专利名称：全方位风轮机发电系统的制作方法
技术领域：
一种由全方位风轮机驱动的并与风轮机同轴的发电机发电系统。
背景技术：
利用风力驱动发电，早已为公众所知。最经典的例子就是风车，通过一个指向风向的叶片牵引的风力驱动推动器。这是旋转翼围绕水平轴旋转的最著名的范例。其众多的不足之处在于，需指向风向并保持其随风驱动，需要提供传动，制动，尾翼控制来将转矩转移到远离轴的发电机上，同时要在允许范围内保持转动速度。
本发明通过努力提供了一种可以对风向做出全方位感应的，无须对来自何种方向的风做方向校对就可驱动的装置。这种装置无须将其指向风中，因为它的旋转轴是竖直的。
竖直旋转轴转子的最大问题就是风向同时吹向旋转轴的两边，因此必须在挡板或翼面的一边安装一些东西来阻挡风，而在另一边则让风通过。否则由于在轴两边的力的反作用是相等或近似相等的，而导致转子不旋转。为此，典型的装置中包括一边是使之薄片或叶片的尾翼，在另一边支撑它们。
这个装置不仅要达到上述目的，并且仅产生适当的噪音。由于其一边的负载大于另一边，因此其结构并不稳定。
在许多年前，上述问题就已经在一个被放弃的项目中解决了。许多包含了这项发明特征的风轮机已经体现了周密的考虑，但当了解到其在当时经济和环境中的缺陷时，就放弃采用这些元件。如果旋翼被用于风轮机中，并且可以成功的将这一技术运用于完全合理的发电系统中，那就可获得多年以来风轮机所没有的优点。这种风轮机的潜力既不是已经被理解的，也不是解决的问题，因此其潜在的优点仍尚未被知晓。
与水平轴转动的风车一样，传统的竖直轴旋转的风轮机直到此时仍要求通过齿轮箱将风轮机的旋转涡轮上的转矩传送至发电机的旋翼上。但这些齿轮箱就十分昂贵，且有噪音，需要维修，有速度限制，同时形成了一个需要提高系统可以运做的最低风速，并且由于满足低风速而丧失能量的低速被拖动物，这已成为共识。
由于上述的缺点，齿轮箱就形成了对最大速度的制约。当其超速时就会导致机械系统的迅速毁坏。为了防止这种情况，不但风动旋翼需要至少局部停止，而且是制动系统也要限制其速度。制动系统通常要将产生的一部分功率用于产生制动力。这就严重减少了可以排出能量的风速范围，同时丧失了可以从高风速下得到的能量。
本发明提供一种简单优良的竖直中心轴的风轮机，它可以精确带动发电机而无须齿轮传动或其他传动系统，无须控制风力带动对涡轮自身旋翼的速度。那么在任何风速下风轮机旋翼都能吸取能量。
另外，本发明提供一种循环稳定而又安静的系统，而不会产生像风车式系统那样巨大的震动和噪音。实际上，这个系统是很安静的，它可以被安置在院子里，即使一个很小的系统都能在低风速下产生巨大的电力。
此外，对塔撑式系统另一个已知的缺点就是它们在高风速下有被吹倒的危险。传统的方法就是用很重的支撑物来抵抗这种危险。本发明，可以通过利用适当比例的风动旋转，利用旋转体的空间刚度来抵抗移动，并使之坚固。这种坚固可以通过下级侧面来同时控制减小正面纵横比的大小以及最佳空间强度的比例来加强。
发明内容
一种采用全方位风轮机的发电系统，其叶片的转片被设置于圆形围绕的竖直轴旋转的环状支架周围。叶片的延长线与轴平行。
叶片的特点是当它其中的一个面，由于空气动力学原理与吹进的气流使成一直线时，叶片就产生一个向上的浮力从而在环状支架上产生转矩。形成叶片的反作用力反作用于同一方向上的气流，当环状支架带动叶片旋转从而在另一边提供风力，反作用力就在环上产生一个同一旋转方向上的转距。当转子转动，从气流的一边转到另一边，同一个叶片就会交替改变它的边来迎向风。因此，叶片的每一边在同一旋转方向上通过转矩来带动环状支架旋转，而不是通过相对的旋转方向来使得环状支架停止。风轮机转子被嵌在用来支撑固定结构的旋转杆子上。杆子是围绕中心轴旋转的。
本发明中，发电机被嵌在风轮机转子结构下部。它包括固定在构件上的发电机定子和固定在旋转杆子上的发电机转子。所述的含有固定定子和旋转转子的发电机可以是盘状或环状的。它们的特点在于与风轮机转子同轴。
在永磁铁式发电机中，发电机转子含有磁铁，最适宜于永磁铁，定子含有线圈。转子的旋转与定子相关(都是按预先设计的圆形)。这些线圈与电路连接，可以三角形回路。磁铁水平放置，与盘型发电机的轴相垂直，或与环形发电机的圆柱表面同轴。
激励电场发生器可代替永磁场。那么被切削的磁场就能产生电能。这是普通的发电常识。同时，整个系统是旋转稳定而又对称的。无需传动或方向控制。直接以风轮机转子带动发电机。
本发明将在下面结合附图具体描述
图1是本发明最佳旋转示意图的剖面图。
图2是本发明图1装置的立体图。
图3是图1中3-3剖面的剖面图。
图4是本发明叶片旋转前进的示意图。
图5是本发明图1中5-5剖面的剖面图。
具体实施例方式
本发明中的系统10是嵌在固定结构11上，例如，将厚壁管子固定在地基12上。系统上设有一通常是竖直的中心轴13。为达到最佳效果，可以有所倾斜，但这种情况不常发生。
心轴15是固定在结构11上的，例如被栓在或焊接在法兰盘16、17上。它是固定不动的。可旋转的风轮机转子20被轴承21、22嵌在心轴上。风轮机转子包括由轴承压缩支撑的可旋转的管状杆子23。
上部环状支架25和下部环状支架26是由一组四个图示的轮辐27、28、29、30(根据实际需要来设置数量)的管状杆子25支撑。环状支架和轮辐是坚固的结构。
以所示轮辐27为例。它包含了一对斜杆32、33从一个或者另一个环状支架延长至旋转杆子。角撑板34支撑在它们的相交处使轮辐坚固的支撑两个环状支架。
复数个叶片35轴向连接环状支架。这些叶片根据需要制作的足够坚固，但轻质是它的优点，因此环状支架的稳定性比叶片的抗压强度更为重要。这个涡轮转子的驱动力是由叶片与气流之间的相互作用产生的，因此叶片被牢固的固定在环状架子上。围绕环状架子的所有的叶片的轴的方向角度都是相同的。
在地基中支撑发电机40，最佳的是一个扁平形的永磁铁式发电机。它包括固定在管状杆子23上并随其旋转而旋转的发动机转子41。在发电机转子中夹有定子42，定子被固定在地基中。定子并不转动。
从图1中可以清楚的看到，发动机转子有两个平行的板状转子部件43、44。它们相互之间隔开一定距离。定子42设在转子部件43、44之间，因此转子部分的旋转与定子有关。重要的是，发电机与风轮机是同轴的，风轮机转子与发电机转子在结构上是直接相连，相互带动旋转的。在它们之间没有齿轮系统或其他控制系统。
尽管激励电场发生器可被用于本发明，尤其用于小型装置，更适宜利用固定的永磁铁，比如在转子部件43、44中的磁铁50。这些磁铁更适宜用板状的，这样他们的磁性就能更好的排成一排。嵌在定子上方的线圈52(有时被称为绕组)通过磁场且产生所需的输出电流，它与涡轮的旋转速度有近似的比例关系。
线圈是完全常规的，其所在平面与中心轴垂直。依据所需的磁场适当的排列磁铁。磁铁和线圈的装备数量是任意的并依据发电机尺寸来选择。从每个线圈引出的导线53、54延长至任何的用户系统(图中未示)，例如电池或蓄电池。
在这里可以看到这个系统是完全对称的，并且没有传动装置，制动装置，或顺桨机构。除了轴承细小的沙沙声外，几乎不发出声音。
叶片则与直观的相反。如图4所示，以叶片55为例的横截面，这是因为在某些相对于将要来临的气流状态下，他的第一个面56面对迎面气流而表现出作为机翼而产生出的一个作用于气流侧面的浮力57，当环状支架随叶片旋转后，它的第二个表面58面指向对它施加压力的气流。在这种情况下，另一表面58的形成了阻力59。重要的是，当面对同一气流时，浮力57和阻力59就在转子上施加同一转动方向的转矩。就气流的视角来看，它们在轴的两边。它们双方并不相互抵偿。
叶片的横截面形状是任意的并且可以制成各种形状。本实施例是当叶片相对于受风力作用的轴转动30度时，由许多浮力57构成的力系得到的。无论风力作用于结构的何种方向，始终保持此种情况，每片叶片都具有相同的弧度。从空气中得到的浮力主要是由叶片在这一角度范围内得到的。
叶片的形状可由使用者依据所需来调整，它们的第一个面57(它面对气流就象跟着气流一样)常被认为是阻力，在某些位置它是，而在某些时候它仅仅是使气流从它身边溢过。最佳的角度，是一个凸圆的机翼结构的合适外形，因为符合柏努利或柯恩达效应，从而在涡轮转子上产生了一个浮力57。在这个例子中，这一个反转转矩。这与当表面面对气流时，我们所直观预测的相反。
叶片按照相对于它们各自半径的角度安放，这样叶片就可以适当调直从而增加作用在环状支架上的最大有效力和有效角度。这可以由实验来决定。这个角度是固定的，并且所有的叶片角度都一样。
当在轴的另一边，屏蔽于气流的第二个面58，当叶片在另一边时，则面对气流。现在第一个面56上的浮力消失了，而第二个面面对气流时，制造了另一个抵抗气流的反转力。
在这一边，第二个面的结构不在临界状态下。它仍能以这种表面来捕捉足够多的风力。因此，第二个面58是适当的凹曲面，而不是平面的，因此捕获气流比平面捕获的更多。
一个适当的叶片的横截面尺寸如下所示，单位是英寸从端点到端点的弦长8.95面56凸面的主动部分的半径(大约45)3.8从动部分的半径8.47这些部分合并成切线。
面58凹面的半径7.75前沿半径0.313后沿半径0.156
所述弦上面的面56的高度大概2.90这些尺寸可以通过或大或小的叶片横截面来测量。
叶片的长度是任意的，只要有足够的长度将两个环状支架连接。
叶片可由需要以泡沫，纤维加固挤压件或金属皮制得。采用经表面处理的轻质泡沫塑料有具有很好的性能。
前述被放弃的项目的中，所存在的一个问题是在遭受大风时，塔有被风吹倒的危险。这些是又高又细的塔。它们的转子直径与高度的比值非常小，也就是高度远远大于直径。
首先，风轮机转子很高，风力在这个高度上施加一个很强的力会使之倾倒。
其次，相对于转子的直径D而言，转子的高度H值更大，降低了转子的空间稳定性。因此，越来越少的固转电阻是倾斜的，不做垂直于旋转轴的平面运动。
最佳的方案是提供一种尽可能稳定的结构。在这个例子中，环状支架和叶片是主要的旋转物。尤其在大的半径和高速度下，可以提高空间稳定性来帮助中央支柱的固有强度从而抵抗风力对该装置吹到的危险。
通过保持转子的直径D和高度H的比例D/H，已经证明，在下限以上，并且其上适合的地方，就产生了车轮式稳定状态。
针对本发明，D/H这一比值，最佳至少是2。相反，现有的这一比值趋向于1.0，或更少，这样就会引起麻烦。
目前，使用的较小容量风轮机的适当直径是10英尺的转子，高5英尺的叶片(D/H＝2)。这就很容易的在中等气流下产生大约10千瓦的电，即产生600千瓦的电。
叶片的数量是任意的。对于在图中展示了10英尺长的直径和5英尺的高而言，可以采用大约35个叶片。对于或大或小的环直径，叶片的数量和横截面的尺寸都是可以选择的。叶片的大小也是相关的。
图4简要的对当一个叶片围绕中心轴旋转时，其自身的运动情况进行了举例说明。它的各个面随着一边运动到另一边不断交替。
图5举例说明了在每个转动板上的磁铁50。这些成对的平板平行于南北轴排成一行并彼此轴向相对。这些平板绕着线圈的磁铁旋转，从而切断它们的磁场。从线圈中引出的导线53、54可以与任何适合的用户系统相连，比如说电池或者用户设备。
将磁铁放置在被转子牵引和旋转的同心磁道柱面上。带有线圈的定子在转子中间的环状支架上。盘状或环状的结构都可使用，此处只显示了盘状的。
与适当的永磁铁相同，一个合适的发电机也可以采用激励磁场来代替永磁场。
本发明提供了一种高效的竖直风轮机来增加空间稳定性和底部稳定。它能在低风速下及高风速下发电，而无须传递，传动，制动，换向以及速度控制。大大降低了维护，同时其结构也更安静、有效。
本发明保护范围并不限定于上述说明书和附图的描述，以权利要求的范围进行保护。
权利要求
1.一种全方位风轮机发电系统，包含支撑结构；具有旋转中心轴的风感应风力转子；由所述风力转子驱动的杆子；包含发电机转子和发电机定子的电力发电机，所述的发电机定子固定于所述的支撑结构，所述的杆子和旋转轴连接并驱动所述的发电机转子，所述的风感应风力转子、所述的杆子和所述的发电机转子是彼此直接连接并同轴的。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的轴通常是竖直的。
3.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述的发电机转子包含两块板，每块板含有复数个永磁铁，所述的发动机定子含有复数个导电线圈，所述的发动机定子夹在所述的两块发动机转子的板中，当发动机转子旋转时，发动机产生电流。
4.根据权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述的电流是从所述的线圈通过导线供给用户系统。
5.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的风力转子包含复数个嵌入环状支架并连接在所述杆子上的同心叶片，所述的叶片均匀排列，朝着风向时，其中的第一个面产生浮力，在环状支架上施加转矩，使得环状支架至少绕轴通过部分轨迹，第二个面起到阻碍来自同样方向的风力的作用，在环状支架上施加转矩，两个面在同样旋转方向上施力。
6.根据权利要求5所述的发电系统，其特征在于，所述的叶片是相同的，所述的第一个面是具有施加空气动力作用的凸圆曲线，第二个面是阻止空气流动的凸圆状，两个面都用来增加转矩。
7.根据权利要求5所述的发电系统，其特征在于，所述的风力转子的直径和高度之比D/H至少是2。
8.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述的轴通常是竖直的。
9.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述的发电机转子包含两块板，每块板含有复数个永磁铁，所述的发动机定子含有复数个导电线圈，所述的发动机定子夹在所述的两块发动机转子的板中，当发动机转子旋转时，发动机产生电流。
10.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述的电流是从所述的线圈通过导线供给用户系统。
11.根据权利要求6所述的发电系统，其特征在于，所述的风力转子的直径和高度之比D/H至少是2。
12.根据权利要求3所述的发电系统，其特征在于，所述的板是扁平的或者是环状的。
13.根据权利要求9所述的发电系统，其特征在于，所述的板是扁平的或者是环状的。
全文摘要
全方位风轮机发电系统，包括风感应叶片的风力转子，在叶片的一个面上施加空气动力学的浮力，在另一面上施加阻力，两个力在同一转向上施加转矩，发电机与所述的风力转子直接连接并同轴，两者之间无须其他传动系统。
文档编号F03D9/00GK1696500SQ20051007150
公开日2005年11月16日 申请日期2005年4月30日 优先权日2004年5月5日
发明者菲利普G·沃特金斯 申请人:环球风能科技有限公司