[发明专利]可充气的风力涡轮机

说明书

本申请要求2009年6月3日提交的美国临时专利申请No.61/183,749的优先权。本申请也是要求了2008年9月8日提交的美国临时专利申请No.61/191,358的优先权并且在2009年9月8日提交的美国专利申请No.12/555,446的部分继续申请。本申请还是要求了2007年3月23日提交的美国临时专利申请No.60/919,588的优先权并且在2008年3月24日提交的美国专利申请No.12/054,050的部分继续申请。这些申请的公开内容通过引用全部包含于此。

技术领域

本公开涉及具有可充气部件的风力涡轮机。

背景技术

用于发电的传统风力涡轮机通常具有配置成类似螺旋桨的两到五个敞开式叶片(open blade)，这些叶片安装在水平轴上，该水平轴安装在驱动发电机的齿轮箱上。这种涡轮机通常称作水平轴风力涡轮机或HAWT。虽然HAWT已实现了广泛使用，但是其效率还未最优化。特别地，HAWT在捕获通过该涡轮机的风的潜能中的效率不会超过59.3％的贝兹极限。

传统的风力涡轮机具有三个叶片，并通过计算机控制的马达被朝着风定向或被指向风。这些涡轮机典型地需要高度在60米至90米范围的支撑塔架。叶片通常以大约10rpm至22rpm的转速转动。尽管一些设计可以直接驱动环形发电机，但是一般还是使用齿轮箱来加速以驱动发电机。一些涡轮机以恒速运行。然而，更多能量能够通过使用变速涡轮机和将涡轮机与发电机连接的固态功率变换器(solid state power converter)而被收集。

存在与HAWT的结构和操作相关的许多问题。高塔架和长叶片难以运输。要求大而重的塔架结构以支撑重的叶片、齿轮箱和发电机。安装需要非常高且昂贵的吊车以及熟练的操作工人。在操作中，HAWT需要另外的偏航(yaw)控制机构以使叶片转向风。HAWT典型地在其翼型(airfoil)上具有大迎角(angle of attack)，该大迎角使得翼型在气流中不产生可变变化。HAWT在地面附近紊流的风中难以操作。在舱(nacelle)和叶片上堆积的冰可能导致功率减小和安全问题。高的HAWT会影响机场雷达。其高度也使其横跨大区域突兀可见，破坏了景观，有时引起了当地人的抗议。最后，顺风方向的变型遭受由紊流引起的疲劳和结构故障。

期望减小风力涡轮机的尺寸并且期望减小不期望的风力负载下的风力涡轮机表面区域。

发明内容

本公开说明了降低了重量和尺寸的风力涡轮机。特别地，风力涡轮机包括具有可充气部件的涡轮机外罩和/或喷射器外罩。这种风力涡轮机更轻。充了气的外罩将允许涡轮机改变其空气动力特性/形状以适应在流体流中的变化。也将允许用于支撑涡轮机体的更小的基本支撑件，而且还允许根据不利天气条件引起的需要使充了气的部分放气。涡轮机的充了气的部分不主动转动以有助于能量提取或动力生产。充了气的部分可以用外蒙皮(skin)和/或内蒙皮覆盖。蒙皮可以增加强度、耐水性、紫外线(UV)稳定性和其他功能。

公开了用于发电的混合器/喷射器风力涡轮机系统(这里称为“MEWT”)，该系统结合了流体动力学喷射器概念、先进的流动混合及控制装置以及可调节的电力涡轮机。在一些实施方式或形式中，MEWT是轴流式涡轮机，其从上游到下游依次包括：具有空气动力学轮廓的涡轮机外罩，其具有入口；在外罩内的定子环；叶轮，其具有叶轮叶片环，该叶轮叶片与定子“成一直线”；混合器，其与涡轮机外罩关联，具有混合瓣环，该混合瓣向下游延伸超过叶轮叶片；以及喷射器，该喷射器包括混合瓣环和向下游延伸超过混合瓣的混合器外罩。涡轮机外罩、混合器和喷射器被设计且被配置成经由涡轮机吸入最大量的风力并且使对环境的影响(例如，噪声)和对其尾流中的其他电力涡轮机的影响(例如，结构损失或生产率损失)最小化。和现有的风力涡轮机不一样的是，优选的MEWT包含具有先进的流动混合及控制装置的外罩，该先进的流动混合及控制装置诸如瓣轮型或槽型混合器和/或一个以上的喷射器泵。所呈现的混合器/喷射器泵与已公开的风力涡轮机中迄今所使用的混合器/喷射器泵有很多不同，高能空气流入喷射器入口，并且向外包围、抽吸，然后与从涡轮机外罩出来的低能空气混合。