利用風力產生電能的設施的製作方法
2023-06-02 22:14:01
專利名稱：利用風力產生電能的設施的製作方法
利用風力產生電能的設施
發明背景發明領域
本發明大體上涉及發電設備，更具體地涉及一種風力發電設施。
相關技術的描述
現有技術示教了使用護罩增加護罩喉部內的主風的速度，以提高渦輪機捕獲風能的能力。然而，現有技術的護罩並未示教其形狀既可增加穿過護罩的風量，還可使風對護罩的拖拽力最小化的護罩。
例如，Yamamoto，美國7，293，960示教了包括六邊形護罩的浮動風力發電設施。護罩的形狀，尤其是護罩的外表面的形狀會產生相當大的拖拽力。
Friesth，美國2008/12417示教了包括平面和非空氣動力形平面外表面的護罩， 該平面和非空氣動力形平面外表面一起會產生很大的拖拽力。
本發明示教的設施還包括可為非常高的塔結構。在這種高結構中，將拖拽力最小化以防塔被大風颳倒是很重要的。
現有技術確實將一些很牢固的塔組合在一起以在很小的建築面積內優化對風能的捕捉。Friesth示教了一種塔結構，其包括核心塔和多個用於提供橫向穩定性和扭轉穩定性的拉索。Weisbrich，美國5，520, 505中示出了具有相似塔結構的另一個示例。
上述參考的全部內容通過引用合併到本文中。發明概要
本發明示教了結構和使用方面的某些益處，其引起了以下描述的目的。
本發明提供了利用主風產生電能的設施。該設施包括多個護罩、多個風力渦輪機、 電力系統、多個模塊、樞軸安裝系統和支撐結構。每個護罩均具有可增加通過護罩的主風的速度的喉部。多個風力渦輪機中的每個風力渦輪機可操作地設置在多個護罩的其中之一的喉部內。電力系統適合將來自多個風力渦輪機的機械能轉換為電能。
本發明的主要目的是提供一種設施，其具有現有技術未示教的優點。
另一個目的是提供一種設施，其可在相同風速下使渦輪軸處的發電量增加至未配備有護罩的尺寸相同的風力渦輪機的發電量的大約3. 3倍。
另一個目的是提供一種設施，其能夠在風速大約為沒有護罩的尺寸相同的渦輪機發電所需最小風速的三分之二時發電，且因此具有在許多正常風速低於傳統風力渦輪機發電所需風速的地理區域發電的能力。
另一個目的是提供一種設施，其能夠憑藉新的風能可用的地理區域在有需要的點或其附近提供電能，並降低或消除提供額外電力傳輸設施以傳輸增加的電能的需要。該位置還可降低長距離傳輸造成的電能損耗，從而降低用戶的用電費用。
另一個目的是提供一種設施，其可通過將渦輪機的輸出路由至一組尺寸不同的發電機來提高發電效率，該組發電機可在更寬的風速範圍內以不同範圍的最佳效率運行。
另一個目的是提供一種設施，其通過將模塊內的兩個泵的液壓液體的流動與一組控制器、電機和發電機結合起來以進一步提高發電效率。
另一個目的是提供一種設施,其包括相對於傳統風力發電設施可大大減少風力發電所需的地面量的塔支撐結構。相對於傳統風力發電設施，該結構還允許在更高的海拔高度或更大的風速下使用。
更進一步的目的是提供一種設施，其尺寸可更大或更小以滿足各種需要。
通過以下更詳細的描述並結合附圖(其以示例的方式示出了本發明的原理)，本發明的其它特徵和優點將很明顯。
附圖簡述
附圖示出本發明。
圖IA是示出根據本發明的實施例的支撐結構和多個模塊的設施的透視圖。
圖IB是除去支撐結構的多個模塊的透視圖。
圖2是設施的電力系統的示意圖。
圖3A是設施的護罩的透視圖。
圖3B是沿圖3A中的線3B-3B截取的護罩的剖視圖。
圖3C是設施的平臺的透視圖。
圖3D是護罩被切除部分的透視圖，其示出位於圖3中的護罩內的圖3C中的平臺，並且還示出護罩內的支架。
圖3E是護罩內部結構系統的正面剖視圖。
圖4是模塊和其上可轉動地安裝有模塊的軌道的分解透視圖。
圖5A是上框架的透視圖。
圖5B是外轉向架的詳圖。
圖5C是下框架的透視圖。
圖是前內轉向架的詳圖。
圖5E是後內轉向架的詳圖。
圖6是模塊控制系統的示意圖。
圖7是不包括模塊的支撐結構的平面圖。
圖8是核心塔的透視圖。
圖9是外圍塔的透視圖。
圖10是桁架和軌道系統的透視圖。
圖11是環形桁架的透視圖
圖12是徑向桁架的正視圖。
圖13是外圍桁架的正視圖。
圖14是軌道桁架的正視圖。
圖15是軌道的平面圖。
圖16是拉索對的正視圖。
具體實施方式
上述附圖示出本發明，即利用表面上方的主風產生電能的設施。
圖IA是設施的一個實施例的透視圖。圖IB是圖IA中的設施的透視圖，該設施的支撐結構已移除以便更好地示出該設施的多個模塊。實施例(單獨或多個安裝)在建築場地短缺的地方可最有效地滿足大量電力的需求。
如圖IA和圖IB所示，設施包括電力系統、多個護罩、多個風力渦輪機、多個模塊、 樞軸安裝系統和支撐結構。支撐結構支撐多個遠離表面(例如，地面、水面或其它位置)的風力渦輪機以使捕獲的風量最大化，並將設施的佔地面積降至最低。
圖2示出電力系統的實施例的示意圖。圖2所示電力系統包括風力渦輪機204、 液壓系統206、發電系統208、支柱210和平臺212。液壓系統206可包括泵214、控制系統 216、電機218、加上線路和其它組件220。液壓系統206通過泵214將來自渦輪機204的機械能轉換為流體流動形式的能量。然後，控制器216將流體流動分配給合適的液壓電機 218。然後，液壓電機218將流體流動轉換為機械能，該機械能被傳輸至發電機222。
電力系統的控制系統216包括將來自泵的流體流動分配至不同尺寸電機218的分配元件(例如，閥門)，和優化發電的邏輯電路。控制系統216還可接收來自模塊中的多個泵214的流動,如圖4所示。
渦輪機204、泵214以及部分線路和其它組件220由支柱210支撐。支柱210反過來通過圖3A所示的護罩支撐。控制系統216、電機218、部分發電系統208、部分液壓管路和其它組件220由護罩支撐，如下文中更詳細地討論。雖然示出了電力系統的一個實施例， 但是也可利用本技術中已知的可替代的電力系統(例如，機械傳動裝置和其它可替代的裝置)，且應在本發明的範圍內考慮這種可替代的實施例。
圖3A示出多個護罩的其中之一的一個實施例。如圖3A所示，護罩為空氣動力空心殼，其位於風力渦輪機204周圍，如圖IA所示。圖3A所示的護罩可以是具有水平軸324、 內表面304和外表面306的特殊環狀。護罩還具有前部308和後部310。該前部和後部定位同樣適用於模塊的所有組件，如圖4所示。風從前部308接近護罩，並從後部310離開。
內表面304的最小直徑D為喉部312。護罩的尺寸以及風力系統的許多其它尺寸與喉部312的直徑D成比例。如圖IA所示，渦輪機204位於喉部312。
圖3B示出了圖3A中的護罩的截面。圖2A和圖2B中的護罩為空心的旋轉殼，或由圖3B所示形狀圍繞水平軸324旋轉一整圈360度的路徑所形成的環狀。圖3B所示形狀包括點326、328、332和338，加上線330、334、336和340。更具體地，圖3A所示護罩的前部 308可被定義為當圖3B所示形狀旋轉時，點326所形成的環形。點326位於距軸324的距離為O. 7D的位置,但是其可被置於距軸324的距離範圍為O. 55D至O. 95D的位置。更具體地，圖3A所示護罩的後部310可被定義為當圖3B所示形狀旋轉時，點328所形成的環形。 點328距包含點326的垂直平面的後部的水平距離為I. 但是點328距點326的後部的距離範圍可以是O. 5D至2. 5D。
如圖3B所示，本實施例的護罩的外表面306包括從點326開始遠離軸324並與軸 324垂直的前部外曲線330。曲線330的方向最多可向與軸324垂直的後部改變十五度。曲線330在點332終止彎曲之後便開始與軸324平行，其與軸324的距離為.75D。曲線330 在其終點時最多可向遠離軸324而不與其平行的方向改變十度。點332與軸324之間的距離可以在O. 6D至2D之間變化。點332為從點326至後部的水平距離O. 07 。點332從點326至後部的距離可在.05D至I. 5D之間變化。在第一實施例中，曲線330為橢圓的四分之一，但是該曲線可以是任何形狀。圖3B所示形狀的外後線334從點332開始，並止於點328。在第一實施例中，線334相對於軸324其斜率變化。在點332，線334向軸324傾斜的最小斜率為4度，且在點328，線334向軸324傾斜的最大斜率為6. 5度。線334的斜率可從與軸324平行改變為向軸324傾斜十五度。
如圖3B所示，內表面304包括內部前曲線336，其從點326開始向軸324延伸並與軸324垂直。曲線336在其起點的方向最多可向與軸324垂直的後部改變十五度。曲線 336在點338終止彎曲之後便開始與軸324平行，其與軸324的距離為O. 曲線336在其終點時最多可向遠離軸324而不與其平行的方向改變十度。在本實施例中，點338為從點326至後部的水平距離O. 3D。在可替代的實施例中，從點326至後部，點338可在O. ID 至I. 之間變化。在第一實施例中，曲線336為橢圓的四分之一，但是在不同的實施例中該曲線可以是可替代的形狀。當圍繞軸旋轉時，點338的路徑形成護罩的喉部312。圖3B 所示形狀的內後線340從點338開始，並止於點328。線340相對於軸324其斜率變化。線 340在點338向遠離軸324的方向傾斜的最小斜率為4度。線320在點328向遠離軸324 的方向傾斜的最小斜率為6. 5度。線334的斜率可從零度改變為遠離軸324傾斜十五度。
用於本實施例的護罩結構包括以下幾個額外的構造其為框架梁502和522提供結構連接。其為支柱210和平臺212提供結構支撐。如圖3E所示，其提供結構穩定性所需內部支撐，並幫助組裝。在本實施例中，護罩可被構造為還包括進入外殼內部的入口(例如，門)。以此方式，護罩可提供維護電力系統所需的內部工作區。內部工作區可提供出口以檢修渦輪機204，且當維修人員使用內部時，內部工作區可進一步提供室內照明和通風系統以供使用。
圖3C是設施的平臺212的一個實施例的透視圖。圖3D是護罩被切除部分的透視圖，其示出位於圖3A所示護罩內的圖3C中的平臺。在圖3C和圖3D的實施例中，平臺212 位於護罩內部並包含控制系統216、電機218、部分發電系統208以及部分液壓管路和其它組件220。在本實施例中，護罩可服務於以下補充目的包含並保護平臺212和上述組件， 並且為維修工人提供安全的位置以操作這些組件。
雖然平臺212可置於護罩內部，但是如果需要或護罩不夠大不足以容納該平臺， 也可將其置於其它地方。發電系統208包括尺寸從小到大的直流發電機222、模塊總線224、 公用直流總線226和任選的交流電轉換器228。用於圖4中每個模塊的發電機222和模塊總線224被置於平臺212上以用於圖4中的每個模塊。公用直流總線226和任選的交流變換器228可被置於圖IA中的設施的基底上。圖2中的電力系統可產生電網可兼容的直流電或交流電。
圖3E是護罩內部結構系統346的正面剖視圖。護罩內部結構系統346包括內表面304和外表面306之間的內部支架350。雖然示出了一種內部支架350的設置形式，但是也可使用可替代的結構和排列形式，且應在本發明的範圍內考慮這種該技術中已知的可替代形式。
圖4是圖IA中的模塊和其上可轉動地安裝有模塊的軌道的分解透視圖。在圖4的實施例中，每個模塊包括兩個護罩(如圖3A所示)，和置於護罩內的部分電力系統(如圖2 所示)。在可替代的實施例中，每個模塊可包括兩個以上護罩，且所述護罩可以不同的排列方式放置(例如，將一對護罩設置在任意一側，或者並列放置或者堆疊放置，或是可替代數量以及可替代排列方式的護罩)。應在本發明的範圍內考慮這種可替代的排列方式。
如圖4所示，每個模塊還可包括用於連接護罩的框架。在圖4的實施例中，框架可包括上框架(圖5A所示),和下框架(圖5C所示)。圖5A所示出的上框架和圖5C所示出的下框架可將護罩保持在適當的位置，並在核心塔的相對兩側對其進行支撐，如圖IA所/Jn ο
如圖4和圖5A所示，上框架包括連接至護罩頂部的前端504和後端506的框架頂梁502。優選地，梁502直接位於軸324之上。也可將其它方便的護罩負載點508連接至梁 502。上框架還可包括兩個梁前端504之間的前杆512，和兩個梁後端506之間的後杆514。
圖5B是外轉向架510的詳圖。如圖4和圖5B所示，上框架包括安裝的一對或多對輪子，或轉向架510，其附接到梁的四個端504和506上。這些轉向架510將來自模塊的垂直載荷傳遞至外軌道704，如圖4所示。在圖4、圖5A和圖5B的實施例中，樞軸安裝系統包括本文描述的軌道和轉向架。樞軸安裝系統也可包括本技術領域中的技術人員已知的可替代的實施例。
圖5C示出了下框架的一個實施例。除了圖5C的下框架是被上下顛倒置於圖4中的模塊底部而非在其頂部之外，圖5C中的下框架在很多方面與圖5A中的上框架是等同的。 圖5C中的下框架與圖5A中的上框架的具體差別如下圖3A中的護罩連接至梁522的梁端 524和梁端526。轉向架510被附接到梁522的梁端524和梁端526的底部。轉向架516 被附接到前杆532的底部和後杆534的底部。轉向架510和轉向架516與外軌道704和位於下方的內軌道706組裝在一起。
如圖4、圖和圖5E所示，多個轉向架516被附接到上框架和下框架上以接合內軌道706，從而支撐風施加到護罩上的水平載荷。圖是前內轉向架的詳圖。圖5E是後內轉向架的詳圖。轉向架516被附接到前杆512之上，並且其中心可置於前杆的中點處；且轉向架516也可被附接到後杆514之上，且同樣地其中心可置於後杆的中點處。設置這些轉向架516是為了將來自上框架的水平載荷傳遞至內軌道706 (圖5E中所示)。
如圖5A和圖5C所示，桁架構件518將上框架水平載荷從梁502的前端504和後端506傳遞至多個轉向架516 (如圖4最好地所示)。設置這些桁架構件518是為了提供穩定的結構以將水平載荷從梁502傳遞至轉向架516。在本實施例中，除了轉向架510和516 之外，上框架構件502、512、514和518均在同一水平面上對齊。
如圖4所示，轉向架510和516分別在固定於圖7所示結構的環形軌道704和706 上轉動。轉向架510和516以及軌道704和706允許圖4中的模塊圍繞核心塔(圖8所示)旋轉。轉向架510和516為圖5A中的框架的一部分。軌道704和706為圖7所示結構的一部分。圖5B所示外轉向架與外軌道704接合。內轉向架516在圖4所示模塊的前部與內軌道706接合。圖5E示出內轉向架516與其上的內軌道706的組裝以及內轉向架 516組裝到圖4所示模塊的後部。
圖4中的模塊示出模塊拉索對402，其為圖5A所示上框架與圖5C所示下框架之間對角連接的電纜對。一個模塊拉索對402位於上框架和下框架的前部處的垂直平面內。另一個拉索對402位於上框架和下框架的後部處的垂直平面內。這些模塊拉索對402為每個模塊提供結構穩定性和尺寸穩定性。
圖6是圖4所示每個模塊所包括的模塊控制系統的示意圖。模塊控制系統包括風向感應裝置604、模塊控制裝置606和用於驅動多個外轉向架510的多個電機608。模塊控制系統安裝於每個模塊中以保持模塊始終面向主風。當風向感應裝置604使用本技術領域中的技術人員已知的技術感應出風向發生變化時，模塊控制裝置606利用電機608以可使模塊相對於風保持正確方向的方式轉動模塊。
圖7示出支撐結構的一個實施例的俯視圖。本實施例的支撐結構包括圖8所示的核心塔、圖9所示的外圍塔、以上描述的桁架和軌道系統，以及拉索702。在本實施例中，有六個外圍塔；然而，該數量可根據本技術領域中的技術人員的需要而改變(可使用三個或更多)。
如圖10所示，桁架和軌道系統包括環形桁架(圖11所示)、六個徑向桁架(圖12 所示)、六個外圍桁架(圖13所示)、六個軌道桁架(圖14所示)、一個或兩個外軌道704、 一個或兩個內軌道706以及12個或24個撐杆708。圖12所示徑向桁架的數量、圖13所示外圍桁架的數量、圖14所示軌道桁架的數量和撐杆708的數量將根據使用的圖9所示外圍塔的數量改變。
圖10所示桁架和軌道系統藉助於圖11所示徑向桁架將圖8所示核心塔連接至圖 11所示環形桁架，並將圖11所示環形桁架連接至圖9所示外圍塔。圖10所示桁架和軌道系統藉助於圖12所示外圍桁架將圖9所示相鄰的外圍塔彼此連接。圖10所示桁架和軌道系統藉助於圖13所示軌道桁架將圖11所示相鄰的徑向桁架彼此連接。圖10所示的每個桁架和軌道系統包括一個或兩個外軌道704和一個或兩個內軌道706。根據需要提供外軌道704和內軌道706以接收分別來自圖4所示模塊的外轉向架510和內轉向架516的垂直載荷和水平載荷。撐杆708通過將內軌道706連接至圖11所示環形桁架來為內軌道706 提供輔助橫向支撐。圖10所示桁架和軌道系統以垂直間隔出現，所述垂直間隔足以允許圖 4所示模塊被支撐在桁架和軌道系統之間。所有者可決定省去圖4所示個別模塊，留出的空間可空著或另作它用。圖10所示桁架和軌道系統的位置在圖4所示模塊之上、之間或下面。
圖8示出核心塔的第一實施例。圖8所示核心塔具有形成等邊三角形的三個垂直支柱802。支柱802彼此間相隔的水平距離為O. 433D，其被定義為圖8所示核心塔的面804。 核心塔中支柱的數量也可為四個，且支柱之間的距離可在O. ID至O. 7D之間變化。三個面 804中的每個面804都具有位於支柱802之間的綴條806圖案。綴條圖案以一定間隔重複， 該間隔限定了圖8所示核心塔的節間808。圖8所示核心塔的分區810被定義為連接入垂直疊加以與圖10所示桁架和軌道系統的中線之間的垂直距離相等的足夠節間。圖11所示環形桁架被附接到每個分區810的頂部節間808的中部。每個分區810的頂部節間808的支柱802被加強以支撐所附接的圖11所示環形桁架。每個支柱802的底部由底座812支撐，該底座812可以是適合於具體場地的土壤和所施加的負載的任何配置。
圖9示出外圍塔的第一實施例。圖9所示外圍塔具有形成等邊三角形的三個垂直支腿902。圖9所示外圍塔也可被配置為具有四個支腿。支腿902的其中之一指向圖8所示核心塔的中心。支腿902彼此間相隔的水平距離大約為O. 10D，其被定義為圖9所示外圍塔的面904。表面寬度可以在O. O 至O. 2 之間變化。三個面904中的每個面904都具有位於支腿902之間的綴條906圖案。該綴條圖案重複足夠多次以與圖8所示核心塔的節間808高度相等。該節間高度限定了圖9所示外圍塔的部分908。圖9所示外圍塔的分11區910被定義為連接入垂直疊加以與圖10所示桁架和軌道系統的中線之間的垂直距離相等的足夠部分908。圖12所示徑向桁架和圖13所示外圍桁架被附接到每個分區910的頂部部分908的中部。每個分區910的頂部部分908的支腿902被加強以支撐所附接的圖12 所示徑向桁架和圖13所示外圍桁架。每個支腿902的底部由底座912支撐，該底座912可以被配置為適合於每個場地的土壤和所施加的負載。
圖11示出環形桁架的第一實施例。圖11所示環形桁架包括頂部環1102和底部環 1104。環1102和環1104均包括六個相同的構件1106。如果使用多於或少於六個圖9所示外圍塔，則應修改環1102和環1104中構件的數量以與其匹配。圖11所示環形桁架的邊長足夠使其跨越圖8所示核心塔，並連接至圖8所示核心塔支腿802。環1002和環1004之間的垂直距離為O. 1167D，但是該距離可在.05D至2. 5D之間變化。頂部環1102的每個角通過垂直支柱1108與正下方的底部環1104的角連接。圖11所示環形桁架在相鄰支柱1108 之間的每一部分被定義為圖11所示環形桁架的面1110。每個面1110在相鄰支柱1108之間具有綴條1112圖案以為框架提供結構穩定性。圖11所示的每個環形桁架均圍繞圖8所示核心塔設置，因此環形桁架的一些角與圖8所示核心塔的支腿802垂直對齊。這些對齊的角被附接到圖8所示核心塔的每個分區810的頂部部分808的中部。
圖12示出徑向桁架的第一實施例。每個圖12所示徑向桁架的長度指向水平方向。 圖11所示徑向桁架的深度指向豎直方向，並具有頂弦杆1202和底弦杆1204。頂弦杆1202 和底弦杆1204之間的垂直距離為O. 1167D，該距離與圖11所示環形桁架的深度精確匹配並隨其變化而變化。頂弦杆1202和底弦杆1204的總長與連續串聯的對角綴條1206有關。 圖12所示徑向桁架的總長為1.655D，但是該長度可在1. 至2. 之間變化。每個圖12 所示徑向桁架的內端1208連接至圖11所示環形桁架的頂點。共有六個圖12所示徑向桁架連接至每個圖11所示的環形桁架。圖12所示徑向桁架的數量將改變以與圖9所示外圍塔的數量匹配。每個圖12所示徑向桁架的外端1210在該位置連接至圖9所示外圍塔的內支腿902。
圖13示出外圍桁架的第一實施例。每個圖13所示外圍桁架的長度指向水平方向。 每個圖13所示外圍桁架的深度指向豎直方向，並具有頂弦杆1302和底弦杆1304。頂弦杆 1302和底弦杆1304之間的垂直距離為O. 1167D，該距離與圖12所示徑向桁架的深度精確匹配並隨其變化而變化。頂弦杆1302和底弦杆1304的總長與連續串聯的對角綴條1306 有關。圖13所示外圍桁架的總長為I. 9124D，但是該長度可在I. 5D至2. 5D之間變化。每個圖12所示外圍桁架的端部在該位置連接至圖9所示外圍塔的內支腿和圖11所示徑向桁架。
圖14示出軌道桁架的第一實施例。每個圖14所示軌道桁架的長度指向水平方向。圖14所示徑向桁架的深度指向豎直方向，並具有頂弦杆1402和底弦杆1404。頂弦杆 1402和底弦杆1404之間的垂直距離為O. 1167D，該距離與圖12所示徑向桁架的深度精確匹配並隨其變化而變化。頂弦杆1402和底弦杆1404的總長與連續串聯的對角綴條1406 有關。圖14所示軌道桁架的總長為I. 2474D，但是該長度可在I. OD至2. OD之間變化。圖 14所示軌道祐1架的每一端連接至圖12所示徑向祐1架。
圖15示出外軌道704和內軌道706的第一實施例的平面圖。外軌道704的半徑為I. 097D，其可在O. 75D至I. 5D之間變化。外軌道704在點1502 (間隔六十度)處被附接到六個圖12所示徑向桁架上。外軌道704在點1504處(點1504在兩個位置中)被附接到圖12所示徑向桁架之間的六個圖14所示軌道桁架。到圖13所示軌道桁架的附接點1504 的位置被隔開，因此軌道704在其整個圓周內以二十度的規律間隔附接。軌道704附接點 1502和1504的數量及其角度間隔將隨圖12所示徑向桁架的數量而變化。
內軌道706的半徑大約為O. 25 ，其在O. 5D至I. 5D之間變化。內軌道706在點 1506 (間隔六十度)處被附接到六個圖12所示的徑向桁架上。內軌道706在圖12所示徑向桁架之間居中的點1508由撐杆708支撐以抵抗水平載荷。如圖7B所示，撐杆708被設置在軌道706和圖11所示環形桁架之間。軌道706附接點1506的數量及其角度間隔將隨圖12所示徑向桁架的數量而變化。
圖16是圖7所示結構的外部表面的部分正視圖。圖16示出拉索對702的配置。 拉索702在圖9所示相鄰的外圍塔之間以及圖10所示相鄰的桁架和軌道系統層級之間對角連接。然而，底部拉索對702在圖10所示底部的桁架和軌道系統和圖9所示相鄰的兩個外圍塔基底之間連接。拉索702為圖7所示結構提供結構穩定性。
第一實施例的操作
每個圖4所示模塊連續被定向為直接面對主風。認真選擇的前部外曲線330和前部內曲線336的空氣動力形狀可在喉部312將進入每個圖3A所示護罩的前部308的風的速度提高大約50%。然後，已提高的風速驅動位於喉部312的渦輪機204和相關的圖2所示電力系統產生電能以供人們使用。選擇並優化圖3A所示護罩形狀和圖2所示電力系統以儘可能增加發電量。
通過圖3A所示護罩的風產生拖拽力。圖3A所示護罩的整個空氣動力形狀被優化到能減少這些拖拽力的程度。這點很重要，這是因為風力系統的所有結構組件必須提供抵抗風力以及支撐系統重量的強度。該強度的成本會影響該系統的商業可行性。
除非另有具體說明，否則本申請中使用的詞「一個("a"、"an"和"one")被定義為包括一個或多個引用項。另外，除非另有具體說明，否則「具有(have)」、「包括(include)」、 「包含(contain)」以及類似的詞被定義為意思是〃包括(comprising)"。此外，上面提供的說明書中使用的術語在此處被定義為包括相似的和/或等義術語，和/或將被認為對於給出本專利申請的示教內容的技術領域中的技術人員將顯而易見的可替代實施例。
權利要求
1.一種利用表面上的主風產生電能的設施，所述設施包括多個護罩，每個護罩均形成可增加通過所述護罩的主風速度的喉部；多個風力渦輪機，每個風力渦輪機均被設置在所述多個護罩的其中之一的所述喉部內；電力系統，其用於將來自所述多個風力渦輪機的機械能轉換為電能；多個模塊，每個模塊具有所述多個護罩中的至少兩個護罩和相關的風力渦輪機，以及所述電力系統的至少一部分；樞軸安裝系統，其用於樞軸支撐所述多個模塊中的每個模塊以便所述多個模塊中的每個模塊可根據需要轉動面向主風；和支撐結構，其支撐表面之上的所述多個模塊。
2.根據權利要求I所述的設施，其中，所述多個護罩中的每個護罩包括內表面和外表面，二者在其間限定封閉空腔；所述封閉空腔內的結構構件，其為所述護罩提供強度和剛度；由所述護罩支撐的多個支柱，所述支柱延伸以支撐所述喉部內的所述風力渦輪機；和所述封閉空腔內的平臺，用於支撐所述電力系統的組件。
3.根據權利要求I所述的設施，其中所述樞軸安裝系統包括內軌道和外軌道，二者位於每個模塊的上面和下面，每個軌道被安裝在所述支撐結構的桁架系統上。
4.根據權利要求3所述的設施，其中所述樞軸安裝系統還包括安裝在所述模塊的上框架和下框架上的多個轉向架，所述多個轉向架中的每個轉向架具有用於將所述轉向架安裝至所述內軌道或外軌道中的一個軌道的至少一個輪子，其中一些所述輪子與所述外軌道垂直嚙合，因此所述模塊的重量由所述外軌道支撐，且所述輪子中的一些輪子與所述內軌道水平嚙合，因此由主風施加到所述模塊上的水平力由所述內軌道支撐。
5.根據權利要求I所述的設施，其中，所述多個護罩中的每個護罩為具有水平軸的環狀。
6.根據權利要求5所述的設施，其中，所述多個護罩中的每個護罩還包括在環形前緣和後緣相遇的內表面和外表面，所述環形前緣具有邊緣直徑，所述內表面和外表面的半徑向橫截面形成形狀，且所述形狀圍繞所述護罩的所述水平軸的旋轉限定出所述內表面和外表面；喉部，其由所述前緣和後緣之間的所述內表面形成並具有喉部直徑(D)，所述喉部直徑 (D)小於所述邊緣直徑，且從而相對於所述主風的速度提高通過所述喉部的風的速度；所述內表面的前部內曲線，其成形為可將通過所述喉部的風的質量和速度最大化，並將風沿所述護罩的所述內表面的擾動和拖拽力最小化，所述前部內曲線從所述環形前緣的某一點開始，所述點與所述護罩軸的距離為O. 55D至O. 95D，所述前部內曲線在與垂直於所述軸的平面成十五度角以內的方向上向所述軸延伸，並在與所述軸平行的十五度角以內的方向上在所述喉部終止；和所述外表面的前部外曲線，其成形為與所述前部內曲線的形狀一起將通過所述喉部的風的質量最大化，且其可成形為使風沿所述護罩的所述外表面的擾動和拖拽力最小化，所述前部外曲線從所述環形前緣開始，並在與垂直於所述軸的平面成十五度角以內的方向上遠離所述軸延伸，並在與所述軸平行的十度以內的方向上終止，且所述前部外曲線與所述軸的距離為O. 6D M2. OD0
7.根據權利要求I所述的設施，其中，所述模塊中的每個模塊包括至少兩個所述護罩， 所述至少兩個護罩面向相同方向，且由位於所述至少兩個護罩上的水平上框架和位於所述至少兩個護罩下的水平下框架連接。
8.根據權利要求7所述的設施，其中，每個所述模塊還包括對角連接在所述上框架和所述下框架之間的至少兩個框架拉索對，其用於為所述模塊提供結構穩定性和尺寸穩定性，所述框架拉索對其中之一在所述上框架和所述下框架的前部處的垂直平面內，且另一個框架拉索對在所述上框架和所述下框架的後部處的垂直平面內。
9.根據權利要求8所述的設施，其中所述模塊中的每個模塊還包括模塊控制系統，所述模塊控制系統包括風向感應裝置、模塊控制裝置和用於驅動多個輪子以使所述模塊轉動面向所述主風的多個電機。
10.根據權利要求I所述的設施，其中所述電力系統包括每個所述模塊中的液壓系統，其包括i.液壓泵，其可操作地連接至所述風力渦輪機中的每個風力渦輪機；和 .電能控制器，其用於可操作地將來自所述液壓泵的流體流動引導至所選擇的液壓電機以將所述流體流動轉換為機械能；直流電系統，其具有將來自所述液壓電機的機械能轉換為直流電的發電機；模塊總線，其將由所述選擇的液壓電機生成的所有直流電聚集在所述模塊內；和公用直流總線，其用於收集來自所有所述模塊的直流電。
11.根據權利要求10所述的設施，其中所述電力系統還包括交流電轉換器，其可操作地連接至所述公用直流總線以將直流電轉換為同步輸送至電網的交流電。
12.根據權利要求I所述的設施，其中所述支撐結構包括核心塔；和設置於所述核心塔周圍的至少三個外圍塔。
13.根據權利要求12所述的設施，其中所述支撐結構還包括多個桁架系統，所述多個桁架系統以垂直間隔水平地定向在所述模塊中的每個模塊的上面和下面，所述垂直間隔允許所述模塊在由所述桁架系統支撐的同時在所述桁架系統之間旋轉，每個所述桁架系統包括i.環形桁架，其圍繞所述核心塔形成多邊形，所述環形桁架的頂點與所述外圍塔的數量相同多，所述環形桁架連接至所述核心塔，且所述環形桁架支撐每個徑向桁架的一端以及軌道撐杆的一端； .多個徑向桁架，每個所述徑向桁架連接在所述環形桁架的一個頂點和所述外圍塔之間；iii.多個外圍桁架，每個所述外圍桁架連接在兩個相鄰的所述外圍塔之間；和iv.多個軌道桁架，每個所述軌道桁架連接在兩個相鄰的所述徑向桁架之間。
14.一種利用表面上的主風產生電能的設施,所述設施包括多個護罩，每個護罩具有具有水平軸的環狀；在環形前緣和後緣相遇的內表面和外表面，所述環形前緣具有邊緣直徑，所述內表面和外表面的半徑向橫截面形成形狀，且所述形狀圍繞所述護罩的所述水平軸的旋轉限定出所述內表面和外表面；喉部，其由所述前緣和後緣之間的所述內表面形成並具有喉部直徑(D)，所述喉部直徑 (D)小於所述邊緣直徑，且從而相對於所述主風的速度提高通過所述喉部的風的速度；所述內表面的前部內曲線，其成形為可將通過所述喉部的風的質量和速度最大化，並將風沿所述護罩的所述內表面的擾動和拖拽力最小化，所述前部內曲線從所述環形前緣的某一點開始，所述點與所述護罩軸的距離為O. 55D至O. 95D，所述前部內曲線在與垂直於所述軸的平面成十五度角以內的方向上向所述軸延伸，並在平行於所述軸的十五度角以內的方向上在所述喉部終止；和所述外表面的前部外曲線，其成形為與所述前部內曲線的形狀一起將通過所述喉部的風的質量最大化，且其成形為使風沿所述護罩的所述外表面的擾動和拖拽力最小化，所述前部外曲線從所述環形前緣開始，並在與垂直於所述軸的平面成十五度以內角的方向上遠離所述軸延伸，並在平行於所述軸的十度以內的方向上終止，且所述前部外曲線與所述軸的距離為O. 6D至2. OD ;多個風力渦輪機，每個風力渦輪機均設置在所述多個護罩的其中之一的喉部內；電力系統，其用於將來自所述多個風力渦輪機的機械能轉換為電能；多個模塊，每個模塊具有所述多個護罩中的至少兩個護罩和用於連接所述護罩的框架；樞軸安裝系統，其用於樞軸支撐所述多個模塊中的每個模塊以便所述多個模塊中的每個模塊可根據需要轉動面向主風；和支撐結構，其支撐表面上的所述多個模塊。
15.—種利用表面上的主風產生電能的設施,所述設施包括多個護罩，每個護罩具有由前緣和後緣之間的內表面形成並具有喉部直徑(D)的喉部，所述喉部直徑(D)小於所述前緣的邊緣直徑，並從而相對於所述主風的速度提高通過所述喉部的風的速度；多個風力渦輪機，每個風力渦輪機均設置在所述多個護罩的其中之一的喉部內；電力系統，其用於將來自所述多個風力渦輪機的機械能轉換為電能；多個模塊，每個模塊具有所述多個護罩中的至少兩個護罩和相關的風力渦輪機，和所述電力系統的至少一部分，以及用於使所述護罩互連的框架；支撐結構，其支撐所述表面上的所述多個模塊，所述支撐結構包括中心塔、桁架系統和其它結構支撐元件；和樞軸安裝系統，其用於樞軸支撐所述多個模塊中的每個模塊，以便所述多個模塊中的每個模塊可根據需要轉動面向主風，用於每個模塊的所述樞軸安裝系統包括內軌道和外軌道，二者位於每個模塊的上面和下面，每個軌道被安裝在所述支撐結構的桁架系統上；和多個轉向架，其安裝在所述模塊的上框架和下框架上，所述多個轉向架中的每個轉向架具有用於將所述轉向架安裝至所述內軌道或外軌道中的一個軌道的至少一個輪子，其中一些所述輪子與所述外軌道垂直嚙合，因此所述模塊的重量由所述外軌道支撐，且一些所述輪子與所述內軌道水平嚙合，因此由主風施加到所述模塊上的水平力由所述內軌道支撐。
16.根據權利要求15所述的設施，其中所述支撐結構還包括多個桁架系統，所述多個桁架系統以垂直間隔水平地定向在所述模塊中的每個模塊的上面和下面，所述垂直間隔允許所述模塊在由所述桁架系統支撐的同時在所述桁架系統之間旋轉，每個所述桁架系統包括i.環形桁架，其圍繞所述核心塔形成多邊形，所述環形桁架的頂點與所述外圍塔的數量相同多，所述環形桁架連接至所述核心塔，且所述環形桁架支撐每個徑向桁架的一端以及軌道撐杆的一端； .多個徑向桁架，每個所述徑向桁架連接在所述環形桁架的一個頂點和所述外圍塔之間；iii.多個外圍桁架，每個所述外圍桁架連接在兩個相鄰的所述外圍塔之間；和iv.多個軌道桁架，每個所述軌道桁架連接在兩個相鄰的所述徑向桁架之間。
17.根據權利要求16所述的設施，其中，所述樞軸安裝系統的所述內軌道和所述外軌道由所述多個桁架系統支撐。
全文摘要
一種用於產生電能的設施具有多個護罩、多個風力渦輪機、電力系統、多個模塊、樞軸安裝系統和支撐結構。每個護罩均具有可增加通過護罩的主風速度的喉部。多個風力渦輪機中的每個風力渦輪機均可操作地放置在多個護罩的其中之一的喉部內。電力系統適合將來自多個風力渦輪機的機械能轉換為電能。支撐塔包括用於支撐護罩和表面上方的風力渦輪機的中心塔，還可包括外圍塔、拉索和/或其它結構組件。
文檔編號F03D1/00GK102947586SQ201180027851
公開日2013年2月27日 申請日期2011年6月15日 優先權日2010年6月15日
發明者B·H·貝克 申請人:B·H·貝克