CN102869879A - 风能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风能系统，所述风能系统包括风力加速器，所述风力加速器具有支撑组件和围绕所述支撑组件的外部结构。所述风力加速器具有前区和后区。所述后区本质上比所述前区更宽，并且所述外部结构从所述后区向所述前区逐渐变窄。一个或多个涡轮机在所述风力加速器的后区处或所述风力加速器的后区附近，或者在所述风力加速器的最宽点处或所述风力加速器的最宽点附近安装在所述支撑组件上。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年4月30日提交的美国专利申请No.12/771,898的优先权，该专利申请通过引用方式将其整体合并于此，而该专利申请要求2009年10月29日提交的美国专利申请No.61/256,174和2009年10月30日提交的美国专利申请No.61/256,474的优先权，这两份专利申请通过引用方式将其整体合并于此。
技术领域
本发明涉及风能系统和方法。
背景技术
分布式发电风能系统，尤其是发电量在10-1,000千瓦(kW)范围内的中等风电市场中的分布式发电风能系统，能够产生重要的环境影响并且满足对可再生能源逐渐增长的需求。然而，这样的系统并不经济，因为多数分布式发电的风力涡轮机在低于实用规模的高度处工作，而在这些高度，风速低于使得能量回收经济可行所需的最小速度。
通常用于分布式发电的涡轮机的类型是垂直轴风力涡轮机(verticalaxis wind turbine)(“VAWT”)。当前的VAWT不能通过桨叶系统有效地转换来自气流的能量，因为所述桨叶系统不能在100英尺以下的低空有效旋转，此时要求桨叶带动高转动惯量(MOI)的发电机(需要50kW及更大的发电机)转动。
解决该问题的一种途径是改变风力涡轮机或其构件的设计，以尝试提高效率。已知的调节包括改变涡轮机桨叶的形状、引入螺旋桨固定片，甚至通过利用其他形式的可再生能源(例如阳光)来提高效率(例如通过向风能系统添加太阳能电池)。然而，这些途径增加了生产成本，因为将会要求专门的工厂来生产不同的涡轮机设计。添加太阳能电池也增加了提供和安装风能系统的成本。
其他的风能系统向涡轮机添加风力加速器，以增加与涡轮机桨叶接触的空气的气流速度。在这样的系统的一个示例中，加速器是截头圆锥的漏斗型设备，旨在引导气流经过所述设备到达风车的叶轮上。该系统存在的缺点是，漏斗型设备是大体积、易损坏且难看的。更重要地，其配合水平入口(horizontal access)风力涡轮机，而不是常见于分布式发电应用的垂直轴涡轮机进行工作。
因此，存在对于经济的分布式发电风能系统的需求，所述系统能够配合现有的垂直轴风力涡轮机模型进行工作。具体地，存在对于风能系统的需求，所述系统不需要额外的或专门的涡轮机构件。总之，存在对于分布式发电风能系统的需求，所述系统采用风力加速器，以提高效率并且能够配合现有的垂直轴风力涡轮机模型进行工作。
发明内容
通过提供一种包括风力加速器的风能系统，本发明(在其多个实施例中)在很大程度上克服了已知的分布式发电风能系统的缺点，所述风力加速器具有前区和后区、在所述后区中或所述后区附近的最宽点，以及安装在所述风力加速器的后区上的一个或多个涡轮机。通过风/速度加速技术，所公开的实施例允许低空(大约100英尺的高度)的风能发电，通过将空气从空气进入所公开的结构之处加速至空气与VAWT达里厄或萨沃纽斯桨叶系统(取决于使用的结构)接触之处，这进而允许所公开的实施例在低处有效地发电。这还降低了对于转动惯量(Moment of Inertia，MOI)所需的扭矩，并且优化了所公开的系统在无风至低风速时使发电机转动的能力。实施例使用风和速度加速技术使达里厄和萨沃纽斯涡轮机桨叶系统转动，达里厄和萨沃纽斯涡轮机桨叶系统通常在不受影响的独立式户外环境中通过我们所拥有的风/速度加速技术转动。
所述风力加速器可以包括支撑组件和围绕所述支撑组件的外部结构。风力加速器的后区本质上比前区更宽。所述外部结构从所述加速器的后区向所述加速器的前区逐渐变窄。风力加速器的形状可以是以下形状中的一种：楔形、泪滴形、蝌蚪形、V形、W形，或变形的楔形、泪滴形或蝌蚪形。所述涡轮机可以是任意类型的风力涡轮机。示例性的实施例使用垂直轴风力涡轮机，例如达里厄或萨沃纽斯涡轮机。
系统的设计使得，当空气流经风力加速器时，空气随着其从所述前区行进经过所述外部结构到达所述后区而加速。风力加速器将空气导入一个或多个涡轮机，使得与所述一个或多个涡轮机接触的空气以高于空气流经风力加速器的前区的速度行进。这种速度提高大约是10-50％。
系统可以进一步包括用于使系统定向为朝向迎面而来的风的装置。系统的实施例能够由调节发电量的计算机程序控制。这是可选的。相同的程序允许经由在线程序对发电进行跟踪，所述在线程序保持对我们的系统产生的能量的实时跟踪。在示例性实施例中，风力加速器可以安装在塔或支杆上，以将其升高到所需的高度，而在示例性实施例中，风力加速器低于大约300英尺的高度。所公开的系统在规模上有所变化，并且通过风力产生大约10kW至50kW的电。
风力加速器的外部结构可以由坚硬材料(例如铝、钢铁、木头或塑料)制成。可选择地，所述外部结构可以由柔性材料(例如帆布)制成，所述柔性材料可以包括聚酯薄膜、涤纶，或者棉或其他的帆材料薄膜。外部结构的表面可以适于直接印上销售信息或印上任意词语或设计。
所公开的系统还使用空气回流技术，该技术俘获离开结构的背部所形成漩涡的空气，并且将该空气经过所述结构的中心送回，这使得内部的桨叶转动，这进而降低了产生优化发电所需的扭矩。这还降低了对于转动惯量(MOI)所需的扭矩。在这样的实施例中，支撑组件可以包括台架框架并限定本质上中空的内部。外部结构可以限定一个或多个后通风口和一个或多个前通风口。空气经过所述一个或多个后通风口和/或所述一个或多个涡轮机进入风力加速器，经过所述本质上中空的内部行进，并且经过所述一个或多个前通风口离开风力加速器。
本发明的实施例描述了一种用于经由风速度加速技术来俘获风的风力加速器设备。所述风力加速器设备包括前区和后区。风力加速器设备的后区本质上比前区更宽，而风力加速器设备的最宽点在所述后区中或者所述后区附近。所述风力加速器设备可以包括支撑组件和围绕所述支撑组件的外部结构。所述外部结构从所述设备的后区向所述设备的前区逐渐变窄。风力加速器设备的形状可以是以下形状中的一种：楔形、泪滴形、蝌蚪形、V形、W形，或变形的楔形、泪滴形或蝌蚪形。风力加速器设备的设计使得，当空气流经所述设备时，空气随着其从所述前区行进经过所述外部结构到达所述后区而加速。一个或多个涡轮机可以在所述风力加速器的后区中安装在所述支撑组件上。
只要风速处于对发电有利的环境范围内，所公开的实施例能够用于在地球上的任何地方产生风能。商业产权、工业产权、住宅产权和公用事业公司可以使用所公开的系统或者购买所述系统产生的电能。
所公开的使用VAWT技术和风/速度加速技术的风能发电系统的实施例通过所公开的结构利用风能来发电，所述结构直接(具体地，经过在VAWT桨叶处使空气加速的专用结构)俘获/转换气流。桨叶进而转动，并经由所俘获的风能发电。通过变化的系统高度(取决于对所述系统进行许可的市政当局)，所公开的系统允许较低海拔高度至较高海拔高度的发电。所公开的实施例还使用铝和帆材料作为外部结构覆盖物，所述外部结构覆盖物成型到变化的具体的空气俘获结构中，所述空气俘获结构带来气流速度的增加。
据此可以看出，提供了一种经济的分布式发电风能系统，其中风力加速器通过专门的逐渐变窄的设计提高了效率，并且将风力涡轮机安装至风力加速器以便风力发电。通过参照附图(其中相同的附图标记通篇表示相同的部分)阅读对本发明的具体描述，本发明的这些和其他特征将是显而易见的。
附图说明
在考虑下文与附图结合的详细描述时，本发明上述及其他的目标将是显而易见的，在附图中：
图1是根据本发明的风能系统的实施例的立体图；
图2A是图1的风能系统的侧视立体图；
图2B是图1的风能系统的侧视图；
图2C是图1的风能系统的前视图；
图2D是图1的风能系统的俯视图；
图3是根据本发明的风能系统的实施例的侧视立体图；
图4是根据本发明的风能系统的实施例的立体图；
图5是根据本发明的风能系统的实施例的侧视立体图；
图6是根据本发明的风能系统的实施例的立体图，去除了外部结构，以示出支撑组件的实施例；
图7A是根据本发明的风能系统的实施例的侧视图；
图7B是根据本发明的风能系统的实施例的俯视图；
图7C是根据本发明的风能系统的实施例的前视图；
图8是根据本发明的风能系统的实施例的侧视立体图；
图9是根据本发明的风能系统的实施例的立体图；
图10是根据本发明的风能系统的实施例的平面图；
图11A是根据本发明的风能系统的实施例的平面图；
图11B是根据本发明的风能系统的实施例的平面图；
图11C是根据本发明的风能系统的实施例的平面图；
图12A是根据本发明的风能系统的实施例的侧视图；
图12B是根据本发明的风能系统的实施例的俯视图；
图12C是根据本发明的风能系统的实施例的前视图；
图13A是根据本发明的风能系统的实施例的俯视图，示出了气流；
图13B是根据本发明的风能系统的实施例的侧视图，示出了气流；
图14是示意图，示出了根据本发明的风能系统的实施例的示例性电连接；
图15是示意图，示出了根据本发明的风能系统的实施例的示例性电连接；
图16示出了在风速增加时的涡轮机转速；
图17示出了使用所公开的风力加速器的楔形实施例时增加的扭矩；以及
图18示出了使用所公开的风力加速器的楔形实施例时增加的功率。
具体实施方式
在下面的段落中，本发明的实施例将参照附图，通过示例的形式进行详细描述，附图的绘制不是为了衡量尺寸，而且示出的构件不必彼此按比例绘制。在通篇的描述中，示出的实施例和示例应当理解为范例，而不是对本发明的限制。正如在此使用的，“本发明”指代在此描述的本发明的任意一个实施例及等同形式。此外，通篇对本发明多个方面的提及并不意味着所有要求保护的实施例或方法必须包括所提及的方面。对温度、压力、密度和其他参数的提及应当理解为对本发明实施例的性能的代表和例示，并且实施例能够通过大量的这种参数进行操作。应当注意，附图没有示出设备的每个部分，也没有示出多种气流的压力、温度和流速。
参照图1至图2D，将会描述风能系统的示例性实施例。风能系统10包括风力加速器12以及安装在所述风力加速器12上的一个或多个涡轮机14a、14b。风能系统10可以包括具有任意所需高度的支杆16并且可以安装在所述支杆16上，因此风能系统10位于所需的高度来接收迎面而来的风。尽管所公开的系统能够在任意高度工作，然而示例性的实施例位于最高大约200英尺的高度(从地平面到风能系统10的顶部)。所公开的实施例在大约200英尺或更低的高度有利地提供了提高的效率。
风力加速器12是变形的楔形(取决于所使用的涡轮机类型系统)，这是由安装决定的。风力加速器12包括前区18和后区20。在示例性实施例中，后区20本质上比前区18更宽。最佳地如图2D所示，风力加速器12的侧面22a、22b从后区20向前区18逐渐变窄，并且在前点24相交。源自风力加速器中心线的锥形的角度可以在大约15度至大约75度之间变化，而在示例性实施例中，该角度在大约20度至大约60度之间变化。正如在此更加详细的讨论，风力加速器12定位为，使得前区18和前点24面对迎面而来的风，由此优化了经过迎角(angle of attack)流向涡轮机14的气流，使得从前区18到后区20的空气加速最大化。在多个公开的实施例中，所描述的风力加速器的变化形状均具有后区、前区，以及从所述后区到所述前区的锥形，以便有利地使得气流加速进入风力涡轮机14的安装在加速器上的桨叶29。然而应当注意，在某些实施例中(例如，图11A至图11C所示的实施例)，到来的空气撞击后区，并且通过空气流过弯曲的后区而实现一定程度上的加速。
风能系统10、210实质上是塔组(tower system)，所述塔组将主结构保持到位，所述主结构位于专门的基座(包括单支杆(monopole)16、216)上。风力加速器12、212的主结构包括支撑组件26、226，以及围绕所述支撑组件12、212或安装在所述支撑组件12、212上的外部结构28、228。如图7和图8所示，支撑组件212使用不锈钢/铝的管形部件系统和/或支撑部件231的桅杆和台架类型的框架230(其将系统构件保持到位)。可以使用管或木制框架部件的任何布置，只要提供了对于外部结构28、228和涡轮机14、214足够的支撑，并且示例性的实施例示出在例如图7和图8中。支撑组件226限定了本质上中空的、由支撑部件231的台架框架230的构件形成的内部232。
所公开系统的外部覆盖物或外部结构28基于涤纶或聚酯薄膜(Mylar)或其他类型的帆材料，或者基于铝或其他坚硬却轻质的材料。基于特定装置处的年平均风速选择用于覆盖物或外部结构的材料。在多数装置中，可以使用柔软的外部结构或坚硬的外部结构。对于极高的风速，可能需要硬的外部结构。
一个或多个风力涡轮机14a、14b安装在风力加速器的后区20。任意数量的涡轮机可以与所公开的风力加速器一起使用，而示例性的实施例拥有2至4个涡轮机，这些涡轮机连接至一系列竖直或水平安装的、规模在5kW至5MW之间的发电机。任意种类的水平轴风力涡轮机或垂直轴风力涡轮机可以与所公开的风能系统联合使用，而示例性的实施例采用垂直轴风力涡轮机(“VAWT”)，例如达里厄(Darrieus)或萨沃纽斯(Savonius)VAWT桨叶系统。通常，达里厄桨叶系统适合于发电功率大约10kW或更低的单元，而萨沃纽斯VAWT用于较大的系统，尤其是那些发电功率在大约100kW以上的系统。
涡轮机14可以在沿风力加速器12的任何点处安装至风力加速器12，并且可以根据需要与支撑组件26一体形成。在示例性实施例中，风力涡轮机14a、14b经由涡轮机轴38、238安装在风力涡轮机12的后区20中的支撑组件26上。风力涡轮机14a、14b可以安装为，使得涡轮机14的第一部分34布置在支撑组件26基本中空的内部32之内，而涡轮机14的第二部分36位于风力加速器12的外部结构28之外。由此，涡轮机14的大约一半处于迎面而来的风的路径中。支撑组件26可以包括涡轮发电机隔间，以容纳发电机。在示例性实施例中，涡轮发电机隔间可以被完全封闭并且是防水的，以保护发电机由于严酷天气带来的破坏。
参照图3至图4，风能系统110主结构的示例性实施例可以是“泪滴(tear drop)”或“蝌蚪”形状。风能系统110包括与图1至图2D所示的变形的三角形实施例相同或相似的基本元件。具体地，风能系统110包括具有前区118和后区120的风力加速器设备112，加速器的最宽点115位于风力加速器设备112的后区120之中或附近。一个或多个涡轮机114在后区120安装在风力加速器设备112上，而在示例性的实施例中，在风力加速器设备112的最宽点115安装在每一侧面122a、122b上。这是因为加速器的最宽点通常是对于风的加速和空气速度最优的点。风力加速器设备包括支撑组件126和围绕所述支撑组件126的外部结构128。
支撑组件126的示例性实施例可以包括前点框架部件124和后框架部件125。外部结构128可以是柔性材料(例如帆布)或坚硬、轻质的材料(例如铝或木头)。后区120本质上比前区118更宽，而风力加速器设备112的外部结构128从后区120向前区118和前点框架部件124逐渐变窄。风力涡轮机114a、114b安装在风力加速器设备112上，朝向后区120(例如在最宽点115)，侧面122a、122b上各安装一个涡轮机114a、114b。在示例性实施例中，涡轮机114a、114b安装在风力加速器设备112的最宽点115处或附近。风能系统110包括单支杆116，用于将系统安装在所需的高度来接收风。风能系统110可以在尺寸上显著地变化，而示例性的实施例是在大约12英寸长×3英寸高×3英寸宽至800英寸长×200英寸高×200英寸宽之间。
转到图5至图7C，将描述风能系统210的其他实施例，其中风力加速器212是“V”形的。此外，主构件与采用不同形状的加速器的实施例仍然是相同或相似的。风能系统210包括风力加速器212和安装在风力加速器212上的风力涡轮机214a、214b。风力加速器212包括前区218和后区220，并且从后区220向前区218逐渐变窄。在楔形的实施例中，风力加速器212及其支撑组件226构造为，使得前区218包括楔形或三角形的前点224，而风力加速器的每个侧面222a、222b形成楔形或三角形的基本笔直的侧面。由此，风力加速器212的后区220包括楔形或三角形的另外两个点，形成风力加速器设备的最宽点215。
可以看出，风力涡轮机214a、214b安装在风力加速器212的后区220上，在风力加速器的最宽点215处或附近。正如在此更加详细的讨论，涡轮机的这种位置使得高速空气进入涡轮机桨叶，带来优化的效率。最佳地如图6所示，支撑组件226包括具有竖直和水平的框架部件231的台架框架230，其可以是木头或具有适宜强度的任意其他材料，并且所述支撑组件形成空气架(air frame)，以使空气进入加速器的通风口，如下所述。支撑组件226限定了风力加速器212内基本中空的内部232。涡轮机可以是水平或垂直轴涡轮机，而在示例性的实施例中是萨沃纽斯或达里厄类型。图5示出了采用达里厄类型VAWT桨叶系统的风能系统210的实施例，而图6示出了正在使用的萨沃纽斯VAWT。每个涡轮机214a、214b包括垂直轴238，以允许涡轮机桨叶229在接触风时旋转，并且根据已知的VAWT安装过程，每个涡轮机安装至风力加速器212的支撑组件226。如图所示(例如图6)，每个涡轮机214a、214b的垂直轴238联结至支撑组件226的两个水平框架部件231，使得涡轮机安装在楔形风力加速器212的后点，并且可操作为接收离开风力加速器212的侧面222a、222b的气流。
风力加速器212进一步包括围绕支撑组件226的外部结构228。所述外部结构228可以包括柔软的柔性材料(例如帆布)，或者本质上是坚硬却轻质的材料(例如铝、钢铁、木头、塑料或玻璃纤维)。在示例性实施例中，外部结构228包括两个本质上坚硬材料的厚板，它们安装在支撑组件226的台架框架230的每个侧面上，留下风力加速器的背部打开。由此，外部结构228在风力加速器212的背部限定了开放空间或内部访问区域，而所述开放空间可以起到通风口240的作用。通风口240允许空气离开风力涡轮机214a、214b，以流入风力加速器212基本中空的内部232。空气接着经过开放的顶部和底部离开，所述顶部和底部由风力加速器212的支撑组件226形成。
图7A至图7C示出了楔形的实施例，其中风力加速器312的支撑组件326包括切掉角的部分342，以提供用于风力涡轮机314a、314b的安装位置。每个切掉角的部分342a、342b包括安装部件344a、344b，用于经由涡轮机垂直轴338安装风力涡轮机314a、314b。
现在参照图8和图9，将对使用变形的蝌蚪或变形的泪滴形状的风能系统的示例性实施例进行描述。风能设备410包括安装在风力加速器412上的一个或多个涡轮机414。风力加速器412具有后区420和前区418，而风力加速器412的最宽点415朝向后区420。风力加速器412从位于后区420中的加速器的最宽点415向加速器前区418的前点424逐渐变窄。风力加速器412可以安装在塔或支杆416上，并且包括支撑组件426和围绕支撑组件426的外部结构428。在示例性实施例中，支撑组件426包括前点框架部件424、后框架部件425和两个侧面框架部件427a、427b。
外部结构428安装在支撑组件426上，并且可以是柔软的柔性材料(例如帆布)，所述柔性材料可以包括例如聚酯薄膜、涤纶或棉或其他的帆材料薄膜，或者是本质上坚硬的材料(例如铝、钢铁、木头或塑料)。由帆布或其他柔性材料制成的外部结构428可以是单一环形的材料，并且通过包裹在支撑组件426周围并抵靠前点框架部件424、侧面框架部件427a、427b和后框架部件425而拉紧，所述外部结构428可以安装在支撑组件上。可选择地，由坚硬或柔软的材料制成的外部结构可以包括多段，其中第一段联结并延伸在前点框架部件424和侧面框架部件427a之间，第二段联结并延伸在侧面框架部件427a和后框架部件425之间，第三段联结并延伸在后框架部件425和侧框架部件427b之间，而第四段联结并延伸在侧框架部件427b和前点框架部件424之间。
风力涡轮机414a、414b安装在风力加速器412的后区420上，使得每个涡轮机14的第一部分布置在风力加速器412的外部结构428中，而每个涡轮机14的第二部分位于风力加速器412的外部结构428之外，以接收迎面而来的风。外部结构428形成风力加速器412的侧面422a、422b的部分限定了涡轮机安装孔442，所述安装孔422的尺寸适合并且允许安装涡轮机414。最佳地如图9所示，外部结构428形成风力加速器的背部的部分限定了通风口440a、440b，每个通风口延伸至各自的风力涡轮机414a、414b。这种通风口结构便于空气的回流，这使得风力加速器412的背部产生旋涡，并且被经过通风口440a、440b运送至涡轮机414a、414b布置在风力加速器412的外部结构428内的部分。该额外的气流增加了与涡轮机的桨叶接触的空气体积，并由此提高了风能系统410的效率。
图10以及图11A至图11C示出了风能系统的其他实施例，这些风能系统采用不同的可能形状的风力加速器。应当注意，所有这些实施例将具有与上述风能设备及系统相同或相似的构件。在图10中，能够看到风能系统510包括安装在风力加速器512上的两个涡轮机514，所述风力加速器512具有变形的楔形，其中侧面522a、522b形成稍稍弯曲的形状，而不是三角形的直线。图11A示出了风能系统610的实施例，其包括安装在风力加速器612上的两个涡轮机614，风力加速器612具有泪滴或蝌蚪形状。如图11B所示，风能系统710的实施例包括安装在风力加速器712上的两个涡轮机714，风力加速器712具有第一变形泪滴或变形蝌蚪的形状。图11C示出了风能系统810的实施例，其中风力加速器812具有第二变形泪滴或变形蝌蚪的形状。应当注意，图11A至图11C中的实施例设计为，使得风力加速器在前面描述的实施例中是前点的点变成后点，而涡轮机接收来自风力加速器相对的端部的风。由此，加速器的“前点”可以定义为加速器上空气首先接触的点，而“前区”可以是气流接触风力涡轮机的桨叶之前首先经过的加速器上的任意部分。
转到图12A至图12C，风能系统910可以包括多个风力涡轮机914以及附加的外围加速器构件950，使得该系统形成W形。风能系统910包括安装在主体楔形风力加速器912以及两个较小的外围加速器构件950a、950b上的多个风力涡轮机914a、914b、914c和914d。安装部件944a、944b联结至主体风力加速器912的背部，而安装部件944c、944d中的每一个联结至各自的外围加速器构件950a、950b。风力涡轮机914a和914b经由每个涡轮机的垂直轴938安装在安装部件944a和944b上。涡轮机914c和914d通过垂直轴938安装在安装部件944c和944d上。风力加速器912包括支撑组件926(其可以包括框架部件931的台架框架930)以及围绕所述支撑组件的外部结构928。迎面而来的风从加速器前区918的前点924加速至后区920，并且接触涡轮机914a和914b的桨叶。迎面而来的风还在其碰到外围加速器构件950a、950b时加速，并且行进以接触风力涡轮机914c和914d的桨叶。
在操作中，风能系统10、110、210、310、410、510、610、710、810、910指向迎面而来的风。风能系统可以包括气象塔的使用，气象塔通过伺服机构的帮助将系统定向。气象塔的使用是本领域已知的。气象塔设计为评估风的资源。通常，气象塔将具有风速计、风向标、温度和压力传感器，以及在地面以上的不同高度附接其上的其他测量设备。所公开的系统还可以使用多普勒技术，该技术计算对于风能系统在获取气流方面最优的定向。
参照图13A至图13B并且使用楔形风能系统210作为示例，系统定向为，使得风或空气260径直流进风力加速器212的前点224。当从加速器的前区218流向其后区220时，空气260接近于两侧面222a、222b流经风力加速器212。空气或风的速度在空气260碰到加速器的前点224的点以及空气260接触风力涡轮机214的桨叶255的点之间增加。随着空气260从加速器212的前区218到后区220，通过表示空气260的更高密度的箭头和圆圈，在图13A至图13B中示出了这种空气或风的速度增加或加速。由此，空气260被引导进入涡轮机214，使得与涡轮机接触的空气260以高于空气流经风力加速器212的前点224和前区218的速度行进。这是因为风力加速器所有公开的实施例的前点和成角度的形状消除了阻力并且优化了经过风力涡轮机的气流。总之，风以低于风与桨叶系统接触时的速度的较低的速度进入结构的主要部分，增加的气流使桨叶转动得更快，比桨叶是户外自立式(free standing)桨叶的情况要快。
正如本领域已知的，所公开的风能系统连接至整流器100，所述整流器100通过将涡轮机的交流电(AC)输出转换为直流电(DC)来对电信号进行整流。整流器是本领域已知的，并且可以由固态二极管、真空管二极管、汞弧阀及其他构件制成。该系统还可以使用功率调节变换器102，其将直流电转变为交流电。变换器的使用是本领域公知的。图14和图15是电路图，其示出了能够与整流器和变换器电连接的风能系统的示例性的布置。这些构件允许所公开的风能系统向正在被供电的装置提供整齐的电信号。根据系统需要，还可以使用公用事业变压器、公用事业仪表、公用事业断路器、场所分布工具、风力计、风力断路器和主结构断路器。
示例
随着空气沿加速器的侧面行进，所公开的风能系统和风力加速器有利地将空气或风的速度提高了大约10％至50％。下面的示例1示出了关于涡轮机转速、扭矩vs.风速，以及功率vs.风速数据的实验室测试结果。该测试在计算流体动力学(CFD)实验室进行。特别地，测试使用一种称为Fluent的CFD空气动力学程序，已知其提供了比风洞测试更加准确的结果。然而应当注意，气流在真实世界的环境中是可变的。该测试将计算机建立的一种模型与计算机建立的另一种模型进行了比较，前一模型是所公开的、具有楔形风力加速器和萨沃纽斯涡轮机的原型风能系统的实施例，而后一模型是具有安装在支杆上的萨沃纽斯涡轮机的基本系统(没有相关的风力加速器)。表2A和图16示出了随风速增加时的涡轮机转速。表3A和图17示出了使用所公开的风力加速器的楔形实施例时增加的扭矩，而表4A和图18示出了使用所公开的风力加速器的楔形实施例时增加的功率。
示例1：关于楔形加速器的数据
表1：涡轮机特性
表2A：涡轮转速(数据)
表3A(i)：扭矩Vs.风速(数据)
扭矩数据(基本的2叶片、2级萨沃纽斯涡轮机)
最大扭矩转速
| 风速 | 风速 | 转速 | 顶端速度 | 转速 | 功率 | 扭矩 | 扭矩 |
| (m/s) | (knots) | (rad/s) | 速率 | (RPM) | (kW) | (n-m) | (ft-lbs) |
| 0 | |||||||
| 1 | 1.9 | 0.1 | 0.4 | 0.7 | 0.0 | 224 | 165 |
| 2 | 3.9 | 0.1 | 0.4 | 1.4 | 0.1 | 896 | 661 |
| 3 | 5.8 | 0.2 | 0.4 | 2.1 | 0.4 | 2,015 | 1,487 |
| 4 | 7.8 | 0.3 | 0.4 | 2.9 | 1.0 | 3,583 | 2,644 |
| 5 | 9.7 | 0.4 | 0.4 | 3.6 | 2.0 | 5,598 | 4,131 |
| 6 | 11.7 | 0.4 | 0.4 | 4.3 | 3.4 | 8,061 | 5,949 |
| 7 | 13.6 | 0.5 | 0.4 | 5.0 | 5.4 | 10,972 | 8,097 |
| 8 | 15.6 | 0.6 | 0.4 | 5.7 | 8.0 | 14,330 | 10,576 |
| 9 | 17.5 | 0.7 | 0.4 | 6.4 | 11.4 | 18,137 | 13,385 |
| 10 | 19.5 | 0.7 | 0.4 | 7.2 | 15.6 | 22,391 | 16,525 |
| 11 | 21.4 | 0.8 | 0.4 | 7.9 | 20.8 | 27,093 | 19,995 |
| 12 | 23.3 | 0.9 | 0.4 | 8.6 | 27.0 | 32,243 | 23,795 |
| 13 | 25.3 | 1.0 | 0.4 | 9.3 | 34.3 | 37,841 | 27,927 |
| 14 | 27.2 | 1.0 | 0.4 | 10.0 | 42.8 | 43,886 | 32,388 |
| 15 | 29.2 | 1.1 | 0.4 | 10.7 | 52.7 | 50,380 | 37,180 |
| 16 | 31.1 | 1.2 | 0.4 | 11.5 | 64.0 | 57,321 | 42,303 |
| 17 | 33.1 | 1.3 | 0.4 | 12.2 | 76.7 | 64,710 | 47,756 |
| 18 | 35.0 | 1.3 | 0.4 | 12.9 | 91.1 | 72,547 | 53,540 |
| 19 | 37.0 | 1.4 | 0.4 | 13.6 | 107.1 | 80,832 | 59,654 |
| 20 | 38.9 | 1.5 | 0.4 | 14.3 | 124.9 | 89,564 | 66,098 |
表3A(ii)：扭矩Vs.风速(数据)
扭矩数据(优化的系统，带有结构：单个2叶片、2级萨沃纽斯涡轮机)
表4A(i)：功率Vs.风速(数据)
功率数据(基本的2叶片、2级萨沃纽斯涡轮机)
表4A(ii)：功率Vs.风速(数据)
功率数据(优化的系统，带有结构：单个2叶片、2级萨沃纽斯涡轮机)
由此可以看出，本发明提供了风能系统和方法。应当理解，上述任意结构以及专门的构件或化学化合物可以可互换地与上述实施例中的任意系统一起使用。尽管前面描述了本发明的示例性实施例，然而对于本领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的前提下在此作出多种改变和修改。所附权利要求旨在覆盖所有这些落入本发明的真正实质和范围内的改变和修改。
Claims (20)
1.一种风能系统，包括：
具有前区和后区的风力加速器，所述后区本质上比所述前区更宽，所述风力加速器从所述后区向所述前区逐渐变窄；以及
安装在所述风力加速器的后区上的一个或多个涡轮机。
2.根据权利要求1所述的系统，其中当空气流经所述风力加速器时，所述空气随着其从所述前区行进至所述后区而加速。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述风力加速器将空气导入所述一个或多个涡轮机，使得与所述一个或多个涡轮机接触的空气以高于空气流经风力加速器的前区的速度行进。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述风力加速器包括支撑组件和围绕所述支撑组件的外部结构。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述风力加速器是以下形状中的一种：楔形、泪滴形、蝌蚪形、V形、W形、变形的楔形、变形的泪滴形或变形的蝌蚪形。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述外部结构由柔性材料制成。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述柔性材料是帆布。
8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括用于使所述风能系统定向为朝向迎面而来的风的装置。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述支撑组件限定了本质上中空的内部。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述外部结构限定了一个或多个后通风口和一个或多个前通风口，从而空气经过所述一个或多个后通风口和/或所述一个或多个涡轮机进入所述风力加速器，经过所述本质上中空的内部行进，并且经过所述一个或多个前通风口离开所述风力加速器。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个涡轮机从达里厄垂直轴风力涡轮机和萨沃纽斯垂直轴风力涡轮机中选择。
12.一种风力加速器设备，包括：
支撑组件和围绕所述支撑组件的外部结构，所述风力加速器设备具有前区和后区，所述后区包括所述风力加速器设备的最宽点并且所述后区本质上比所述前区更宽，所述外部结构从所述后区向所述前区逐渐变窄；
其中当空气流经所述风力加速器设备时，所述空气随着其从所述前区行进经过所述外部结构到达所述后区而加速。
13.根据权利要求12所述的设备，进一步包括在所述风力加速器设备的最宽点处或所述风力加速器设备的最宽点附近安装在所述支撑组件上的一个或多个涡轮机。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述风力加速器设备将空气导入所述一个或多个涡轮机，使得与所述一个或多个涡轮机接触的空气以高于空气流经风力加速器设备的前区的速度行进。
15.根据权利要求13所述的设备，其中所述外部结构由帆布制成。
16.根据权利要求15所述的设备，其中所述支撑组件包括台架框架，所述台架框架限定本质上中空的内部。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述外部结构限定了一个或多个后通风口和一个或多个前通风口，从而空气经过所述一个或多个后通风口和/或所述一个或多个涡轮机进入所述风力加速器设备，经过所述本质上中空的内部行进，并且经过所述一个或多个前通风口离开所述风力加速器设备。
18.一种风能设备，包括：
风力加速器，具有：
支撑组件和围绕所述支撑组件的外部结构，所述支撑组件限定了本质上中空的内部；以及
前区和后区，所述后区本质上比所述前区更宽，所述外部结构从所述后区向所述前区逐渐变窄；
安装在所述风力加速器的后区中的支撑组件上的一个或多个涡轮机，从而每个涡轮机的第一部分布置在所述支撑结构的本质上中空的内部，而每个涡轮机的第二部分位于所述外部结构之外。
19.根据权利要求18所述的设备，其中当空气流经所述风力加速器时，所述空气随着其从所述前区行进经过所述外部结构到达所述后区而加速，从而与所述一个或多个涡轮机接触的空气以高于空气流经所述风力加速器的前区20-40％的速度行进。
20.根据权利要求18所述的设备，其中所述风力加速器安装在支杆上，而所述设备的高度低于大约200英尺。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130109 |