垂直轴涡轮集群的制作方法

关于联邦资助研究或开发的陈述--不适用

一联合研究协议的双方名称--不适用

通过专利局电子申请系统(efs-web)提呈的一光碟上或一文本文件内的参引合并--不适用

发明人或联合发明人关于在先揭露的陈述--本申请主张于2014年5月21日递交的第62/001,103号美国临时专利申请的优先权，临时命名5-2014风电场优化。

发明背景

本发明涉及成集群的涡轮，尤其是阻力型垂直轴涡轮。主要用于风，但也用于其他诸如水的流体。这是一种将阻力型垂直轴涡轮审视为一互动系统的新方法，借此可以调节风力发电场的参数以增加总功率输出。历史上，对于风力涡轮的一挑战是它们会因产生湍流尾流而在空气动力学上相互干扰。这仍然是所有水平轴风力涡轮的问题。垂直轴升力型风力涡轮在产生湍流方面也存在相似的问题。目前要求的领域是如何使用这些类型的涡轮及将其产生湍流转为优点。

我们知道，还没有人将集群应用于阻力型涡轮上。

美国专利8545168 B2揭露了垂直轴升力型涡轮的风力发电场。事实上，通过结构足以区分8545168 B2谈及的升力型与本发明谈及的阻力型，尤其是因为阻力型叶片具有前后缘且为杯状。还有附加的不同之处。8545168 B2基本上仅仅关注于涡轮的成排而不是它们之间的距离。本发明则是仅关于阻力型(尽管一些方法没有主张8545168 B2中的现有技术而确实也涉及升力型涡轮)，因此，没有重叠。

8545168 B2的主要权利要求是反向旋转涡轮的成排。该专利不是附加的现有技术是由于，8545168 B2涉及将涡轮排成相互紧挨着反向旋转的某些阵列，因此，本发明中的排列方式是独特的，这是因为本发明中反向旋转被限制于特殊情况。此外，我们下文展示8545168 B2关于反向旋转的方案将会事实上引起大部分风力发电场中阻力型涡轮性能的下降。我们指出一个案例，在该案例中反向旋转将会仅在一侧边的外围是有用的。

与水平轴相比，主要阻力型的垂直轴风力涡轮具有一不同的技术。其一是尾流作用不同。本发明中的涡轮应当被认为是具有相同的尺寸和形状，而无需仅限于此。

技术实现要素：

本发明通过提供一中风力涡轮的特定且更高性能关系的排列，解决了目前已知的构形缺点。

现在首次披露一种多个垂直轴涡轮的系统，具有一大于或等于20％的密实度，包括复数个中心轴和复数个外围叶片，所述外围叶片具有在内外缘交汇的前后缘，所述外缘为所述涡轮的旋转周界，所述系统包括：涡轮1，一逆时针或顺时针旋转的阻力型涡轮；以及，涡轮2，所述涡轮2的直径与所述涡轮1的直径基本相同，被设置为与涡轮1呈35～90度关系，所述涡轮1面对在任何时间均与涡轮方向呈180度的流体流，在最接近所述涡轮1周界时，所述涡轮2的周界位于与所述涡轮1的轴间的距离大约为所述涡轮1半径的1.05～1.6倍的位置上。

根据另一实施例，所述涡轮1的密实度大于或等于60％，并且，从涡轮1的轴中心至所述涡轮2的周界的距离大约为所述涡轮1半径的1.2倍。根据另一实施例，涡轮2逆时针旋转并位于面对所述流体的所述涡轮1的左边，或者顺时针旋转并位于右边。根据另一实施例，所述涡轮2逆时针旋转并位于面对所述流体的所述涡轮1的右边，或者顺时针旋转并位于左边。根据另一实施例，所述涡轮2的周界位于与所述涡轮1的轴中心之间的距离为所述涡轮1半径的1.05至1.25倍的位置上。根据另一实施例，所述涡轮2的周界位于与所述涡轮1的轴中心之间的距离为所述涡轮1半径的1.4至1.6倍的位置上。根据另一实施例，所述涡轮2位于一第二行，并从远离流体流向的所述涡轮1的垂直线凹陷。根据另一实施例，从主流体的方向至一虚拟线之间的角度大约为45度或135度，其中，所述虚拟线连接所述涡轮1的轴与所述涡轮2的轴。根据另一实施例，所述涡轮2是一阻力型涡轮。在一实施例中，所述系统进一步包括一附加的涡轮3，相对于所述流体，所述涡轮3与所述涡轮1呈大约90度或270度。在一实施例中，所述系统进一步包括一附加的涡轮4，相对于所述流体，所述涡轮4与所述涡轮2呈大约90度或270度。根据另一实施例，所述流体首行中的任意其他涡轮的轴与所述涡轮2的轴呈大约135或225度。根据另一实施例，所述涡轮1和涡轮2以相同的方向旋转。根据另一实施例，所述涡轮1逆时针旋转，并且所述涡轮2位于所述涡轮1的右边并顺时针旋转；或者，所述涡轮1顺时针旋转，并且所述涡轮2位于所述涡轮1的左边并逆时针旋转。

现在首次披露一种设置多个阻力型垂直轴涡轮的方法，所述阻力型垂直轴涡轮具有复数个中心轴和复数个具有一外缘的叶片，相对于在任何时间均与所述涡轮方向呈180度吹来的风设置，包括：提供涡轮1，以及，提供涡轮2，所述涡轮2位于所述涡轮1的下风处，其中，相对于所述涡轮的轴的连接线上的风向，多数涡轮2位于大于30度角或小于330度角。根据另一实施例，所述涡轮1逆时针旋转，并且所述涡轮2逆时针旋转并位于左边，或者，所述涡轮2顺时针旋转并位于右边，或与所述的情况完全相反。

现在首次披露一种定位至少两个垂直轴阻力型涡轮的方法，其中一第二涡轮处于一第一涡轮的下风处，其中部分所述第二涡轮沿着其前缘位于所述第一涡轮下风处的环形湍流区域内。

现在首次披露一种制造一涡轮的方法，所述涡轮在与所述涡轮之不同高度的涡轮中心相距一相似位置上，产生一大致纵向的相似相邻区域，该区域内具有比所述涡轮附近的主流体速度更高的流体速度，包括：提供一阻力型垂直轴涡轮，其中所述涡轮具有与在每一高度的每一直径的形状变化相结合的直径变化。

现在首次披露一种将一涡轮设置于位于多个第一行涡轮之下风处的一第二行的方法，其中，一第二行涡轮的至少一叶片的多数是位于前行涡轮间的均匀流区域内。根据另一实施例，位于行2的所述涡轮具有与其上风处行1相同的旋转方向。

现在首次披露一种为获得最大功率输出而设置多个涡轮的方法，包括：位于第一行的至少2个涡轮；以及，一第二涡轮，所述第二涡轮位于所述第一行涡轮的下风处并位于所述第一行涡轮的一边，其中，所述第一行涡轮是逆时针旋转，并且第二行涡轮在右边并顺时针旋转，或者在左边并且所述第二行涡轮逆时针旋转，或刚好相反，就是说，第一行涡轮顺时针旋转且第二行涡轮在左边并逆时针旋转，或者在右边并顺时针旋转，其中，所述第二涡轮的叶片的后缘主要位于前行涡轮的侧边及下风处的主风速区域内，并且所述第二涡轮的叶片的前缘主要位于所述第一行的侧边及下风处的环形湍流区域内。

现在首次披露一种为获得最大能量产生而设置多个阻力型垂直轴涡轮的方法，包括：位于垂直于风向排列的第一行的多个涡轮，位于一第二行的至少一涡轮，所述第二行邻近并在所述第一行一侧边的外围，所述第二行位于一第二行涡轮的周界与前行涡轮的轴之间的距离为所述第一涡轮半径的1.05至1.6倍的位置上。

现在首次披露一种协调一具有垂直轴涡轮的能量发电场的叶片间相互作用的方法，包括步骤：在相互距离小于一叶片直径的距离内提供至少两个涡轮；以及，提供一具有内存的微处理器，所述内存接收至少所述叶片位置和风速机风向的信息；以及，通过所述微处理器输出所述叶片的位置来相互协调。

现在首次披露一种在一发电场中设置复数个垂直轴阻力型涡轮的方法，提供一第一行涡轮和一第二行涡轮，其中，所述第二行中的一部分位于所述第一行一涡轮的尾流内且部分不位于所述尾流内，并且，所述第二行中的一涡轮的叶片后缘位于所述尾流外侧的流体流动方向上。

现在首次披露一种增加一能量发电场内至少两行中的至少两个涡轮的能量产量的方法，其中，第二行中一涡轮直径的至少一半被设置在一较高风速区域内，所述较高风速区域邻近并位于第一涡轮后方，并且所述较高风速区域面向后缘。

现在首次披露一种排列多个垂直轴阻力型涡轮的方法，所述涡轮包括相似形状和尺寸并具有大于或等于20％的密实度，在一涡轮的中心轴与其他涡轮的周界之间相距1.05至1.6倍半径的距离上提供设置所述涡轮。

现在首次披露一种接近(approximating)一180度流体中的涡轮的方法，包括步骤：在与第一涡轮呈直角的任一边上提供至少一涡轮；以及，在一涡轮的轴与其边上的涡轮间小于3个叶片直径的位置上设置所述涡轮；以及，利用群组中的至少一种来协调相邻涡轮的叶片的运动，所述群组由：将涡轮2的一叶片的角度调整成约为涡轮1的两个叶片角度的中间点位置，转向所述叶片的角度以使相邻涡轮的角度为不同的角度，提供不同的涡轮每分钟转速所组成。根据另一实施例，所述方法进一步包括：(d)提供一与任意所述涡轮相邻的流体偏转装置。根据另一实施例，所述涡轮的轴与轴之间小于或等于2个叶片直径。

现在首次披露一种排列发电场内多个垂直轴阻力型涡轮的方法，每一涡轮具有大于或等于20％的密实度，并且一第一涡轮的轴与第第二涡轮的周界间的距离为所述第一涡轮半径的1.05～1.6倍，在具有有限数量的涡轮下，通过在一第二行中设置更多涡轮之前，于垂直于风的一行内提供尽可能多的涡轮的步骤来排列。

附图说明

此处仅以举例的形式结合参考附图描述本发明，其中：

图1是风场中一单个垂直轴3-叶片涡轮的图形；

图2是在一2-叶片涡轮在一平面内周围流体的图形；

图3是在一2-叶片涡轮在一第二平面内周围流体的图形；

图4是在一2-叶片涡轮在一第三平面内周围流体的图形；

图5是一3个三-叶片涡轮周围流体的图形；

图6是一两行3个三-叶片涡轮周围流体的图形；

图7是一两行反向旋转的周围流体的图形；

图8是显示于专利中的右边与左边的常规图形。

图9是一密实度定义的图形；

图10是一改进的V形风力发电场设计的图形；

图11是一利用一流体偏转装置协调叶片位置的图形。

具体实施方式

本发明提供创新的技术方案，用以通过将小型垂直轴阻力型涡轮审视为一协同集群，从其获得最大输出。这种集群能确保在一限定的位置上产生更多的功率。本发明适用于任意流体。如同大部分常规申请，此处我们仅简单地使用“风”，然而“风”的任何使用也均是指其他流体。

定义：所述前缘是一叶片位于前方的部分。所述后缘是后方。所述后缘捕捉一阻力型涡轮内的风。在一杯状上有一变形。在图8中，(54)代表击打所述后缘的风向。为清晰起见，所述涡轮面向来自于180度的风，因此，(55)是右边而(56)是左边。

一升力型涡轮像是一翼片(wing)，不是从位于后缘的流体流动的杯口(cupping)处移动，而是从向低压区域移动中由所述叶片或翼片所产生的气动效应而移动。因此，升力型和阻力型涡轮具有不相似的结构。

我们将引用从180度接近所述涡轮的风。因此，左边是在90度而左边是在270度。这可以使我们强调风可以来自于任意方向，而不是按照一风的主导方向排列所述涡轮。

密实度：本发明中的涡轮是阻力型垂直轴涡轮。因此，它们通常具有一较大的密实度，这是因为它们是杯状而不是翼状的，并且通常需要包含尽可能多的流体流。图9显示了(57)，(59)和(61)是涡轮的直径。(58)，(60)和(62)是叶片间的开放空间，在一阻力型涡轮中的所述开放空间通常远远小于一升力型涡轮，并且，所述密实度是(57)减去(58)除以(57)的比例，本文中大约为80％。所述密实度是涡轮叶片的百分比，所述涡轮叶片理论上阻断了流体穿过所述涡轮的直线路径。在一低密实度的阻力型涡轮中，直径(59)减去开放空间(60)除以(59)的比率相当地低，大约为40％。低密实度意味着由将流体导流至侧边的低集群效应。我们将因此从本发明中排除低于20％的密实度。为了简化解释附图的目的，忽略了轴的影响。他通常，低密实度存在于升力型垂直轴涡轮。它们的叶片(63)是细长结构，产生一翼状升力效果。此处，所述开放空间(62)几乎等于所述直径(61)，因此，密实度约为10％。

当以小组为单位旋转时，顺时针和逆时针是用于涡轮的实施例。然而，在所述涡轮的角色反转时，可以出现完全一样的情况。因此，语言仅为了便于进行比较。

结合附图及复代的说明，可以更好地理解根据本发明所述的垂直轴阻力型涡轮的一发电场的原理和运行。

请参见附图。图1所示的是一阻力型3叶片风力涡轮(2)，由风而转动。风从左边吹来。元素(1)显示了出现于所述涡轮相互作用中的风速规模，并且风速从顶部由低向高。这原本是彩色的；处于发明附图规则的考虑，对相关部分被编号和讨论。元素(3)是一虚线，显示了所述涡轮的直径。所述涡轮被显示为逆时针旋转。面对所述风向，点(4)位于在所述涡轮区域内损失速度后，右边的风到达高速的位置。扩展至风与所述涡轮的轴成大约150度角度。点(5)同样是位于左边。请注意，在所述左边，与点(5)相比，在更靠近所述涡轮处发生速度的局部恢复，然而，这更加远离了返回最大速度。在右边，等于或大于主风的高风速恢复是所述涡轮直径的0.05～0.25倍，其中所述涡轮直径是始于位于所述涡轮轴处风向的垂直面内的所述涡轮外部。在左边，所述恢复约为0.4比0.6之比乘以所述涡轮直径，其中所述涡轮直径位于所述涡轮轴处风向的垂直面内。理论线(6)显示了所述涡轮侧边的夹角在两边从所述涡轮呈15～30度扇形散开，其中，在所述涡轮侧边处出现湍流漩涡(8是最集中的举例)。这是一幅相当典型的从风力涡轮角度观察到的尾流图片。值得注意的是，最大环形湍流区域仅限于区域(8)。点(7)显示了一相邻区域，在所述相邻区域内，风速更为均匀且略微高于一边上湍流区的风速，并且，在所述相邻区域内，所述风向从所述涡轮向其左边偏转并开始增加速度。这表明在点(7)的区域内设置一第二行具有相似旋转方向和一轴的涡轮可以使该涡轮受益于所述涡轮叶片间的内部直通风区域和所述涡轮偏转风区域，同时，如果所述涡轮的叶片以一逆时针方向穿过(8)所示的区域，所述涡轮还受益于阻力下降。点(7)是位于环形湍流区域的边缘，在点(7)处，风矢量刚开始变成直线。在下风处且所述涡轮的右边具有一相似的界面。由于风在紧邻所述叶片平面内的点(4)和(5)的外侧变为较高速度，这些区域将会成为设置那些将经历更高风速的相邻涡轮的理想区域，并且因此，与每一单独的涡轮相比，这些区域对于电力的更高产量也是理想的。由于是涡轮的前缘面朝风而不是后缘捕捉风，用以垂直轴涡轮通常具有必须在回程中抵抗相同风速的风的缺点；本文中显示以一系统运行的风力电场的附图展示了如何通过涡轮相互合适的设置以最小化这些缺点。

湍流的主体对于水平轴涡轮同样重要，并且，在本文中我们也可以采用那些应用于垂直轴涡轮的方法。

标准的做法是使水平轴涡轮分离并相隔3～5个叶片直径，即使这些涡轮在垂直于主风的相同行内，从而避免湍流的负面作用。图11提出了两种使叶片更为靠近的方法，同样适用于垂直轴涡轮。可以协调所述涡轮的叶片，以使叶片同时与风向间成不同的角度。图11表明，两个水平轴涡轮(72)和(73)，这些涡轮的叶片同时位于不同的角度。这些涡轮的转向作用(使所述叶片朝向风成角度)和每分钟转速也可以影响所述湍流。另一种方法是使用一流体偏转装置，通过任意方式协调所述流体偏转装置与所述涡轮成任意关系，无论是如(74)所示的位于上风处以影响功率或是呈直角以阻断所述湍流。使用这种方法，即使是水平轴涡轮也可以实现相邻涡轮之间的距离为2叶片直径。

图2～4所示的是模拟一单一阻力型垂直轴风力涡轮，所述涡轮具有不同形状并位于不同垂直层面上。在图2～4中，虚线(9)，(14)，(19)代表不同高度上的涡轮的直径。距离(11)，(13)，(16)，(17)，(21)和(22)显示了从所述涡轮边缘到风速恢复至主风速的区域间的距离。位于区域(10)，(12)，(15)，(18)，(20)和(23)中心的另一个风力涡轮的叶片可以从高于主风速的区域处获得最大收益。在区域(10)，(12)，(15)，(18)，(20)和(23)的外部点之后，风速下降至主风速。请注意，尽管不同层面上的所述涡轮的直径是不同的，由于这是一个锥形(tapered)涡轮，形状上的不同使得在不同高度上与所述涡轮的轴具有相同的距离之处即为增加风速的位置，所述增加风速是由于风与所述涡轮的相互作用。这种独特的设计之处使得涡轮群组能具有不同的形状。

图5显示了一单行涡轮的分组，所述涡轮全部以相同的方向旋转，在本范例中是逆时针。涡轮1是(24)，涡轮2是(25)，并且涡轮3是(26)。点(27)和(28)是风速恢复至主风风速或高于主风风速的位置，并且，点(27)和(28)将是设置一相邻风力涡轮的边缘的理想位置。与单个涡轮相比，在一行中的相似涡轮的组合可以实现环形湍流区域位移至更加远离第一行涡轮的下风处，并在所述第一行的下风处留出用于一第二行涡轮的空间，这些涡轮的叶片可以利用点29和30间的漏斗形(funneled)风。

总之，我们发现，大部分涡轮应当以相同的方向旋转，除了那些在风力发电场外部边缘上的涡轮，并且，以所述涡轮是否是顺时针旋转或逆时针旋转来决定侧边(side)。

点(31)和(32)显示了湍流风与高速非湍流风之间的边界。角度远远小于单一涡轮(6)。这说明，尤其是在主要来源于一个方向上的风的区域内，或者对于可设置所述涡轮的区域有限制的区域内，理想的设置位置是在一单一行中一个接着一个排列，或者每一个涡轮处于其他涡轮的下游稍微偏向一侧处。

图6显示了每行三个涡轮(33)～(38)的两行。虚线(40)和(41)显示了环形湍流区域，并且，使用两行涡轮使低风速在下风处变得更为受限。涡轮(38)受益于气流(42)的风速集中。涡轮(36)受益于气流(43)。

图7显示了两行涡轮(44)至(49)。(44)，(46)和(48)逆时针旋转。(45)，(47)和(49)以一交替模式顺时针旋转。这看起来是一个完整的次级方法。线条(50)和(51)的角度大得多。低速涡流占用了更多的空间。气流(52)和(53)表明，第二行仍然是受益的，但没有很多。结论是，反向旋转仅对外部涡轮有意义—当大部分涡轮逆时针旋转时为右边，而当大部分是顺时针时为左边。这清楚地表明，有关反向旋转的现有技术与阻力型涡轮不相关。

如果可使用有限数量的涡轮，一种有利的解决方案是将它们设置在主风垂直线的一行中另一个选择是使用一利用下游气流的V形或改进V形排列，并设于前排。图10显示了一改进的V形排列。理想地，第一行(67，68)具有不少于一个的涡轮，这是因为这种做法比单个涡轮可以更加限制漩涡的区域。第二行也发生相同的过程，如在每一边上的涡轮(65,66,69,70)等。

在第一行或者在任意行或一行到另一行中的任意两个相邻涡轮的实施例中，对发电场中的所有涡轮要求的用于从一涡轮的轴至下一个涡轮边缘的距离的一理想公式是，半径乘以1.2，从1.05到1.6范围内。在一实施例中，该公式适用于密实度(是指被叶片覆盖的横截面积)大于或等于50％。在另一实施例中，该公式适用于大于或等于20％。在一实施例中，该公式适用于直径为1至5米的涡轮。另一种定义方式是，两个涡轮上杯状叶片最接近位置的边缘间的间距为0.2加减10％米。在另一实施例中，一行中的相邻涡轮反向旋转。在另一实施例中，相邻的阻力型涡轮在一行中，并且另一个反向旋转。

在另一实施例中，一微处理器控制所述叶片位置的协调和/或一风力发电场中相邻涡轮的方向，用以获得最大输出。上文讨论了横向轴涡轮，但对于垂直轴涡轮也是新颖的。在另一实施例中，上述构型被设置于一屋顶上。一实施例是不同类型涡轮相互邻接的设置。例如，一3-叶片阻力型垂直轴涡轮可以与一2-叶片升力型垂直轴涡轮相协调以改善功率输出。

我们对于几种可能的排列进行了模拟：

上述表格表明，一长的初始行(initial row)提供了空间消耗和生产功率的理想组合。Cp是指涡轮效率。

尽管已结合有限数量的实施例对本发明加以描述，很明显地，可以对本发明进行许多变化、修饰和其他申请。