专利名称：竖直轴风力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风力系统。具体来说，本发明涉及一种竖直定向 的风力系统。
现有技术
相比较水平轴风力系统，竖直轴风力系统提供了许多优点。例如， 竖直轴系统可以利用任何方向的风来获得动力，而不需要象水平轴风 力系统所要求的去调整任何结构。然而，现有的竖直轴风力系统在诸 如空气动力效率、振动以及将叶片組件固定在合适位置等方面存在一 些困难。随着对利用风力来代替或补充矿物燃料和核能源获得的能量 的兴趣的增加，对竖直轴风力系统也存在相应的兴趣。
鉴于上述内容，明显需要一种改进的竖直轴风力系统。
发明内容
为了满足上述需要，为了克服上述列举的缺点以及现有技术的其 他局限，本发明提供了一种在发电中使用的竖直轴风力系统。该竖直 轴风力系统包括带有发电机的固定底座以及被底座可转动地支撑的伸 长轴。伸长轴从下端部到上端部竖直延伸并限定了中心轴线。伸长轴 可操作地接合发电机。两个或更多个弓形叶片组件具有第一端部和第 二端部，第一端部紧邻伸长轴的下端部被直接联接，第二端部紧邻伸长轴的上端部被直接联接。弓形叶片组件被构造为响应空气动力来转 动伸长轴，用于产生电力。
在一个方面，伸长轴包括限定了中空内部的管状壁。内立柱包括 底部和顶部。轴承被布置在伸长轴的管状壁和内立柱之间，用于相对 的转动。
[0007在另一方面，内立柱具有选择成支撑其自身和伸长轴的直 径和高度。在一个实例中，这是通过内轴的直径和高度的长宽比为大 约0.01-0.02而获得。
在又一个方面，发电机包括转子和定子。在一种情况下，转子可 以与伸长轴直接接合，使得伸长轴的一个转动引起转子的一个转动。 在另一种情况下，转子可以与伸长轴间接地接合，使得伸长轴的一个 转动引起转子的超过一个的转动。
在又一个方面，当电力被施加到发电机时，发电机可以被配置作 为电动机。振动传感器可以被联接至风力系统并被配置用于监测振动。 传感器被连接至控制系统，该控制系统被配置用于施加电力至发电机 以增加伸长轴的转速，从而避免系统的共振频率。
在一种情况下，制动系统可以布置在固定底座和伸长轴之间，用 于减慢伸长轴的转动。
在另一种情况下，叶片联接组件可以靠近伸长轴的下端部和上端 部布置，用于紧邻伸长轴而联接叶片组件。叶片联接组件包括至少两 个绕着伸长轴等间距隔开的叶片联接支架。支架沿着中心轴线的一部 分轴向延伸，并从伸长轴径向伸出一短距离。弓形叶片组件包括接合 联接支架的附带的叶片法兰。叶片法兰可以具有，例如，在其自身上 向后弯曲的分叉的端部元件。
在一个方面，叶片组件限定了在伸长轴下端部和上端部之间的弯 曲路径。 一外壳沿着弦长限定了翼面形状，其被配置用于产生空气动 力。
在另一个方面，至少一个梁可以在外壳内部沿着弯曲路径延伸， 其中多个肋状物沿着梁布置并对应于翼面形状。所述梁可以是一对平
7行梁、 一对管状梁、H形梁、U形梁和T形梁。
在又一个方面，每个弓形叶片组件都由在两个直区段之间互连的 弯曲区段形成。可选地，安全缆绳可联接在每个弓形叶片组件和伸长 轴之间。
本发明还包括一种运行竖直轴风力系统以避免风力系统共振频率 的方法。该方法包括测量竖直轴风力系统的共振频率，加速或减速伸 长轴的转动，以避免竖直轴风力系统的共振频率。伸长轴的加速可以 通过施加电力至发电机获得。
在参照形成本发明 一部分的附图和权利要求，对下面描述进行评 论之后，本发明的进一步目的、特征和优点对本领域的技术人员而言 将变得更加明显。
本发明被示出在附图中，其作用是示例性的而并非限制，其中相 同的附图标记用于指示相同或相应部分，其中
图l是根据本发明的竖直轴风力系统的侧视图。
图2是图1的中间立柱组件的截面图。
图3是图2的发电系统的详图。
图4是图2的上叶片联接组件的详图。
图5是图4的叶片联接组件的透视图。
图6是图4的叶片组件一个端部的透视图。
图7是图1的叶片组件的一部分的透视图。
图8A-8E是图7的叶片组件的一部分的局部透视图。
图9是图1的叶片组件的侧视图。
图9A是图9的叶片组件两个截面间的连接的详图。
图IO是竖直轴风力系统的另一实施例的侧视图。和
图11是竖直轴风力系统的又一实施例的侧视图。
具体实施方式
现在参见图1，本发明的竖直轴风力系统在其中被示出并以50进 行标示。作为它的主要构件，竖直轴风力系统(以下简称"风力系统") 包括中间立柱组件100、固定底座200、叶片联接组件300以及弓形叶 片组件400。风力系统50被基底500所支撑，该基底500环绕中间立 柱组件100的一部分延伸并支撑该中间立柱组件100的一部分。风力 系统50可以布置在地平面、水面上、建筑物屋顶的顶部上。
如图2所最佳示出的，中间立柱组件100沿着中心轴线101竖直 延伸。在此使用的术语"竖直地"和"竖直的，，包括与完全垂直最多 偏离10度。中间立柱组件100包括同轴布置在伸长轴104内部的内立 柱102。伸长轴104可转动地与固定底座200连接，并与布置在底座 200内的发电机202相接合。伸长轴104沿着竖直的中心轴线101从 下端部104a垂直延伸到上端部104b，内立柱102从底部102a延伸到 顶部102b。伸长轴104具有形成中空内部103的管状壁，内立柱102 被置于其中。
在一个实施例中，伸长轴104通过沿着轴106长度以适当间距布 置的一个或多个轴承106 (例如，如图2和3所示的旋转枢轴轴承或 转盘轴承)与内立柱102隔开，以有助于伸长轴104绕着内立柱102 的转动并且有助于在其间保持所需的间隙。在图2的示例中， 一个轴 承106布置成紧邻伸长轴104的下端部104a，而另一个轴承布置成紧 邻上端部104b。
内立柱102和伸长轴104每个都由多个区段IIO组成，该区段110 具有例如适合于将区段固定在一起的端部法兰112。区段110可以利 用诸如螺母和螺栓紧固件或其他包括焊接、钎焊、胶合剂或管箍的适 当紧固装置固定在一起。内立柱102和伸长轴104的这种结构有利于 运送和装配，并允许风力系统50能随着具体应用场合而改变高度。
在一个实施例中，内立柱102可以由长度为18英尺、外径为30 英寸的区段装配而成。伸长轴104可以由长度为18英尺、但外径为 42英寸的区段装配而成。伸长轴104和内立柱102,例如可以具有1 英寸的壁厚，^使得内立柱102两侧上的立柱102和轴104之间的间隔为大约5英寸。可以根据需要对一个或多个区段的长度进行调节，以 符合中间立柱组件100的最终高度。参照图2，内立柱102和伸长轴 104上的法兰可以以相互交错排列的方式隔开，以简化装配并提供与 伸长轴104内壁的空隙。
在一些非限制的实例中，内立柱102和伸长轴104每个都可以由 市场上可买到的钢管或铝管制成，其具有足够的结构完整性来支撑运 行的风力系统50。内立柱102和伸长轴104中的一个或两个或者其部 分，也可以由适合于风力系统50运行的其他材料制成。例如，伸长轴 104可以由具有足够结构强度的轻质材料制成，以支撑弓形叶片组件 400。内立柱102由更坚固的材料制成，因为它在结构上被配置用于支 撑整个结构。内立柱102可以是实心的或由空心管子构成。如果使用 的是空心管子，则所述管子可在装配前或装配后用混凝土、蜂窝状材 料、结构泡沫材料或其他适当的加强物进行填充。
在 一 个实施例中，希望在没有张缆绳辅助的情况下支撑中间立柱 组件100。为此，内立柱102直径和内立柱高度的长宽比优选在大约 0.005-0.03的范围内，更优选为大约0.01-0.02。 例如，如果中间立柱 组件100具有150英尺的高度，则内立柱102可以具有150英尺的高 度以及2.5英尺的直径。这将导致长宽比为0.017。 如果伸长轴104 具有80英尺的高度，则基底500将需要大约70英尺的高度(减去固 定底座200的高度)，以围绕并支撑内立柱102的剩余部分(参见图 10和图11 )。
参照图3,固定底座200的发电机202包括相对于发电机定子206 布置的、与间隙208隔开的发电机转子204。虽然转子204被显示为 绕着定子206布置，然而应理解的是，在其他实施例中，转子可以布 置在定子内部，其并不脱离本发明的范围。发电机202被配置用于在 转子204和定子206之间相对转动时产生电力。反之，发电机202也 可以被配置作为电动机。在这种情况下，发电机202上的电力施加将 促4吏转子204和定子206之间的相对转动。
如图3所示，伸长轴104与发电机转子204直接接合。在该实例中，柔性连接器212 (例如橡胶联轴器)可选地布置在转子204和伸 长轴104的法兰之间，以抑制上述两个元件之间振动的传递。可理解 的是，在其他实施例中，伸长轴104可以与发电机转子204间接地接 合(未图示)。在该实施例中，可以利用诸如变矩器组件、行星或其他 齿轮组、皮带轮系统或机械式离合器组件等来提供所述间接的接合。 可选的制动系统220可以布置在底座200内，其被配置用于与伸长轴 104接合。在该实例中，制动系统220可以包括制动盘222和制动器 224,其被配置用于减慢伸长轴104的转动。壳体230围住发电机202 和制动系统220。
在一些实施例中，振动传感器226可被附连在诸如风力系统50 的内立柱102上。当振动随着伸长轴104和发电机转子204的转速不 同而变化时， 一个或多个振动传感器226可被用于监测风力系统50 的频率和振幅。风力系统50的各个实施例具有不同的共振频率，该共 振频率将导致具有显著幅度的振动。如果伸长轴104以对应于共振频 率的频率转动，所形成的振动可能毁坏风力系统50。因此，希望风力 系统50能避免在上述频率下运行。因此， 一些实施例可以包括连接到 振动传感器226、制动系统220和发电机202的控制系统228,该控制 系统228被配置用于分别通过施加电力至发电机或通过接合制动系统 220而增加或减少伸长轴104的转速。可选地，发电机202可被连接 至电阻负载组合(bank) 230。电阻负载组合230可被配置用于施加 不同的负载量至发电机202，以例如减少伸长轴104的转速。在该实 施例中，控制系统228也可以被连接至电阻负载组合230，并被配置 用于施加负载至发电机202，以减'隄伸长轴104并延长制动系统220 的使用期限。
再次参照图1的实例，其中可见三个弓形叶片组件400中的两个。 取决于具体应用场合所需的电力，两个或多个弓形叶片组件400被提 供并绕着伸长轴104等距隔开。叶片组件400的直径401，其最佳示 出在图11中，也可以进行改变以满足不同电力的需要。每个弓形叶片 组件400都具有第一端部404a和第二端部404b，其中第一端部404a
ii紧邻伸长轴104下端部104a被直接联接，第二端部404b紧邻伸长轴 104上端部104b被直接联接。弓形叶片组件400被如此成形以在伸长 轴104的上端部104b和下端部104a之间限定出曲线路径，并^皮构造 为响应于空气动力而转动伸长轴用于电力的产生。
用于紧邻伸长轴104联接叶片组件的端部的叶片联接组件300被 示出在图4-6中。叶片联接组件300具有中空圆筒形部分302，该部 分302具有带法兰的端部304，其适合于联接至伸长轴104的上端部 和下端部。 一个叶片联接组件300被布置为紧邻伸长轴104的下端部 104a和上端部104b。至少两个叶片联接支架306从圆筒形部分302 的外壁308径向向外延伸一短距离，并带有对应于叶片组件400所需 的圆周间隔。取决于具体应用的结构需要，该短距离例如可以在大约 4-12英寸的范围内。图5的实例被配置为容纳三个或四个叶片组件。 该实例的每个叶片联接支架306都包括联接板309以及垂直于所述联 接板309的联接唇板310。联接板309垂直于伸长轴104延伸，联接 唇板310竖直于所述联接板309突出。还可以设置可选的孔312。每 个弓形叶片组件400的端部都包括配置用于接合联接支架306的附带 的端部元件。
在图6所示的实例中，附带的端部元件是分叉的端部元件402， 其在其自身上向后弯曲以形成内表面403，该内表面403钩住并围绕 连接唇板310的一部分。分叉的端部元件402利用螺钉、铆钉、焊接 及其组合中的至少一种被联接在联接唇板310上。可选的夹板可穿过 孔312设置并与分叉的端部元件402接触，以加强其对唇板310的联 接。此外，其他的实例可以包括加固板406，该加固板406沿着一侧 接合联接唇板310并沿着另一侧接合内表面403的一部分。
参照图7-9A，叶片组件400包括主要结构422和外壳430。主要 结构422具有4皮弦长420隔开的前缘432和后缘434。 一个或多个梁 426沿着叶片组件400的长度延伸并支撑多个沿着弦长420延伸的肋 状物428。为了叶片组件的预期目标和尺寸，梁426和肋状物428优 选由具有足够结构强度的轻质材料制成。该材料可以是钢、铝、合成物或组合材料。梁426优选成形为翼面或其他适合于风力系统发电的 空气动力外形。梁426在各种实施例的一个中被提供。图8A示出了 一对平行延伸的梁426。图8B示出了 H形的梁426，图8C示出了一 对具有矩形横截面的管状梁426，图8D示出了 U形梁426，而图8E 示出了 T形梁426。
可选地，安全缆绳可联接在弓形叶片组件400和伸长轴104之间。 在一个实例中，其最佳示出在图6和图7中，在从每个端部伸出并被 联接至伸长轴104 (未图示)之前，安全缆绳425沿着每个叶片组件 400的整个长度并且在其内延伸。如图7所示，缆绳在外壳430内可 紧邻一个梁426延伸。在叶片联接组件300或附带的端部元件的任何 部分出现故障时，安全缆绳425提供了对每个叶片组件400的辅助保 持力。
外壳430布置在肋状物上，以限定出适合于发电的空气动力的叶
片表面。外壳可以利用轧制、沖压、挤压、模制、巻绕、液体成形或 网状的制造方法由任何适当的材料，包括钢、铝、木材、塑料、复合 材料纤维制成。外壳430可以被任何可以减少阻力并防止冰雪堵塞的 诸如塑料或聚氨酯之类的材料着色、涂敷或形成。可以利用机械紧固 件、环焊、激光焊、点焊、缝焊、铆钉、粘合剂或其他任何合适的紧 固方法将外壳430联接至肋状物。
每个叶片组件400可以由多个互连区段形成。如图9的非限制性 实例所示，每个叶片组件400由三个区段形成。在该实施例中，弯曲 区段403在两个直区段401之间互连。每个直区段401的一个端部可 以包括例如如上所述的分叉端部元,402。图9A示出了用于相互连 接直区段401和弯曲区段403的接头的一个实例。
如上所述，希望在没有张缆绳辅助的情况下通过内立柱102来支 撑中间立柱组件IOO。因此，各种基底500可以支撑内立柱102。基底 500的一个实例包括如图10所示的桁架结构502或如图11所示的混 凝土结构504。在图10中，内立柱102可以穿过被联接到基底500上 的基板506而被固定。内立柱102优选延伸穿过基底500，以与底表面503接合。
如上所述，本发明还包括一种运行风力系统以防止由共振频率损 坏的方法。该方法包括测量风力系统的共振频率，将风力系统暴露在 风力之下，使得伸长轴转动并产生电力。为了避免共振频率、伸长轴 的转动被加速或减速，以快速通过能引起共振频率的速度，从而最小 化在上述频率下所花费的时间。优选但并非必需的，伸长轴的转动可 以通过施加电力至发电机进行加速，并且可以通过施加电阻负载至发 电机和/或接合机械制动系统进行减速。控制器可以被连接在发电机、 电阻负载组合和制动系统之间，并被配置用于根据需要进行加速或减 速。
本领域技术人员易于理解的是，上述描述仅仅是本发明原则如何 实现的说明。上述描述并非用于限制本发明的范围或应用，本发明可 被改进、演变和变化，而并没有脱离如同下列权利要求所限定的本发 明的范围。
权利要求
1、一种用于发电的竖直轴风力系统，该风力系统包括包括发电机的固定底座以及可转动地由所述底座支撑的伸长轴，所述伸长轴从下端部竖直地延伸到上端部并限定一中心轴线，所述伸长轴可操作地接合所述发电机；至少两个弓形叶片组件，每个弓形叶片组件都具有第一端部和第二端部，所述第一端部紧邻所述伸长轴的下端部被直接联接，所述第二端部紧邻所述伸长轴的上端部被直接联接，所述至少两个弓形叶片组件被构造为响应作用在所述至少两个弓形叶片组件上的空气动力转动所述伸长轴，用于产生电力。
2、 根据权利要求1所述的风力系统，其中，所述伸长轴包括限定 一中空内部的管状壁。
3、 根据权利要求2所述的风力系统，还包括内立柱，其沿着所 述中心轴线被布置在所述中空内部内并从底部延伸到顶部；至少一个 轴承，其被布置在所述伸长轴的所述管状壁和所述内立柱之间，用于 其间的相对转动。
4、 根据权利要求3所述的风力系统，其中，分别紧邻所述伸长轴 的下端部和上端部布置有两个轴承。
5、 根据权利要求1所述的风力系统，其中，所述内立柱具有选择 为支撑其自身和所述伸长轴的直径和高度。
6、 根据权利要求5所述的风力系统，其中，所述直径与高度的长 宽比为大约0.01-0.02。
7、 根据权利要求1所述的风力系统，其中，所述伸长轴由至少两 个互连的轴区段形成。
8、 根据权利要求1所述的风力系统，其中，所述发电机包括相对 于一定子布置的转子。
9、 根据权利要求8所述的风力系统，其中，所述转子与所述伸长 轴直接接合，使得所述伸长轴的一个转动引起所述转子的一个转动。
10、 根据权利要求8所述的风力系统，其中，所述转子与所述伸 长轴间接地接合，使得所述伸长轴的一个转动引起所述转子的超过一 个的转动。
11、 根据权利要求8所述的风力系统，其中，当电力被施加到所 述发电机时，所述发电机被配置作为电动机运行。
12、 根据权利要求ll所述的风力系统，其中，至少一个振动传感 器被联接到风力系统并被配置用于监测振动，所述传感器被连接至一 控制系统，所述控制系统被配置用于施加电力至所述发电机以增加所 述伸长轴的转速。
13、 根据权利要求1所述的风力系统，还包括制动系统，其被布 置在所述固定底座内部并接合所述伸长轴。
14、 根据权利要求13所述的风力系统，其中，所述制动系统包括器，所述制动器摩擦地接合所述制动盘，用于减慢所述伸长轴的转动。
15、 根据权利要求1所述的风力系统，还包括电阻负载组合，其 被联接至所述发电机并被配置用于施加负载至所述发电机，用于减慢 所述伸长轴的转动。
16、 根据权利要求1所述的风力系统，还包括叶片联接组件，其 紧邻所述伸长轴的下端部和上端部布置，用于将至少两个叶片联接到 所述叶片联接组件。
17、 根据权利要求16所述的风力系统，其中，所述叶片联接组件 包括至少两个叶片联接支架，其绕着所述伸长轴等距隔开、沿着所述 中心轴线的一部分轴向延伸，并从所述伸长轴径向突出，所述至少两 个弓形叶片组件包括接合所述联接支架的附带的叶片法兰。
18、 根据权利要求17所述的风力系统，其中，所述叶片联接支架板。
19、 根据权利要求19所述的风力系统，其中，所述叶片法兰包括 分叉的端部元件，其在其自身上向后弯曲以形成内表面，所述分叉的端部元件接合所述联接唇板，使得所述联接唇板部分地被所述内表面 围绕。
20、 根据权利要求20所述的风力系统，还包括设置在所述联接板 上、紧邻所述分叉端部元件的孔以及设置在所述孔中以便将所述端部 元件固定至所述联接支架的夹板。
21、 根据权利要求20所述的风力系统，还包括设置在所述内表面 的 一部分和所述联接唇板之间的加固板。
22、 根据权利要求19所述的风力突出统，其中，所述联接板竖直 于所述伸长轴的切线延伸，并且所述联接唇板竖直于所述连接板突出。
23、 根据权利要求1所述的风力系统，其中，所述的至少两个弓 形叶片组件具有被弦长间隔开的前缘和后缘，所述弓形叶片组件在所 述伸长轴的下端部和上端部之间限定一弯曲路径。
24、 根据权利要求24所述的风力系统，还包括沿着所述弦长限定 一翼面形状的、被配置用于产生空气动力的外壳。
25、 根据权利要求25所述的风力系统，还包括至少一个在所述外 壳内部沿着所述弯曲路径延伸的梁以及沿着所迷梁布置并且对应于所 述翼面形状的多个肋状物，所述外壳被联接至所述肋状物。
26、 根据权利要求26所述的风力系统，其中，所述弓形叶片组件 包括一对平行梁、 一对管状梁、H形梁、U形梁、T形梁中的至少一 个及其组合。
27、 根据权利要求1所述的风力系统，其中，每个所述弓形叶片 组件由至少两个互连的叶片区段形成。
28、 根据权利要求28所述的风力系统，其中，每个所述弓形叶片 组件包括在两个直区段之间互连的弯曲区段。
29、 根据权利要求1所述的风力系统，其中， 一安全缆绳被联接 在每个所述弓形叶片组件和所述伸长轴之间。
30、 一种产生电力的方法，该方法包括确定竖直轴风力系统的共振频率，所述风力系统包括固定底座以 及可转动地连接至所述固定底座的伸长轴，所述伸长轴沿着竖直中心轴线从下端部竖直地延伸到上端部，并具有至少两个弓形叶片组件， 其被联接在所述伸长轴的下端部和上端部之间，使得作用于所述至少 两个弓形叶片组件上的空气动力转动所述伸长轴，以便从与所述伸长轴相接合的发电机产生电力；将所述风力系统暴露至风力中以转动所述伸长轴并通过转动所述 发电机的转子产生电力；加速或减速所述伸长轴的转动，以最小化在竖直轴风力系统共振 频率处花费的时间。
31、 根据权利要求30所述的方法，其中，通过施加电力至所述发 电机来加速所述伸长轴的转动，并且通过施加电阻负载来减速所述伸 长轴的转动。
32、 根据权利要求30所述的方法，其中，所述确定步骤包括经验 地测量所述系统的共振频率。
全文摘要
一种用于发电的竖直轴风力系统。该系统包括含有发电机的固定底座并具有可转动地连接至底座的伸长轴。伸长轴沿着竖直中心轴线从下端部垂直延伸到上端部，并接合发电机。至少两个弓形叶片组件被联接在伸长轴的下端部和上端部之间，使得作用于至少两个弓形叶片组件的空气动力转动伸长轴，用于产生电力。
文档编号F03D7/06GK101512144SQ200780025834
公开日2009年8月19日 申请日期2007年5月30日 优先权日2006年5月30日
发明者D·K·尼加姆, M·E·M·埃尔-赛义德 申请人:解析设计服务公司