风力涡轮机、其应用及在涡轮机中使用的叶片的制作方法

文档序号:15574016发布日期:2018-09-29 05:08

本发明涉及用于将风转换成机械能的风力涡轮机,所述风力涡轮机包括支撑件和旋转地连接至所述支撑件的叶片,所述叶片包括细长的主体和风接收件,所述风接收件大体上是盖体形成的,所述盖体能够相对于主体铰接,使得风接收件能够采用打开构造和闭合构造,在打开构造中盖体远离主体铰接,在闭合构造中盖体朝向主体铰接,盖体具有外表面和相对的内表面,所述外表面是当风接收件采取打开构造时指向远离风的表面,特别地,本发明涉及风力涡轮机,其中盖体的内表面设有一个或多个轮廓,所述一个或多个轮廓从内表面突出并在垂直于叶片的纵向方向的方向上延伸。本发明还涉及风力涡轮机用于将风转换为功的应用,并涉及在风力涡轮机中使用的叶片。



背景技术:

几个世纪以来,风力涡轮机通常被用于将风转换为功。风力涡轮机通常是冲击式涡轮机。涡轮机改变风的流动方向,由此产生的冲击使涡轮机旋转并使风的动能减少。如果机械能被用于发电,则设备可称为风力发电机或风力充电机。如果机械能被用于驱动机械,如用于磨粒或泵水,则设备通常被称为风车或风泵。开发了一千多年,当今的风力涡轮机被制造成一系列的垂直轴型和水平轴型。最常见和最古老的是水平轴涡轮机,其中轴被定位成与风的方向(即风吹的方向)成直线。最小的涡轮机被用于诸如电池充电或帆船上的辅助电源之类的应用,而大型并网阵列的涡轮机正成为商用电力的日渐庞大的来源。

过去几十年的发展之一是设计适用于低风速(通常低于10m/s,约5蒲福)的风力涡轮机。尤其是在较低高度、陆地上方和建筑物存在的情况下,风速通常太低而不能经济地从普通的风力涡轮机中提取能量。最近的发展包括达里厄(Darrieus)风力涡轮机(包括旋翼风车和旋风涡轮机)及萨渥纽斯(Savonius)风力涡轮机,即使在低于5m/s(约3蒲福)的风速下,达里厄风力涡轮机和萨渥纽斯风力涡轮机可产生机械能。与萨渥纽斯风力涡轮机不同,达里厄是升式涡轮机。达里厄不是将风收集在涡轮机四周拖动的杯状件中,而是利用由风击中翼部产生的升力来产生旋转。利用这些涡轮机,轴横向于风(与和风“成一直线”截然相反)定位,这具有额外优点,即叶片不需要指向风。在大多数情况下,轴垂直地定位(这解释了常用的首字母缩略词VAWT:垂直轴风力涡轮机),但只要轴横向于风,它们也可水平地定位(TAWT——横向轴风力涡轮机——因此将是更正确的首字母缩略词),通常大体上垂直于风吹的方向。然而,这些风力涡轮机有几个缺点。首先,这些涡轮机的动能转换为机械能的整体转换率可能被提高。其次,尤其是达里厄风力涡轮机不是自启动的。因此,需要小型驱动马达来启动旋转,然后当驱动马达具有足够的速度时,穿过翼部的风开始产生扭矩并且转子被风环绕驱动。可替代的构成是使用安装在达里厄涡轮机的轴上的一个或两个小型萨渥纽斯转子来启动旋转。然而,当达里厄涡轮机启动时,这些萨渥纽斯转子会使达里厄涡轮机减速。

从WO2009/153772(Kirpitznikoff,2008年提交)中已知如前文中所述的风力涡轮机(上述技术领域部分)。

从WO2014/006075中已知如前文中所述的风力涡轮机,除了在盖体的内表面上的一个或多个轮廓之外。该涡轮机的叶片设有多个单独的风接收件以及可操作以促使风接收件采用独立于风的方向的打开构造或闭合构造的工具。这种已知的风力涡轮机的优点在于,能量转换比使用更传统的风力涡轮机高很多,尤其是在低风速时。而且,由于风接收件可能被促使以主动采取抵抗重力和/或风力的构造的事实,使得涡轮机仅需要非常低的风速来启动环绕转动。除此之外,通过独立于风的方向来采用两种构造中的任何一种,该涡轮机允许实现非常高的风力转换为运动的最大转换。

从CN 101737252A中也已知根据前文的风力涡轮机。该风力涡轮机用于启动达里厄类型的涡轮机。然而,与其他VAWT一样,缺点是能量转换的整体转换率相对低。

US 5,570,997公开一种风力涡轮机,该风力涡轮机具有叶片,该叶片设有风接收件,当叶片在风的方向上行进时该风接收件打开,当叶片逆着风的方向行进时该风接收件闭合。这样,当风力必须转换成叶片的运动时,使用风接收件的最大容量,而当叶片逆着风的方向行进时,风接收件几乎不抵消这种转换。风接收件通过吹过叶片的风的作用打开,并且当风作用减小时在重力作用下闭合。



技术实现要素:

本发明的目的在于设计一种风力涡轮机,当与现有的风力涡轮机相比时该风力涡轮机具有改进的能量转换。

为了满足本发明的目的,根据前文的风力涡轮机已经被设计,在该涡轮机中,盖体的内表面设有一个或多个轮廓,所述一个或多个轮廓从内表面突出并且(唯一地)在垂直于叶片的纵向的方向上延伸,其中通过使一个或多个轮廓朝向盖体铰接至主体的位置(在高度和/或宽度上)发散来进一步改进涡轮机。

当使用这种涡轮机时,风能够沿着一个或多个轮廓自由地流过盖体的内表面,而不会在垂直于叶片的纵向方向上受到阻碍,但风在其自由地流过盖体的内表面时在平行于叶片的纵向方向的方向上受到阻碍。申请人发现,通过使盖体的内表面设有这样的轮廓,即通过具有延伸横跨盖体的表面并在垂直于叶片的纵向方向的方向上延伸的轮廓(换句话说,没有任何轮廓横跨叶片的内表面存在或在叶片的纵向方向上延伸),尤其是从WO2014/006075中已知的涡轮机的能量转换能够改进约10-25%或以上。其原因不是100%清楚的,但不受理论束缚,预期根据本发明的轮廓具有双重积极效果。首先,当叶片接近其完全在风的方向上行进的位置(即当垂直于风的方向延伸时的位置)时,相信这种轮廓可用来帮助将盖体远离叶片的主体铰接。当叶片仍然在风的方向上延伸较大部分时,通过使风在侧面吹向轮廓,这可有助于促使盖体远离叶片的主体铰接。这样,通过使盖体处于铰接远离位置(风接收件而不是处于打开、捕风位置)的能量转换的正向增加在较早的时间到达。这对于整体能量转换是积极的。其次,相信通过在风自由地流过盖体的宽度(即盖体在叶片的纵向方向上延伸的维度)时阻碍风,存在增强的拖力和/或升力,该增强的拖力和/或升力提供额外的能量转换。这可能是与跑车顶部上或紧靠跑车底部的风扩散器所具有的效果相当的效果。利用一个或多个轮廓的发散形式,预期通过在侧面吹向轮廓的风进一步增加对盖体的打开的影响。而且,发散的轮廓意味着风通过在盖体的内表面上行进而被稍微阻碍,这可能导致增加的阻力和/或升力,从而进一步增加了涡轮机的效率。

值得注意的是,从EP0931933中已知一种使用带有轮廓的盖体的风力涡轮机。然而,这种已知的风力涡轮机是拖曳式的,这意味着每种情况下的轮廓都被指向以在风的方向上延伸。旋转的风车不能采用这种原理。还值得注意的是,WO2012/041961示出一种具有附接至叶片的铰接式盖体的风力涡轮机,该盖体在其侧边缘上具有直立壁以形成真正的桶形风接收件。这与横跨内表面的轮廓(如本发明的情况)相反。边缘上的侧壁在边缘周围引起很大的湍流并且将通过风抵消盖体的自动打开。US 2008217925,如WO2012/041961,也示出真正的桶形风接收件。该桶引起如此大的湍流,使能量转换受到负面影响。为了避免这种情况并为了实际上对能量转换提供正面影响,重要的是轮廓从内表面延伸,也就是说跨过该表面,而不是通过在边缘上形成壁而使其在侧面闭合。

本发明的优点在于,即使在低风速下,通过使用纯粹的轮廓,也可显着改进能量转换。这样的轮廓具有以下优点:它们是无源装置(如湍流器或粗糙元),稳定并且按照定义不需要能量。主动控制元件(例如阀)需要致动器,因此需要能量。

本发明还涉及如上所定义的风力涡轮机用于将风转换为功的应用。如从WO2014/006075中已知,目前改进的涡轮机可有利地与达里厄风车相结合。本发明还涉及设有如上所定义的风接收件的叶片。

值得注意的是,本发明的风力涡轮机能够可操作地连接至地平面,通常具有在垂直方向上延伸的支撑件(如旋转轴或固定轴),但也可例如通过将支撑件抵靠垂直延伸的壁安装,利用风力涡轮机在水平方向上延伸的支撑件放置风力涡轮机(只要叶片的旋转轴横向于风延伸)。而且,该涡轮机例如能够放置在浮筏上或放置在延伸到水位以上的杆上。

定义

指向远离风的表面是面向风吹的方向的表面,与指向朝向风的表面截然相反,指向朝向风的表面是面向风吹出的方向的表面。

元件在一方向上延伸意味着该元件大体上平行于所述方向延伸,在其整个长度上最多以30°的角度转向至该方向,优选以小于29°、28°、27°、26°、25°、24°、23°、22°、21°、20°、19°、18°、17°、16°、15°、14°、13°、12°、11°或甚至小于10°转向至所述方向。

在本发明意义上,从表面突出的轮廓具有至少2毫米的宏观高度。

叶片通常是相对薄、刚性和扁平的元件,当沿着轴线安装时,叶片通过流过叶片的气体或流体转动。典型的示例是涡轮机中的叶片或风车上的帆。

对象的构造是确定对象的部分相对于彼此和在空间中的布置的形式。

风的方向是风吹的主要方向。

风接收件是可在垂直于风的方向的方向上延伸的元件,以便将风力转换成在风的方向上的运动。

大体上在风的方向上行进的叶片意味着叶片正积极地将风力转换成运动(向前行进)。

大体上逆着风的方向行进的叶片意味着需要能量来促使叶片穿过风往回行进(向后行进)。

附图说明

现将使用以下附图和示例进一步解释本发明。

图1示出如本领域中已知的风力涡轮机。

图2示意性地示出根据本发明的具有轮廓的盖体。

图3为图2的盖体的侧视图。

图4示意性地示出根据本发明的合并两个盖体的翼型叶片。

图5示出叶片上的多个单独的盖体的构造。

具体实施方式

在根据本发明的风力涡轮机的第一实施例中,一个或多个轮廓是锥形的,朝向盖体铰接至主体的位置发散。

在根据本发明的风力涡轮机的另一实施例中,一个或多个轮廓具有相对于盖体的内表面的最大高度,所述最大高度等于在叶片的纵向方向上盖体的长度的至少1%。看起来至少最大高度应该满足最小值,以便通过添加轮廓来获得比生产涡轮机的额外成本更有价值的能量转换的改进。最大高度通常不是在轮廓的整个长度上适应的高度。在盖体的尖端(上游端)附近,即最远离盖体铰接至叶片的主体的位置的位置,高度可能甚至接近于或等于零,以确保盖体能够完全朝向叶片的主体铰接。通常,在盖体铰接至叶片的主体的位置附近,轮廓的高度可以最大,而不干扰盖体的闭合。在实施例中,相对于盖体的内表面的高度等于在叶片的纵向方向上盖体的长度的至少2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%或甚至9%。在另一实施例中,一个或多个轮廓具有相对于盖体的内表面的最大高度,该最大高度等于在叶片的纵向方向上盖体的长度的至少10%。

在根据本发明的风力涡轮机的又一实施例中,叶片是翼型形状的主体,盖体在邻近所述主体的下游端的位置铰接至主体。

在又一实施例中,叶片包括多个风接收件。认识到的是,当使用多个风接收件时,能够进一步改进操作涡轮机以增加能量转换的自由度。然而,更重要的是已经认识到,比起使用在叶片的对应长度上延伸一个(大的)风接收件时,具有多个风接收件允许使用明显更长长度的叶片。在高转速下,即在叶片的尖端附近的叶片上产生的力明显大于在支撑件附近的叶片上产生的力。通过具有多个独立的风接收件,能够例如允许“外”风接收件来采取具有将风力转换为运动的较低能力的构造,以便减少对叶片的机械冲击。这反过来允许使用更大的叶片,而不一定需要非常坚固的机械结构。在另一实施例中,叶片包括位于叶片的顶位的第一风接收件和位于叶片的底侧的第二风接收件。在该实施例中,能够接近最佳地利用风接收件及其将风能转换为运动的能力。

在替代的实施例中,叶片包括沿着叶片的长度定位的多个单独的风接收件。已经认识到,当从靠近支撑件的位置(邻近涡轮机的中心)行进至叶片的尖端时,沿着叶片的长度的流体动力学(空气的流动)发生显著变化。通过沿着叶片的长度使用单独的风接收件,风接收件可沿着叶片的长度具有不同的构造,适应于在流体动力学方面的差异。在另一实施例中,定位在支撑件附近的风接收件具有比定位成更远离支撑件的风接收件更大的横截面。这样,能够适应于沿着叶片的长度的不同部分的绝对行进速度的变化。通常邻近尖端,速度很高,以至于可能需要风接收件的小横截面,以防止需要非常重型的施工来保持叶片的刚性。这个概念能够应用于涡轮机,该涡轮机具有不同的工具或甚至不需要工具以促使风接收件采用独立于风的方向的所述构造中的至少一个。特别地,即使当风接收件仅在风力和重力的作用下打开和闭合时,能够有利地在风力涡轮机中使用具有多个风接收件的特征以允许更大的叶片长度,所述多个风接收件具有减小的最大能力以将风力转换成沿着叶片的长度的运动。在另一个实施例中,多个单独的风接收件中的每一个包括如上文所定义的一个或多个轮廓。

此外,本发明以这样的风力涡轮机实施,该风力涡轮机设有当叶片逆着风的方向行进时可操作以促使风接收件采用闭合构造的工具。使用本发明,不需要存在工具以当叶片在风的方向上行进时促使风接收件采取打开构造。由于轮廓的存在,可能是通过更容易和更早地打开风接收件,能量转换率无论如何都显著地改进。但是,将风接收件强制闭合是有利的,以使能量转换损耗最小化。如本技术领域的任何技术人员所理解的,可操作以促使风接收件采用该构造的工具能够具有各种实施例。该工具可以仅使用机械部件构成(例如杠杆、杆和链齿、凸轮轴、导轨和从动件),可选地使用液压装置,或者可以使用机电部件构成,例如(电)磁体、诱导器、线圈等。在纯机械和纯电气之间的范围(或甚至范围外部)中的某处的各种其他构成当然是可用的。

最后,本发明以这样的风力涡轮机实施,该风力涡轮机设有当叶片在风的方向上行进时可操作以促使风接收件采用闭合构件的工具。在该实施例中,叶片例如能够在风以过高的速度吹时闭合,以便防止涡轮机旋转过快。

示例1提供了关于使用根据本发明的风力涡轮机的能量转换的数据。

图1

图1示出从WO2014/006075中已知的风力涡轮机。该涡轮机包括两个叶片6、16,两个叶片6、16是转子166的部分。图1描绘出,甚至当叶片逆着风V的方向(如对于左手边的叶片16所示)时可操作以促使风接收件7(分别包括盖体10-14、盖体10’-14’、盖体110-114和盖体110’-114’)采用闭合构造的工具(200、200’)。在该图中,风力涡轮机1被描绘为包括两个叶片6、16,两个叶片6、16大体上与WO2014/006075的图2中所描绘的叶片6具有相同的构成。每个叶片包括10个风接收件(叶片6:由盖体10-14和叶片的对应底部部分形成的风接收件7,以及由盖体10’-14’和叶片6的顶侧的对应部分形成的风接收件;叶片16:由盖体110-114和叶片的对应底部部分形成的风接收件,以及由盖体110’-114’和叶片16的顶侧的对应部分形成的风接收件)。涡轮机1由第一工具200组成,第一工具200可操作使得包括盖体110-114的风接收件大体上通过操作所述工具采用闭合构造。这些工具200包括第一杠杆201,通过副盖体120的推力向下推第一杠杆201,由于促使盖体10下降的重力和风,副盖体120向下移动。在杠杆201上的下向力用于向上推动杠杆202。这样,借助于在其对应的副盖体1120(未示出)上作用的杠杆202向上推动盖体110(在叶片16后面;由此未示出),使得包括盖体110的风接收件(实际上)采取闭合构造。为了正确地转换从杠杆201至杠杆202的移动,工具200包括转换器204。工具200可围绕支撑件5旋转,支撑件5使用轴承203以与叶片相结合。作用于杠杆上的转换器204确保当叶片在风V的方向上移动时风接收件采用打开构造(参照图1中的叶片6),当叶片逆着风V移动时风接收件采用闭合构造(参照图1中的叶片16)。为此,转换器电子地与风的方向对齐(电子设备未示出)。在替代的实施例中,转换器利用通常已知的叶片来与风对齐,该叶片自动地与风对齐,该叶片在其转动时可操作地连接至转换器。

与如上文所描述的相同的方式与工具200相结合,提供对应的工具200’、包括杠杆201’和杠杆202’以及转换器204’和轴承203’,以促使包括盖体10’-14’和盖体110’-114’(其中盖体10’和盖体110’分别设有副盖体120’和副盖体1120’)、在叶片顶部上的风接收件当叶片在风的方向上行进时采用打开构造。相应地,当盖体110’至盖体114’在重力和风作用下闭合时所释放的能量通过转换器204’转移成使杠杆201’致动以促使盖体10’-14’向上移动,使得对应的风接收件采取第一构造。

图2

图2示意性地示出根据本发明的具有轮廓500和轮廓501的盖体10。盖体10具有邻近位置405的下游边缘401,盖体在位置405铰接至叶片的主体(未示出)。盖体具有侧边缘402和侧边缘403。盖体的内表面用数字400表示。两个发散的轮廓500、501从该表面突出。这些轮廓在垂直于叶片的纵向方向的方向(即平行于盖体10的下游边缘401的方向)上单独地延伸,并从盖体的表面突出。在这种情况下,轮廓是锥形的,具有圆形的上表面。在另一实施例(未示出)中,锥是三角形的,具有两个成角度的平坦侧表面。

图3

图3是图2的盖体10的侧视图。在该视图中能够看出,锥形的轮廓具有其最大高度,该最大高度邻近盖体的下游边缘401。在这种情况下,该高度是盖体的宽度(沿边缘401测量)的16%。如图3所示,在盖体上游端处,轮廓的高度为零。

图4

图4示意性地示出根据本发明的合并两个盖体的翼型叶片。如从WO2014/006075中已知,叶片6具有翼型形状。盖体10和盖体10’在叶片的主体的前面(下游尖端)铰接。盖体以这样的构造示出,其中它们远离叶片的主体铰接,从而在其打开构造中形成风接收件7。

图5

图5示出形成一个叶片的多个单独的盖体的构造。盖体10至盖体12和盖体10’至盖体12’以与如图1所示相同的方式设置。它们被构造成两排连续的盖体,一排位于叶片6的顶部,另一排位于叶片6的底部。每个盖体设有一个轮廓500(501、502、500’、501’、502’),轮廓500(501、502、500’、501’、502’)在形状上对应于图2和图3的具有三角形横截面的轮廓。利用这样的构成,根据风速,能够获得相对于如从WO2014/006075中已知的风力涡轮机改进高达25%或以上的能量转换。

示例1

示例1利用根据本发明的风力涡轮机的模型提供关于能量转换的数据。在该示例中,使用了涡轮机的三个不同的模型。每个模型包括支撑件和连接至支撑件的叶片,该叶片具有翼型主体、长度为920cm。一排5个单独连续的上盖体和5个单独连续的下盖体连接至主体,盖体具有约20cm的长度。这种构造对应于如图4中示出的叶片的构造。

第一模型(模型“0”)不具有从十个铰接的盖体的内表面突出的轮廓。第二模型(模型“1”)具有在盖体的内表面上均匀地分布的六个轮廓(三个位于上排,三个位于下排的对应位置)。轮廓在横截面是三角形的、不发散(它们在其整个长度上具有均匀的横截面)并具有约3cm的均匀高度。轮廓从盖体的上游端延伸至下游端并在垂直于叶片的纵向方向的方向上准确地延伸,该下游端邻近盖体相对于主体铰接的位置。第三模型(模型“2”)具有十个轮廓,这十个轮廓与模型“1”的轮廓构造相同,并且也在10个盖体的内表面上均匀地分布(每个盖体具有一个轮廓)。

在对比实验中,模型被静态地定位,以3m/s、4m/s、5m/s、6m/s和7m/s的各种速度的风吹向具有在打开位置中的盖体的叶片。在每个风速下,在支撑件测量叶片提供的扭矩(Nm)。扭矩是5个不同风速下的平均值。该数字对应于叶片在应用于实际涡轮机时的能量转换能力。对于每个模型测量该平均扭矩,其中叶片相对于风定位在不同的角度。0°的角度意味着叶片完全平行于风,90°的角度意味着叶片垂直于风的方向。结果在下面的表1中给出。

表1相对于风在不同角度的叶片的平均扭矩

看来横跨盖体的内表面的轮廓在扭矩上平均可以获得14%的增加。当与风的角度为120°时,具有10个轮廓的盖体可以获得最高的增加(23%)。

再多了解一些
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