[发明专利]具有对立旋转叶片的风力设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有两组对立(counter)旋转叶片的风力设备(或风力涡轮机)。更具体地，本发明涉及一种装配有发电装置的风力设备，该发电装置具有定子和相对于彼此在相反方向上旋转的转子。风力涡轮机进一步装配有与叶片共同操作的前鼻构件(nose piece)，以通过使设备适应风向和/或影响叶片的旋转速度来改进性能。

背景技术

已经在许多应用中使用风力设备(也叫做风车或风力涡轮机)，包括抽水、研磨谷物和发电。对于所有这些应用，都希望改进设备的性能。

对于水平轴风力涡轮机(HAWT)，重要的是，该设备包括使之适应风向的装置。虽然实现此目的的一种方法是通过对叶片后部的涡轮机添加一尾部，可将尾部暴露于叶片尾流中的湍流，并使尾部减慢以对风向的小变化作出反应。因此，希望通过提供一种操作设备的方法来改进性能，该方法包括使设备适应风向，不希望使用尾部。

风力涡轮机所遇到的一个问题是，在非常大风的条件期间，必需防止无法接受的高转速。虽然实现此目的的一种方法是通过对设备添加一制动装置，但这对设备带来了机械复杂性和潜在的故障模式。因此，希望通过提供一种操作设备的方法来改进性能，该方法包括限制叶片的最大转速。

风力发电设备所遇到的另一问题是，在设备不停机便可开始发电之前所需的相对较高的最小速度。希望通过降低从设备获得给定电输出所需的最小风速来改进性能。

许多工业规模的风力涡轮机所遇到的又一问题是，缺乏围绕其竖直轴线完整旋转(360°)以适应风向变化的能力。虽然希望提供这种完整旋转，但是，例如电力线的扭曲的因素通常使得此选择是难以获得的。相关的副作用是，处于其旋转运动的极限的涡轮机有时会缺乏保持适应风向的能力，结果可能锁定在不发电位置中，没有返回到风中的能力。因此，希望提供一种能够围绕其竖直轴线进行完整的360°旋转运动的风力设备。

希望以低成本且可靠的方式实现这些改进。

因此，存在改进风力设备的需求，该风力设备解决了现有技术中的部分或所有这些不足和/或实现了部分或所有上述期望的改进。

发明内容

根据本发明，提供了一种具有后部和适应风向的前部的风力设备，该设备包括：前鼻构件；第一组叶片，位于鼻构件的后方，第一组叶片围绕水平轴线在第一方向上旋转；以及第二组叶片，位于第一组叶片的后方，第二组叶片围绕水平轴线在第二方向上旋转，第二方向与第一方向相反。第一和第二组叶片均可与发电机操作地连接，以产生电力。鼻构件可以与第一和第二组叶片共同操作，以通过使设备定向和/或通过影响第一和第二组叶片的旋转速度来改进性能。

鼻构件的形状通常可以是锥形的。鼻构件可以包括钝的前末端，该末端可以是圆形的末端和/或可以包括基本上半圆形的顶部。鼻构件可以包括截锥体和钝的前末端。截锥体可以具有第一端或前端(其具有第一直径)以及后端或第二端(其具有比第一直径大的第二直径)。第一直径与第二直径之比可以在从0.05到0.45的范围内，优选地从0.10到0.30，更优选地从0.12到0.25，再优选地从0.15到0.20。截锥体可具有一定长度，并且，该长度与第二直径之比可以从1到3，优选地从1.25到2.5，更优选地从1.5到2.0。第一组叶片可具有一定直径，并且，第一组叶片的直径与截锥体的第二直径之比可以从2到7，优选地从2.25到6，更优选地从2.5到5，再优选地从2.75到4，甚至更优选地从3到3.5。钝的前末端可以具有一定长度和直径，该直径等于截锥体的第一端的直径。钝的前末端的长度与钝的前末端的直径之间的比例可从0.1到1.5，优选地从0.2到1.0，更优选地从0.3到0.7，甚至更优选地从0.4到0.6，进而更优选地从0.51到0.59。

截锥体可以具有稍微椭圆形的横截面形状，其中，椭圆形的长度(长轴)水平地定向，且椭圆形的宽度(短轴)竖直地定向。椭圆形的长度比椭圆形的宽度大1％至15％，优选地大1％至10％，更优选地大5％至10％。为了确定设备的相对尺寸之间的比例，可利用椭圆形的长度和宽度的平均值来确定第一或第二端的直径。