[发明专利]竖直轴风力涡轮机

说明书

相关申请

本申请要求2005年5月13日提交的、题为“改进的竖直轴风力涡轮机”的美国临时申请60/681,210的优先权，因此，其内容通过引用的方式整体并入到本文中。

关于联邦资助的研究与开发声明

本发明是在美国能源部门支持的工作期间在合同号No.DE-AC02-05CH11231下完成的。政府具有该发明的一定权益。

发明背景

发明领域

本发明大体涉及风力涡轮机，更具体地涉及竖直轴风力涡轮机。

相关技术的描述

大部分风力涡轮机文献涉及到水平轴风力涡轮机，由于叶片的更好效率，所以其看起来是风能生产的主要形式。该高的叶片效率是高末端速度的结果，然而，这种高速会导致增加噪音并且在操作期间与叶片碰撞时会增加损坏。

具有低叶片速度的许多竖直轴设计已经提出多年，但是不管低叶片速度带来的那些优点，它们都未实现广泛应用。主要问题涉及结构共振故障、高生产成本和要求布置在非常接近低风速地点的地面。能量输出由于接近地面的低风速而降低。

许多竖直轴结构和成本问题与企图通过调整叶片迎角来重新获得附加的风能有关。其它企图改变了该结构形状以适应高风速或阵风。这种设计不可避免地导致增加硬件复杂性，并伴随着故障率和生产成本增加。

发明内容

本文描述的实施例专注于现有技术的几个缺点，并且使用现代工程学和系统建模工具来分析在多种风形式中的整个系统行为。

本发明的一个实施例是竖直轴风力涡轮机。该实施例包括：至少一个机翼，其中所述机翼包括上部表面、下部表面和中心线，其中横跨该机翼的长度，从上部表面到中心线的距离与下部表面到中心线的距离相同。

又一实施例是竖直轴风力涡轮机转子，其包括：上部环、中部环和下部环；多个上部机翼，其竖直设置在所述上部环和所述中部环之间；和多个下部机翼，其竖直设置在所述下部环和所述中部环之间。

又一实施例是竖直轴风力涡轮机，包括：竖直轴转子，其包括至少一个机翼并且该转子被配置成通过风来转动；和空气调整器，其由来自转子的离心力控制，并且被配置成通过移动所述至少一个机翼的位置使转子的旋转速度降低。

发明内容和下面的具体实施例都无意限定本发明。本发明由权利要求限定。

附图说明

图1示出了与交流发电机、控制系统和电池接合的竖直轴风力涡轮机系统的一个实施例。

图2A示出了四叶片竖直轴风力涡轮机系统一个实施例的示意性前视图。

图2B示出了四叶片竖直轴风力涡轮机系统一个实施例的示意性侧视图。

图2C示出了四叶片竖直轴风力涡轮机系统一个实施例的不同角度示意性侧视图。

图2D示出了四叶片竖直轴风力涡轮机系统一个实施例的示意性平面图。

图3是某些实施例的竖直轴风力涡轮机使用的叶片单元示意图。

图4A是机翼一个实施例的横截面示意性平面图，其示出了用于两个结构元件的开口和钝窄端。

图4B是风力涡轮机系统使用的机翼的一个实施例横截面图。

图4C是流体动力学测试结果图表，该测试结果示出了钝后缘比经过180度旋转的尖缘产生更少的湍流。

图5示出了与交流发电机接合的六叶片竖直轴风力涡轮机一个实施例。

图6是六叶片竖直轴风力涡轮机一个实施例的示意性侧视图。

图7是六叶片竖直轴风力涡轮机一个实施例的顶视图。

图8是空气动力调整器组件实施例的顶视图。

图9是空气动力调整器组件实施例的横截面视图。

具体实施例

根据一个实施例，公开了竖直轴风力涡轮机，其具有带叶片的转子，该叶片被设计并被试验，以在大约2.5倍的风速时产生最大转矩。在一个实施例中，这些叶片具有固定的迎角以使得在2-4m/s的风速中该涡轮自启动，并且在11m/s风速时产生额定功率。该实施例的风力涡轮机在所有的风向中以及在阵风条件下捕获能量，而不需要对该涡轮的基本形状进行任何修改。也可以这种方式来布置它们：避免需要穿过该涡轮的任何中心轴。该布置利用空气动力来维持合适的形状，并且围绕合适的旋转轴持续旋转。

这里还公开了空气动力调节器，如已知的空气动力阻流板和空气动力制动装置。在一个实施例中，将该空气动力调节器制作成风力涡轮机中转子的顶部横梁。这些调节器通过离心力和弹簧能量启动，以控制转子的最大旋转速度，因此，阻止了由于过大的旋转速度而引起的涡轮故障。