旋流式風力發電站及以其取得電力的方法

2023-06-03 01:14:21 2

專利名稱：旋流式風力發電站及以其取得電力的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用風力發電站取得電力的方法，包括一塔，其設有一由發電機驅動、轉軸與所述塔平行並共軸的渦輪機，令頂部開空並設一側面入風口讓風進入的所述塔內形成氣旋，氣旋中央的低壓區從而為所述渦輪機內的氣流產生驅動力。
本發明也涉及一種旋流式風力發電站，其包括一基部；一設於所述基部上方、頂部開空的塔，其設一側面入風口讓風進入以在塔內產生氣旋；一渦輪機，其轉軸與所述塔平行，並設有連接至所述基部的一個或多個入口和連接至所述塔的氣旋中心的一個或多個出口，並連接成用以驅動一設於所述基部的發電機。
背景技術：
以上所述類型的風力發電站已於公告號US 4,935,639A中公開，屬公知技術。整座塔的外圍設有垂直面板，以形成側面入風口。所述面板製造湍流並對氣流造成障礙。有關文件明顯顯示利用所述裝置只能取得有限電力，並有關文件建議改良這個公知技術，以增加輸出電力，但所述裝置十分複雜昂貴。

發明內容
本發明的目的在於提供一種可改善上述類型風力發電站的電力生產，以達到低投資成本、高可靠性和低維修成本的效益。
為實現上述目的，本發明採取後面的獨立權利要求的技術方案如下本發明操作時，所述塔旋轉，令所述入風口時常向風，入風口即達到全層流效果。
把塔設計成非圓形的橢圓形，並使橢圓形的大軸與進入風的方向水平平行，可增加功率削減。這是由於層流每次旋風式旋轉時，其方向和速度都改變幾次，而每次減速或加速都令動能轉化成熱能，並增加塔內的上升速度。熱能的形成簡單有效。
除了利用橫切面呈非圓形的橢圓形的垂直塔外，也可利用橫切面呈圓形的塔，以形成呈橢圓形的水平面，所述塔與垂直線成一傾斜角度，較佳為10至30度。較佳為，所述傾斜度背風或直接向風。


圖1為本發明第一實施例的風力發電站部分切割的透視圖。
圖2a為圖1的風力發電站的側面圖。
圖2b為圖2a的b-b線的剖面圖。
圖2c為圖2a的c-c線的剖面圖。
圖3為圖1的仰視圖。
圖4a為本發明另一實施例的風力發電站的側面圖。
圖4b為圖4a的d-d線的剖面圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施例詳述本發明圖1至圖3出示了一風力發電站，其包括一基部11和一安裝在所述基部上的可旋轉塔12。所述塔12設圓形橫切面(見圖2a的b-b)和一圖2b所示的風口13。所述風口沿著整座塔的高度設置。所述塔的下部設一楔14，使所述塔傾斜並背向風，所述楔水平設置在所述基部上部的一支座15，所述塔的轉動由一馬達(圖中未示)驅動，並有自動控制，令所述入風口經常向風。因此，所述塔圍繞所述支座15的縱軸旋轉。
所述基部內設有一發電機16，其與一液壓馬達共同設置，所述液壓馬達由一液壓泵18驅動，並兩者由液壓軟管17連接。位於所述塔下部的一大致為橫軸式的渦輪機19連接一空心管狀軸20並驅動所述液壓泵18，所述管狀軸20與所述塔12平行並共軸。所述渦輪機19設一文丘裡形入口21，其連接多個螺旋形進氣管22。
所述塔設一與所述塔和所述渦輪機共軸的轉子23，以及一穿過所述管狀軸20的轉軸24，兩者由一自由迴轉偶合器25連接。所述自由迴轉偶合器是一標準機器單元，故不在此詳細說明。所述轉軸24有一萬向接頭26並連接至一水力制動器27，所述轉子23把水力制動器的水加熱。所述轉子23設三塊槳葉28，令所述塔的中央留有空位，空位部分最少有所述渦輪機19的大小(見圖2b)。由於本實施例的所述塔呈傾斜狀，所述槳葉28也傾斜成受風時呈垂直。所述槳葉的傾斜或彎曲設計也令所述槳葉的後方在槳葉螺旋式轉動時幫助引導空氣向上升至塔外。
當風通過入風口13進入時，空氣會形成氣旋，其渦流(「眼」)正處於所述渦輪機19的出口位置。這是氣壓最低的地區，所述氣旋即從所述渦輪機抽吸空氣，令所述渦輪機轉動。空氣呈螺旋形向上升，並從所述塔的頂部離開。
風速低時，形成的氣旋微弱得令所述轉子23利用設於所述轉軸24和20之間的所述自由迴轉偶合器25以驅動所述渦輪機19。風速較高時，所述轉子23隻是輕微幹擾氣旋的形成。使用所述轉子23有利風速較低時的運作，氣旋形成和所述轉子23的同時使用是一折衷辦法，並證明適用於很多實例。由於所述轉子23的所述槳葉28隻覆蓋所述塔的半徑的一小部分，所述塔的中央仍留有空位，其衝擊是可以接受的。然而，在其它實施例中，可省去所述轉子23並改用空塔。
所述水力制動器27產生的熱量可用作如地區供熱網絡的應用。所述水力制動器可由電子控制，從零功率起往上，從而令風力發電站的輸出熱能和電力的相互關係在任何時候都保持理想。
如圖2b和圖2c所示，所述塔12的橫切面呈圓形，即從水平角度看(圖2c)所述橫切面為橢圓形。與橫切面呈圓形的垂直塔設計相比，這種設計證明為有效增加所述風力發電站的輸出功率，並增加塔內的上升速度，這可能是由於形成的氣旋的氣流會在每次旋轉時都減速和加速兩次，即每次旋轉涉及四次速度改變，令動能轉化成熱能。氣溫增加令空氣密度減低，並氣旋中空氣的垂直上升速度也提升，從而增加所述渦輪機的電力。一個中型的風力發電站的所述塔的直徑可以是10至15米，所述塔的高度可以是直徑的三倍。
於上述實施例中，水平面呈橢圓形的所述塔形可利用橫切面呈圓形的塔達成，所述傾斜角度一般是2至40度，較佳為10至30度。
圖4a和圖4b出示了另一實施例，所述塔設置成呈垂直，豎立的所述塔設計成本身為橢圓形，便能做出水平橫切面呈非圓形的橢圓形狀的效果，見圖4b中圖4a的d-d線。另所述塔的定向設置成令其橢圓形的大軸與吹來的風的方向平行。
這樣無需把所述槳葉28傾斜設置，也可省去令所述塔傾斜的所述楔(見圖1和圖2a的14)。從機械角度出發，此實施例比圖1和圖2所示的實施例簡單。本發明的此種豎立實施例不在此詳述，因為所述塔12以類似方法安裝，其包括於圖1和圖2已說明的部件。
權利要求
1.一種利用風力發電站取得電力的方法，包括一由發電機驅動的渦輪機(19)，其轉軸與所述塔平行，令頂部開空並設一側面入風口(13)讓風進入的所述塔(12)內形成氣旋，氣旋中央的低壓區從而為所述渦輪機內的氣流產生驅動力，操作時所述塔(12)被轉動，使所述塔的所述入風口(13)保持於向風方向，其特徵在於所述塔(12)與垂直線保持一傾斜角度，並方向與風向平行。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於所述塔(12)與垂直線保持於10至30度的傾斜角度。
3.根據以上任一權利要求所述的方法，其特徵在於所述塔(12)傾斜於垂直線並方向與風向一致。
4.根據以上任一權利要求所述的方法，其特徵在於空氣經過設於所述風力發電站一基部(11)的多個螺旋形進氣管(22)進入一文丘裡形入口(21)。
5.一種旋流式風力發電站，其包括一基部(11)；一設於所述基部上方的塔(12)，其頂部開空，並設一側面入風口(13)讓風進入以在所述塔內產生氣旋；一大致為橫軸式的渦輪機(19)，其設有連接至所述基部的入口(21，22)和連接至所述塔的氣旋中心的出口，並連接成用以驅動一設於所述基部的發電機(16)，其特徵在於所述塔(12)設置成在水平面呈橢圓形。
6.根據權利要求5所述的風力發電站，其特徵在於所述塔的橫切面呈圓形，其與垂直線保持一傾斜角度，並方向與風向平行，以形成所述橢圓形。
7.根據權利要求6所述的風力發電站，其特徵在於所述塔(12)與垂直線成10至30度的傾斜角度，較佳為方向與風向一致。
8.根據權利要求5所述的風力發電站，其特徵在於所述塔(12)呈垂直，其橫切面呈橢圓形。
9.根據權利要求5至8任一所述的風力發電站，其特徵在於所述塔(12)包括一設有多個槳葉(28)的轉子(23)，以及一與所述塔平行並共軸的轉軸(24)，所述轉軸(24)利用一自由迴轉偶合器(25)連接所述渦輪機的所述轉軸(20)。
10.根據權利要求9所述的風力發電站，其特徵在於所述轉子轉軸(24)設置成用以驅動一水力制動器(27)，以把水加熱。
全文摘要
本發明涉及一種風力發電站，其包括一頂部開空的塔(12)，其設一側面入風口(13)讓風進入並在所述塔內產生氣旋；一大致為橫軸式的渦輪機(19)，其設有連接至所述基部的入口(21，22)和連接至所述塔的氣旋中心的出口，並驅動一發電機(16)。所述塔可旋轉，從水平面看呈橢圓形。與圓形塔相比，橢圓形塔風力發電站的電力較高。本發明操作時，所述塔轉動，令所述入風口時常向風。
文檔編號F03D3/04GK1780984SQ200480011448
公開日2006年5月31日 申請日期2004年4月29日 優先權日2003年4月30日
發明者艾力·史迪, 默罕默德·R·哥利斯 申請人:凱林·奧丁