专利名称：利用风力产生电能的设施的制作方法
利用风力产生电能的设施
发明背景发明领域
本发明大体上涉及发电设备，更具体地涉及一种风力发电设施。
相关技术的描述
现有技术示教了使用护罩增加护罩喉部内的主风的速度，以提高涡轮机捕获风能的能力。然而，现有技术的护罩并未示教其形状既可增加穿过护罩的风量，还可使风对护罩的拖拽力最小化的护罩。
例如，Yamamoto，美国7，293，960示教了包括六边形护罩的浮动风力发电设施。护罩的形状，尤其是护罩的外表面的形状会产生相当大的拖拽力。
Friesth，美国2008/12417示教了包括平面和非空气动力形平面外表面的护罩， 该平面和非空气动力形平面外表面一起会产生很大的拖拽力。
本发明示教的设施还包括可为非常高的塔结构。在这种高结构中，将拖拽力最小化以防塔被大风刮倒是很重要的。
现有技术确实将一些很牢固的塔组合在一起以在很小的建筑面积内优化对风能的捕捉。Friesth示教了一种塔结构，其包括核心塔和多个用于提供横向稳定性和扭转稳定性的拉索。Weisbrich，美国5，520, 505中示出了具有相似塔结构的另一个示例。
上述参考的全部内容通过引用合并到本文中。发明概要
本发明示教了结构和使用方面的某些益处，其引起了以下描述的目的。
本发明提供了利用主风产生电能的设施。该设施包括多个护罩、多个风力涡轮机、 电力系统、多个模块、枢轴安装系统和支撑结构。每个护罩均具有可增加通过护罩的主风的速度的喉部。多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机可操作地设置在多个护罩的其中之一的喉部内。电力系统适合将来自多个风力涡轮机的机械能转换为电能。
本发明的主要目的是提供一种设施，其具有现有技术未示教的优点。
另一个目的是提供一种设施，其可在相同风速下使涡轮轴处的发电量增加至未配备有护罩的尺寸相同的风力涡轮机的发电量的大约3. 3倍。
另一个目的是提供一种设施，其能够在风速大约为没有护罩的尺寸相同的涡轮机发电所需最小风速的三分之二时发电，且因此具有在许多正常风速低于传统风力涡轮机发电所需风速的地理区域发电的能力。
另一个目的是提供一种设施，其能够凭借新的风能可用的地理区域在有需要的点或其附近提供电能，并降低或消除提供额外电力传输设施以传输增加的电能的需要。该位置还可降低长距离传输造成的电能损耗，从而降低用户的用电费用。
另一个目的是提供一种设施，其可通过将涡轮机的输出路由至一组尺寸不同的发电机来提高发电效率，该组发电机可在更宽的风速范围内以不同范围的最佳效率运行。
另一个目的是提供一种设施，其通过将模块内的两个泵的液压液体的流动与一组控制器、电机和发电机结合起来以进一步提高发电效率。
另一个目的是提供一种设施,其包括相对于传统风力发电设施可大大减少风力发电所需的地面量的塔支撑结构。相对于传统风力发电设施，该结构还允许在更高的海拔高度或更大的风速下使用。
更进一步的目的是提供一种设施，其尺寸可更大或更小以满足各种需要。
通过以下更详细的描述并结合附图(其以示例的方式示出了本发明的原理)，本发明的其它特征和优点将很明显。
附图简述
附图示出本发明。
图IA是示出根据本发明的实施例的支撑结构和多个模块的设施的透视图。
图IB是除去支撑结构的多个模块的透视图。
图2是设施的电力系统的示意图。
图3A是设施的护罩的透视图。
图3B是沿图3A中的线3B-3B截取的护罩的剖视图。
图3C是设施的平台的透视图。
图3D是护罩被切除部分的透视图，其示出位于图3中的护罩内的图3C中的平台，并且还示出护罩内的支架。
图3E是护罩内部结构系统的正面剖视图。
图4是模块和其上可转动地安装有模块的轨道的分解透视图。
图5A是上框架的透视图。
图5B是外转向架的详图。
图5C是下框架的透视图。
图是前内转向架的详图。
图5E是后内转向架的详图。
图6是模块控制系统的示意图。
图7是不包括模块的支撑结构的平面图。
图8是核心塔的透视图。
图9是外围塔的透视图。
图10是桁架和轨道系统的透视图。
图11是环形桁架的透视图
图12是径向桁架的正视图。
图13是外围桁架的正视图。
图14是轨道桁架的正视图。
图15是轨道的平面图。
图16是拉索对的正视图。
具体实施方式
上述附图示出本发明，即利用表面上方的主风产生电能的设施。
图IA是设施的一个实施例的透视图。图IB是图IA中的设施的透视图，该设施的支撑结构已移除以便更好地示出该设施的多个模块。实施例(单独或多个安装)在建筑场地短缺的地方可最有效地满足大量电力的需求。
如图IA和图IB所示，设施包括电力系统、多个护罩、多个风力涡轮机、多个模块、 枢轴安装系统和支撑结构。支撑结构支撑多个远离表面(例如，地面、水面或其它位置)的风力涡轮机以使捕获的风量最大化，并将设施的占地面积降至最低。
图2示出电力系统的实施例的示意图。图2所示电力系统包括风力涡轮机204、 液压系统206、发电系统208、支柱210和平台212。液压系统206可包括泵214、控制系统 216、电机218、加上线路和其它组件220。液压系统206通过泵214将来自涡轮机204的机械能转换为流体流动形式的能量。然后，控制器216将流体流动分配给合适的液压电机 218。然后，液压电机218将流体流动转换为机械能，该机械能被传输至发电机222。
电力系统的控制系统216包括将来自泵的流体流动分配至不同尺寸电机218的分配元件(例如，阀门)，和优化发电的逻辑电路。控制系统216还可接收来自模块中的多个泵214的流动,如图4所示。
涡轮机204、泵214以及部分线路和其它组件220由支柱210支撑。支柱210反过来通过图3A所示的护罩支撑。控制系统216、电机218、部分发电系统208、部分液压管路和其它组件220由护罩支撑，如下文中更详细地讨论。虽然示出了电力系统的一个实施例， 但是也可利用本技术中已知的可替代的电力系统(例如，机械传动装置和其它可替代的装置)，且应在本发明的范围内考虑这种可替代的实施例。
图3A示出多个护罩的其中之一的一个实施例。如图3A所示，护罩为空气动力空心壳，其位于风力涡轮机204周围，如图IA所示。图3A所示的护罩可以是具有水平轴324、 内表面304和外表面306的特殊环状。护罩还具有前部308和后部310。该前部和后部定位同样适用于模块的所有组件，如图4所示。风从前部308接近护罩，并从后部310离开。
内表面304的最小直径D为喉部312。护罩的尺寸以及风力系统的许多其它尺寸与喉部312的直径D成比例。如图IA所示，涡轮机204位于喉部312。
图3B示出了图3A中的护罩的截面。图2A和图2B中的护罩为空心的旋转壳，或由图3B所示形状围绕水平轴324旋转一整圈360度的路径所形成的环状。图3B所示形状包括点326、328、332和338，加上线330、334、336和340。更具体地，图3A所示护罩的前部 308可被定义为当图3B所示形状旋转时，点326所形成的环形。点326位于距轴324的距离为O. 7D的位置,但是其可被置于距轴324的距离范围为O. 55D至O. 95D的位置。更具体地，图3A所示护罩的后部310可被定义为当图3B所示形状旋转时，点328所形成的环形。 点328距包含点326的垂直平面的后部的水平距离为I. 但是点328距点326的后部的距离范围可以是O. 5D至2. 5D。
如图3B所示，本实施例的护罩的外表面306包括从点326开始远离轴324并与轴 324垂直的前部外曲线330。曲线330的方向最多可向与轴324垂直的后部改变十五度。曲线330在点332终止弯曲之后便开始与轴324平行，其与轴324的距离为.75D。曲线330 在其终点时最多可向远离轴324而不与其平行的方向改变十度。点332与轴324之间的距离可以在O. 6D至2D之间变化。点332为从点326至后部的水平距离O. 07 。点332从点326至后部的距离可在.05D至I. 5D之间变化。在第一实施例中，曲线330为椭圆的四分之一，但是该曲线可以是任何形状。图3B所示形状的外后线334从点332开始，并止于点328。在第一实施例中，线334相对于轴324其斜率变化。在点332，线334向轴324倾斜的最小斜率为4度，且在点328，线334向轴324倾斜的最大斜率为6. 5度。线334的斜率可从与轴324平行改变为向轴324倾斜十五度。
如图3B所示，内表面304包括内部前曲线336，其从点326开始向轴324延伸并与轴324垂直。曲线336在其起点的方向最多可向与轴324垂直的后部改变十五度。曲线 336在点338终止弯曲之后便开始与轴324平行，其与轴324的距离为O. 曲线336在其终点时最多可向远离轴324而不与其平行的方向改变十度。在本实施例中，点338为从点326至后部的水平距离O. 3D。在可替代的实施例中，从点326至后部，点338可在O. ID 至I. 之间变化。在第一实施例中，曲线336为椭圆的四分之一，但是在不同的实施例中该曲线可以是可替代的形状。当围绕轴旋转时，点338的路径形成护罩的喉部312。图3B 所示形状的内后线340从点338开始，并止于点328。线340相对于轴324其斜率变化。线 340在点338向远离轴324的方向倾斜的最小斜率为4度。线320在点328向远离轴324 的方向倾斜的最小斜率为6. 5度。线334的斜率可从零度改变为远离轴324倾斜十五度。
用于本实施例的护罩结构包括以下几个额外的构造其为框架梁502和522提供结构连接。其为支柱210和平台212提供结构支撑。如图3E所示，其提供结构稳定性所需内部支撑，并帮助组装。在本实施例中，护罩可被构造为还包括进入外壳内部的入口(例如，门)。以此方式，护罩可提供维护电力系统所需的内部工作区。内部工作区可提供出口以检修涡轮机204，且当维修人员使用内部时，内部工作区可进一步提供室内照明和通风系统以供使用。
图3C是设施的平台212的一个实施例的透视图。图3D是护罩被切除部分的透视图，其示出位于图3A所示护罩内的图3C中的平台。在图3C和图3D的实施例中，平台212 位于护罩内部并包含控制系统216、电机218、部分发电系统208以及部分液压管路和其它组件220。在本实施例中，护罩可服务于以下补充目的包含并保护平台212和上述组件， 并且为维修工人提供安全的位置以操作这些组件。
虽然平台212可置于护罩内部，但是如果需要或护罩不够大不足以容纳该平台， 也可将其置于其它地方。发电系统208包括尺寸从小到大的直流发电机222、模块总线224、 公用直流总线226和任选的交流电转换器228。用于图4中每个模块的发电机222和模块总线224被置于平台212上以用于图4中的每个模块。公用直流总线226和任选的交流变换器228可被置于图IA中的设施的基底上。图2中的电力系统可产生电网可兼容的直流电或交流电。
图3E是护罩内部结构系统346的正面剖视图。护罩内部结构系统346包括内表面304和外表面306之间的内部支架350。虽然示出了一种内部支架350的设置形式，但是也可使用可替代的结构和排列形式，且应在本发明的范围内考虑这种该技术中已知的可替代形式。
图4是图IA中的模块和其上可转动地安装有模块的轨道的分解透视图。在图4的实施例中，每个模块包括两个护罩(如图3A所示)，和置于护罩内的部分电力系统(如图2 所示)。在可替代的实施例中，每个模块可包括两个以上护罩，且所述护罩可以不同的排列方式放置(例如，将一对护罩设置在任意一侧，或者并列放置或者堆叠放置，或是可替代数量以及可替代排列方式的护罩)。应在本发明的范围内考虑这种可替代的排列方式。
如图4所示，每个模块还可包括用于连接护罩的框架。在图4的实施例中，框架可包括上框架(图5A所示),和下框架(图5C所示)。图5A所示出的上框架和图5C所示出的下框架可将护罩保持在适当的位置，并在核心塔的相对两侧对其进行支撑，如图IA所/Jn ο
如图4和图5A所示，上框架包括连接至护罩顶部的前端504和后端506的框架顶梁502。优选地，梁502直接位于轴324之上。也可将其它方便的护罩负载点508连接至梁 502。上框架还可包括两个梁前端504之间的前杆512，和两个梁后端506之间的后杆514。
图5B是外转向架510的详图。如图4和图5B所示，上框架包括安装的一对或多对轮子，或转向架510，其附接到梁的四个端504和506上。这些转向架510将来自模块的垂直载荷传递至外轨道704，如图4所示。在图4、图5A和图5B的实施例中，枢轴安装系统包括本文描述的轨道和转向架。枢轴安装系统也可包括本技术领域中的技术人员已知的可替代的实施例。
图5C示出了下框架的一个实施例。除了图5C的下框架是被上下颠倒置于图4中的模块底部而非在其顶部之外，图5C中的下框架在很多方面与图5A中的上框架是等同的。 图5C中的下框架与图5A中的上框架的具体差别如下图3A中的护罩连接至梁522的梁端 524和梁端526。转向架510被附接到梁522的梁端524和梁端526的底部。转向架516 被附接到前杆532的底部和后杆534的底部。转向架510和转向架516与外轨道704和位于下方的内轨道706组装在一起。
如图4、图和图5E所示，多个转向架516被附接到上框架和下框架上以接合内轨道706，从而支撑风施加到护罩上的水平载荷。图是前内转向架的详图。图5E是后内转向架的详图。转向架516被附接到前杆512之上，并且其中心可置于前杆的中点处；且转向架516也可被附接到后杆514之上，且同样地其中心可置于后杆的中点处。设置这些转向架516是为了将来自上框架的水平载荷传递至内轨道706 (图5E中所示)。
如图5A和图5C所示，桁架构件518将上框架水平载荷从梁502的前端504和后端506传递至多个转向架516 (如图4最好地所示)。设置这些桁架构件518是为了提供稳定的结构以将水平载荷从梁502传递至转向架516。在本实施例中，除了转向架510和516 之外，上框架构件502、512、514和518均在同一水平面上对齐。
如图4所示，转向架510和516分别在固定于图7所示结构的环形轨道704和706 上转动。转向架510和516以及轨道704和706允许图4中的模块围绕核心塔(图8所示)旋转。转向架510和516为图5A中的框架的一部分。轨道704和706为图7所示结构的一部分。图5B所示外转向架与外轨道704接合。内转向架516在图4所示模块的前部与内轨道706接合。图5E示出内转向架516与其上的内轨道706的组装以及内转向架 516组装到图4所示模块的后部。
图4中的模块示出模块拉索对402，其为图5A所示上框架与图5C所示下框架之间对角连接的电缆对。一个模块拉索对402位于上框架和下框架的前部处的垂直平面内。另一个拉索对402位于上框架和下框架的后部处的垂直平面内。这些模块拉索对402为每个模块提供结构稳定性和尺寸稳定性。
图6是图4所示每个模块所包括的模块控制系统的示意图。模块控制系统包括风向感应装置604、模块控制装置606和用于驱动多个外转向架510的多个电机608。模块控制系统安装于每个模块中以保持模块始终面向主风。当风向感应装置604使用本技术领域中的技术人员已知的技术感应出风向发生变化时，模块控制装置606利用电机608以可使模块相对于风保持正确方向的方式转动模块。
图7示出支撑结构的一个实施例的俯视图。本实施例的支撑结构包括图8所示的核心塔、图9所示的外围塔、以上描述的桁架和轨道系统，以及拉索702。在本实施例中，有六个外围塔；然而，该数量可根据本技术领域中的技术人员的需要而改变(可使用三个或更多)。
如图10所示，桁架和轨道系统包括环形桁架(图11所示)、六个径向桁架(图12 所示)、六个外围桁架(图13所示)、六个轨道桁架(图14所示)、一个或两个外轨道704、 一个或两个内轨道706以及12个或24个撑杆708。图12所示径向桁架的数量、图13所示外围桁架的数量、图14所示轨道桁架的数量和撑杆708的数量将根据使用的图9所示外围塔的数量改变。
图10所示桁架和轨道系统借助于图11所示径向桁架将图8所示核心塔连接至图 11所示环形桁架，并将图11所示环形桁架连接至图9所示外围塔。图10所示桁架和轨道系统借助于图12所示外围桁架将图9所示相邻的外围塔彼此连接。图10所示桁架和轨道系统借助于图13所示轨道桁架将图11所示相邻的径向桁架彼此连接。图10所示的每个桁架和轨道系统包括一个或两个外轨道704和一个或两个内轨道706。根据需要提供外轨道704和内轨道706以接收分别来自图4所示模块的外转向架510和内转向架516的垂直载荷和水平载荷。撑杆708通过将内轨道706连接至图11所示环形桁架来为内轨道706 提供辅助横向支撑。图10所示桁架和轨道系统以垂直间隔出现，所述垂直间隔足以允许图 4所示模块被支撑在桁架和轨道系统之间。所有者可决定省去图4所示个别模块，留出的空间可空着或另作它用。图10所示桁架和轨道系统的位置在图4所示模块之上、之间或下面。
图8示出核心塔的第一实施例。图8所示核心塔具有形成等边三角形的三个垂直支柱802。支柱802彼此间相隔的水平距离为O. 433D，其被定义为图8所示核心塔的面804。 核心塔中支柱的数量也可为四个，且支柱之间的距离可在O. ID至O. 7D之间变化。三个面 804中的每个面804都具有位于支柱802之间的缀条806图案。缀条图案以一定间隔重复， 该间隔限定了图8所示核心塔的节间808。图8所示核心塔的分区810被定义为连接入垂直叠加以与图10所示桁架和轨道系统的中线之间的垂直距离相等的足够节间。图11所示环形桁架被附接到每个分区810的顶部节间808的中部。每个分区810的顶部节间808的支柱802被加强以支撑所附接的图11所示环形桁架。每个支柱802的底部由底座812支撑，该底座812可以是适合于具体场地的土壤和所施加的负载的任何配置。
图9示出外围塔的第一实施例。图9所示外围塔具有形成等边三角形的三个垂直支腿902。图9所示外围塔也可被配置为具有四个支腿。支腿902的其中之一指向图8所示核心塔的中心。支腿902彼此间相隔的水平距离大约为O. 10D，其被定义为图9所示外围塔的面904。表面宽度可以在O. O 至O. 2 之间变化。三个面904中的每个面904都具有位于支腿902之间的缀条906图案。该缀条图案重复足够多次以与图8所示核心塔的节间808高度相等。该节间高度限定了图9所示外围塔的部分908。图9所示外围塔的分11区910被定义为连接入垂直叠加以与图10所示桁架和轨道系统的中线之间的垂直距离相等的足够部分908。图12所示径向桁架和图13所示外围桁架被附接到每个分区910的顶部部分908的中部。每个分区910的顶部部分908的支腿902被加强以支撑所附接的图12 所示径向桁架和图13所示外围桁架。每个支腿902的底部由底座912支撑，该底座912可以被配置为适合于每个场地的土壤和所施加的负载。
图11示出环形桁架的第一实施例。图11所示环形桁架包括顶部环1102和底部环 1104。环1102和环1104均包括六个相同的构件1106。如果使用多于或少于六个图9所示外围塔，则应修改环1102和环1104中构件的数量以与其匹配。图11所示环形桁架的边长足够使其跨越图8所示核心塔，并连接至图8所示核心塔支腿802。环1002和环1004之间的垂直距离为O. 1167D，但是该距离可在.05D至2. 5D之间变化。顶部环1102的每个角通过垂直支柱1108与正下方的底部环1104的角连接。图11所示环形桁架在相邻支柱1108 之间的每一部分被定义为图11所示环形桁架的面1110。每个面1110在相邻支柱1108之间具有缀条1112图案以为框架提供结构稳定性。图11所示的每个环形桁架均围绕图8所示核心塔设置，因此环形桁架的一些角与图8所示核心塔的支腿802垂直对齐。这些对齐的角被附接到图8所示核心塔的每个分区810的顶部部分808的中部。
图12示出径向桁架的第一实施例。每个图12所示径向桁架的长度指向水平方向。 图11所示径向桁架的深度指向竖直方向，并具有顶弦杆1202和底弦杆1204。顶弦杆1202 和底弦杆1204之间的垂直距离为O. 1167D，该距离与图11所示环形桁架的深度精确匹配并随其变化而变化。顶弦杆1202和底弦杆1204的总长与连续串联的对角缀条1206有关。 图12所示径向桁架的总长为1.655D，但是该长度可在1. 至2. 之间变化。每个图12 所示径向桁架的内端1208连接至图11所示环形桁架的顶点。共有六个图12所示径向桁架连接至每个图11所示的环形桁架。图12所示径向桁架的数量将改变以与图9所示外围塔的数量匹配。每个图12所示径向桁架的外端1210在该位置连接至图9所示外围塔的内支腿902。
图13示出外围桁架的第一实施例。每个图13所示外围桁架的长度指向水平方向。 每个图13所示外围桁架的深度指向竖直方向，并具有顶弦杆1302和底弦杆1304。顶弦杆 1302和底弦杆1304之间的垂直距离为O. 1167D，该距离与图12所示径向桁架的深度精确匹配并随其变化而变化。顶弦杆1302和底弦杆1304的总长与连续串联的对角缀条1306 有关。图13所示外围桁架的总长为I. 9124D，但是该长度可在I. 5D至2. 5D之间变化。每个图12所示外围桁架的端部在该位置连接至图9所示外围塔的内支腿和图11所示径向桁架。
图14示出轨道桁架的第一实施例。每个图14所示轨道桁架的长度指向水平方向。图14所示径向桁架的深度指向竖直方向，并具有顶弦杆1402和底弦杆1404。顶弦杆 1402和底弦杆1404之间的垂直距离为O. 1167D，该距离与图12所示径向桁架的深度精确匹配并随其变化而变化。顶弦杆1402和底弦杆1404的总长与连续串联的对角缀条1406 有关。图14所示轨道桁架的总长为I. 2474D，但是该长度可在I. OD至2. OD之间变化。图 14所示轨道祐1架的每一端连接至图12所示径向祐1架。
图15示出外轨道704和内轨道706的第一实施例的平面图。外轨道704的半径为I. 097D，其可在O. 75D至I. 5D之间变化。外轨道704在点1502 (间隔六十度)处被附接到六个图12所示径向桁架上。外轨道704在点1504处(点1504在两个位置中)被附接到图12所示径向桁架之间的六个图14所示轨道桁架。到图13所示轨道桁架的附接点1504 的位置被隔开，因此轨道704在其整个圆周内以二十度的规律间隔附接。轨道704附接点 1502和1504的数量及其角度间隔将随图12所示径向桁架的数量而变化。
内轨道706的半径大约为O. 25 ，其在O. 5D至I. 5D之间变化。内轨道706在点 1506 (间隔六十度)处被附接到六个图12所示的径向桁架上。内轨道706在图12所示径向桁架之间居中的点1508由撑杆708支撑以抵抗水平载荷。如图7B所示，撑杆708被设置在轨道706和图11所示环形桁架之间。轨道706附接点1506的数量及其角度间隔将随图12所示径向桁架的数量而变化。
图16是图7所示结构的外部表面的部分正视图。图16示出拉索对702的配置。 拉索702在图9所示相邻的外围塔之间以及图10所示相邻的桁架和轨道系统层级之间对角连接。然而，底部拉索对702在图10所示底部的桁架和轨道系统和图9所示相邻的两个外围塔基底之间连接。拉索702为图7所示结构提供结构稳定性。
第一实施例的操作
每个图4所示模块连续被定向为直接面对主风。认真选择的前部外曲线330和前部内曲线336的空气动力形状可在喉部312将进入每个图3A所示护罩的前部308的风的速度提高大约50%。然后，已提高的风速驱动位于喉部312的涡轮机204和相关的图2所示电力系统产生电能以供人们使用。选择并优化图3A所示护罩形状和图2所示电力系统以尽可能增加发电量。
通过图3A所示护罩的风产生拖拽力。图3A所示护罩的整个空气动力形状被优化到能减少这些拖拽力的程度。这点很重要，这是因为风力系统的所有结构组件必须提供抵抗风力以及支撑系统重量的强度。该强度的成本会影响该系统的商业可行性。
除非另有具体说明，否则本申请中使用的词“一个("a"、"an"和"one")被定义为包括一个或多个引用项。另外，除非另有具体说明，否则“具有(have)”、“包括(include)”、 “包含(contain)”以及类似的词被定义为意思是〃包括(comprising)"。此外，上面提供的说明书中使用的术语在此处被定义为包括相似的和/或等义术语，和/或将被认为对于给出本专利申请的示教内容的技术领域中的技术人员将显而易见的可替代实施例。
权利要求
1.一种利用表面上的主风产生电能的设施，所述设施包括多个护罩，每个护罩均形成可增加通过所述护罩的主风速度的喉部；多个风力涡轮机，每个风力涡轮机均被设置在所述多个护罩的其中之一的所述喉部内；电力系统，其用于将来自所述多个风力涡轮机的机械能转换为电能；多个模块，每个模块具有所述多个护罩中的至少两个护罩和相关的风力涡轮机，以及所述电力系统的至少一部分；枢轴安装系统，其用于枢轴支撑所述多个模块中的每个模块以便所述多个模块中的每个模块可根据需要转动面向主风；和支撑结构，其支撑表面之上的所述多个模块。
2.根据权利要求I所述的设施，其中，所述多个护罩中的每个护罩包括内表面和外表面，二者在其间限定封闭空腔；所述封闭空腔内的结构构件，其为所述护罩提供强度和刚度；由所述护罩支撑的多个支柱，所述支柱延伸以支撑所述喉部内的所述风力涡轮机；和所述封闭空腔内的平台，用于支撑所述电力系统的组件。
3.根据权利要求I所述的设施，其中所述枢轴安装系统包括内轨道和外轨道，二者位于每个模块的上面和下面，每个轨道被安装在所述支撑结构的桁架系统上。
4.根据权利要求3所述的设施，其中所述枢轴安装系统还包括安装在所述模块的上框架和下框架上的多个转向架，所述多个转向架中的每个转向架具有用于将所述转向架安装至所述内轨道或外轨道中的一个轨道的至少一个轮子，其中一些所述轮子与所述外轨道垂直啮合，因此所述模块的重量由所述外轨道支撑，且所述轮子中的一些轮子与所述内轨道水平啮合，因此由主风施加到所述模块上的水平力由所述内轨道支撑。
5.根据权利要求I所述的设施，其中，所述多个护罩中的每个护罩为具有水平轴的环状。
6.根据权利要求5所述的设施，其中，所述多个护罩中的每个护罩还包括在环形前缘和后缘相遇的内表面和外表面，所述环形前缘具有边缘直径，所述内表面和外表面的半径向横截面形成形状，且所述形状围绕所述护罩的所述水平轴的旋转限定出所述内表面和外表面；喉部，其由所述前缘和后缘之间的所述内表面形成并具有喉部直径(D)，所述喉部直径 (D)小于所述边缘直径，且从而相对于所述主风的速度提高通过所述喉部的风的速度；所述内表面的前部内曲线，其成形为可将通过所述喉部的风的质量和速度最大化，并将风沿所述护罩的所述内表面的扰动和拖拽力最小化，所述前部内曲线从所述环形前缘的某一点开始，所述点与所述护罩轴的距离为O. 55D至O. 95D，所述前部内曲线在与垂直于所述轴的平面成十五度角以内的方向上向所述轴延伸，并在与所述轴平行的十五度角以内的方向上在所述喉部终止；和所述外表面的前部外曲线，其成形为与所述前部内曲线的形状一起将通过所述喉部的风的质量最大化，且其可成形为使风沿所述护罩的所述外表面的扰动和拖拽力最小化，所述前部外曲线从所述环形前缘开始，并在与垂直于所述轴的平面成十五度角以内的方向上远离所述轴延伸，并在与所述轴平行的十度以内的方向上终止，且所述前部外曲线与所述轴的距离为O. 6D M2. OD0
7.根据权利要求I所述的设施，其中，所述模块中的每个模块包括至少两个所述护罩， 所述至少两个护罩面向相同方向，且由位于所述至少两个护罩上的水平上框架和位于所述至少两个护罩下的水平下框架连接。
8.根据权利要求7所述的设施，其中，每个所述模块还包括对角连接在所述上框架和所述下框架之间的至少两个框架拉索对，其用于为所述模块提供结构稳定性和尺寸稳定性，所述框架拉索对其中之一在所述上框架和所述下框架的前部处的垂直平面内，且另一个框架拉索对在所述上框架和所述下框架的后部处的垂直平面内。
9.根据权利要求8所述的设施，其中所述模块中的每个模块还包括模块控制系统，所述模块控制系统包括风向感应装置、模块控制装置和用于驱动多个轮子以使所述模块转动面向所述主风的多个电机。
10.根据权利要求I所述的设施，其中所述电力系统包括每个所述模块中的液压系统，其包括i.液压泵，其可操作地连接至所述风力涡轮机中的每个风力涡轮机；和 .电能控制器，其用于可操作地将来自所述液压泵的流体流动引导至所选择的液压电机以将所述流体流动转换为机械能；直流电系统，其具有将来自所述液压电机的机械能转换为直流电的发电机；模块总线，其将由所述选择的液压电机生成的所有直流电聚集在所述模块内；和公用直流总线，其用于收集来自所有所述模块的直流电。
11.根据权利要求10所述的设施，其中所述电力系统还包括交流电转换器，其可操作地连接至所述公用直流总线以将直流电转换为同步输送至电网的交流电。
12.根据权利要求I所述的设施，其中所述支撑结构包括核心塔；和设置于所述核心塔周围的至少三个外围塔。
13.根据权利要求12所述的设施，其中所述支撑结构还包括多个桁架系统，所述多个桁架系统以垂直间隔水平地定向在所述模块中的每个模块的上面和下面，所述垂直间隔允许所述模块在由所述桁架系统支撑的同时在所述桁架系统之间旋转，每个所述桁架系统包括i.环形桁架，其围绕所述核心塔形成多边形，所述环形桁架的顶点与所述外围塔的数量相同多，所述环形桁架连接至所述核心塔，且所述环形桁架支撑每个径向桁架的一端以及轨道撑杆的一端； .多个径向桁架，每个所述径向桁架连接在所述环形桁架的一个顶点和所述外围塔之间；iii.多个外围桁架，每个所述外围桁架连接在两个相邻的所述外围塔之间；和iv.多个轨道桁架，每个所述轨道桁架连接在两个相邻的所述径向桁架之间。
14.一种利用表面上的主风产生电能的设施,所述设施包括多个护罩，每个护罩具有具有水平轴的环状；在环形前缘和后缘相遇的内表面和外表面，所述环形前缘具有边缘直径，所述内表面和外表面的半径向横截面形成形状，且所述形状围绕所述护罩的所述水平轴的旋转限定出所述内表面和外表面；喉部，其由所述前缘和后缘之间的所述内表面形成并具有喉部直径(D)，所述喉部直径 (D)小于所述边缘直径，且从而相对于所述主风的速度提高通过所述喉部的风的速度；所述内表面的前部内曲线，其成形为可将通过所述喉部的风的质量和速度最大化，并将风沿所述护罩的所述内表面的扰动和拖拽力最小化，所述前部内曲线从所述环形前缘的某一点开始，所述点与所述护罩轴的距离为O. 55D至O. 95D，所述前部内曲线在与垂直于所述轴的平面成十五度角以内的方向上向所述轴延伸，并在平行于所述轴的十五度角以内的方向上在所述喉部终止；和所述外表面的前部外曲线，其成形为与所述前部内曲线的形状一起将通过所述喉部的风的质量最大化，且其成形为使风沿所述护罩的所述外表面的扰动和拖拽力最小化，所述前部外曲线从所述环形前缘开始，并在与垂直于所述轴的平面成十五度以内角的方向上远离所述轴延伸，并在平行于所述轴的十度以内的方向上终止，且所述前部外曲线与所述轴的距离为O. 6D至2. OD ;多个风力涡轮机，每个风力涡轮机均设置在所述多个护罩的其中之一的喉部内；电力系统，其用于将来自所述多个风力涡轮机的机械能转换为电能；多个模块，每个模块具有所述多个护罩中的至少两个护罩和用于连接所述护罩的框架；枢轴安装系统，其用于枢轴支撑所述多个模块中的每个模块以便所述多个模块中的每个模块可根据需要转动面向主风；和支撑结构，其支撑表面上的所述多个模块。
15.—种利用表面上的主风产生电能的设施,所述设施包括多个护罩，每个护罩具有由前缘和后缘之间的内表面形成并具有喉部直径(D)的喉部，所述喉部直径(D)小于所述前缘的边缘直径，并从而相对于所述主风的速度提高通过所述喉部的风的速度；多个风力涡轮机，每个风力涡轮机均设置在所述多个护罩的其中之一的喉部内；电力系统，其用于将来自所述多个风力涡轮机的机械能转换为电能；多个模块，每个模块具有所述多个护罩中的至少两个护罩和相关的风力涡轮机，和所述电力系统的至少一部分，以及用于使所述护罩互连的框架；支撑结构，其支撑所述表面上的所述多个模块，所述支撑结构包括中心塔、桁架系统和其它结构支撑元件；和枢轴安装系统，其用于枢轴支撑所述多个模块中的每个模块，以便所述多个模块中的每个模块可根据需要转动面向主风，用于每个模块的所述枢轴安装系统包括内轨道和外轨道，二者位于每个模块的上面和下面，每个轨道被安装在所述支撑结构的桁架系统上；和多个转向架，其安装在所述模块的上框架和下框架上，所述多个转向架中的每个转向架具有用于将所述转向架安装至所述内轨道或外轨道中的一个轨道的至少一个轮子，其中一些所述轮子与所述外轨道垂直啮合，因此所述模块的重量由所述外轨道支撑，且一些所述轮子与所述内轨道水平啮合，因此由主风施加到所述模块上的水平力由所述内轨道支撑。
16.根据权利要求15所述的设施，其中所述支撑结构还包括多个桁架系统，所述多个桁架系统以垂直间隔水平地定向在所述模块中的每个模块的上面和下面，所述垂直间隔允许所述模块在由所述桁架系统支撑的同时在所述桁架系统之间旋转，每个所述桁架系统包括i.环形桁架，其围绕所述核心塔形成多边形，所述环形桁架的顶点与所述外围塔的数量相同多，所述环形桁架连接至所述核心塔，且所述环形桁架支撑每个径向桁架的一端以及轨道撑杆的一端； .多个径向桁架，每个所述径向桁架连接在所述环形桁架的一个顶点和所述外围塔之间；iii.多个外围桁架，每个所述外围桁架连接在两个相邻的所述外围塔之间；和iv.多个轨道桁架，每个所述轨道桁架连接在两个相邻的所述径向桁架之间。
17.根据权利要求16所述的设施，其中，所述枢轴安装系统的所述内轨道和所述外轨道由所述多个桁架系统支撑。
全文摘要
一种用于产生电能的设施具有多个护罩、多个风力涡轮机、电力系统、多个模块、枢轴安装系统和支撑结构。每个护罩均具有可增加通过护罩的主风速度的喉部。多个风力涡轮机中的每个风力涡轮机均可操作地放置在多个护罩的其中之一的喉部内。电力系统适合将来自多个风力涡轮机的机械能转换为电能。支撑塔包括用于支撑护罩和表面上方的风力涡轮机的中心塔，还可包括外围塔、拉索和/或其它结构组件。
文档编号F03D1/00GK102947586SQ201180027851
公开日2013年2月27日 申请日期2011年6月15日 优先权日2010年6月15日
发明者B·H·贝克 申请人:B·H·贝克