本发明所产生的相对于以前同类产品的好处及优势，那么，现在来参看一些可进一步增加所收集风功率的替代结构涡轮机将是十分有益的。因此，必须清楚，在不脱离上面所描述的以及权利要求书所确定的涡轮机原理时，本风力涡轮机装置还可以作成可安装在不同型号和尺寸结构上的发电机单元。

实际上，在同一塔架上，只要充分配合，就可以安置多个风收集和能量转换单元，由此就形成一种由上述单元构成的串接结构或网状系统。因此，就可以获得几百千瓦甚至几兆瓦的不同功率值。这种网状系统能象单元结构一样动作，其定向能够跟踪风向的变化。为达到此目的，可在此系统中装备由外部风向标所控制的伺服机械装置。因此，在一个上述网状系统中布置几套单元就可获得等同于传统大型机器的功率，但不同于这些传统机器。本发明将旋转体布置成序列，得到更好的重量/被扫面积比，显著降低最终生产成本、安装及系统的维护工作。而且，如同上面所阐述的，如果采用圆锥体或漏斗型末端，采用两个、三个或更多成对的、在相反方向旋转的叶面，还将能够获得更好地收集风的有利汇聚效果。

也可以在塔架的两个侧面安装网状结构来获得更高功率，这些网状结构在一边都一起连到塔架上，并使网状结构的重量落在飘浮在用于此目的的水箱中的浮子上。此外，还可以在靠近海滩的不深的大片水域里进行这类安装，安装时，在湖泊、洼地或水库里安装起一般由加强混凝土制成的塔架或立柱。

在这些情况下，这些设施可认为是大型能量转换或变换工厂，在风速高的地区，其收集功率可以达到30-50Mw。

在阐述和说明本发明的优化设计时，很显然，对于那些本领域的技术人员而言，在不脱离后附权利要求书所确定的本发明的范畴的前提下，将可对该发明进行不同的修改和改进，但这些改进和修改都将视为属于此发明的保护范围。

Claims (19)

1．一种能量转换器，包括一个支撑结构以及安装在该结构上的风驱动旋转体装置，该旋转体装置包括：

至少两套同轴布置且在相反方向上旋转的互相隔开的旋转体。

2．如权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，每个旋转体包含多个叶片，一个旋转体的叶片与另一个旋转体的叶片有相反的斜角，因此在风的作用下，两个旋转体在相反的方向旋转。

3．如权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，还包括一个垂直立柱，每个旋转体都装在相应的轴上，这两根轴在垂直于竖直立柱的方向上同轴布置，两个旋转体对称地布置在立柱两端。

4．如权利要求3所述的能量转换器，其特征在于，还包含有联结到上述旋转体上的发电装置。

5．如权利要求4所述的能量转换器，其特征在于，发电装置包含按圆周方式布置的磁电变换器以及布置在旋转体叶片末端的永磁体。

6．如权利要求5所述的能量转换器，其特征在于，磁电变换器被布置在相应的支撑环里，支撑环会集地布置在叶片周围，磁电变换器形成一个间隙，载有磁体的叶片的末端划过上述间隙，其中磁体按环形轨迹布置。

7．如权利要求6所述的能量转换器，其特征在于，每个变换器都包含一个缠绕在磁铁芯上的感应线圈，该磁铁芯确定了上述间隙。

8．如权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，还包含一个安装在上方的十字部件，十字部件包括一个垂直的外管体和两个径向相对的臂；管体同轴地装在立柱的外上部，并可旋转；每根臂由管体径向外伸，一端固定在上述管体外部，另一端包含多个孔以及用于安装所述旋转体的联结件；在臂的另一端提供有多个径向辐条；每根辐条的一端固定在上述孔中，而另一端固定在上述支撑环上，由此上述支撑环就同轴地安装到上述臂中。

9．如权利要求8所述的能量转换器，其特征在于，立柱的内上部分向外延伸，并穿过外套管体的上部孔洞；立柱的上部里面部分包含一个带有环形轨道的圆柱体部分，它连接滑动电极上，而电极又通过在立柱中走线的电缆连接到变换器上，电缆同时也连接到用于调节所产生电动力的电路板上。

10．如权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，旋转体被封在一个确定风流动通道的管形笼子里。

11．如权利要求10所述的能量转换器，其特征在于，管形笼子包括确定风流动通道的圆柱体部分以及连在其两端的同轴且向外延伸的圆锥体部分，其中，这两个圆锥体部分确定了风的收集及引导部分。

12．如权利要求11所述的能量转换器，其特征在于，在上述笼子的圆柱体部分的每一端都布置有一个旋转体。

13．如权利要求11所述的能量转换器，其特征在于，管形笼子固定到支撑环上，支撑环由沿着笼子圆柱体部分延伸的结构棒互相连接在一起。

14．如权利要求8所述的能量转换器，其特征在于，旋转体包含一个安装在连接件上的可旋转旋翼叶彀，该连接件位于每个相应臂的第二个端部；旋翼叶彀具有六角形外形，该六角形给出六条边，每条边都包含一个将连接旋转体叶片连接到旋翼叶彀上的连接板，每个连接板上又提供有多个型孔用以调节所连接叶片的方向角度。

15．如权利要求14所述的能量转换器，其特征在于，旋翼叶彀包含一个制动鼓和用于制动旋转体的制动块。

16．如权利要求7所述的能量转换器，其特征在于，永磁体是由NdFeB复合材料制成的。

17．如权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，每个旋转体包含几个确定几个电极的能量发生器，每个电极提供一种准连续感应电压信号。

18．如权利要求10所述的能量转换器，其特征在于，管形笼子包括一个中间的圆柱体部分和圆柱体部分两端各一个圆锥体部分；其中，圆柱体部分决定了风的流动通道，上述圆锥体部分则确定了风的收集及引导部分；前边的旋转体布置在前边圆锥体部分的最大直径处，而后边的旋转体则布置在后一个圆锥体部分的最小直径处。

19．一种风能转换器包括：

一个垂直支柱；

至少两个风驱动同轴的叶轮旋转体，旋转体在支柱的两侧对称布置，并旋转安装在垂直于支柱的水平轴周围，从而在相反的方向上旋转；

发电装置包括按圆周方式布置的磁电变换器以及布置在旋转体叶片末端的永磁体，和

一个罩住旋转体的管形笼子，它决定了风的通道，该通道迫使和引导风流经旋转体。

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