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水平轴转绳形张紧叶片流体涡轮机的制作专利

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2018-01-31
水平轴转绳形张紧叶片流体涡轮机的制作方法

本申请要求于2015年5月22日提交的标题为“水平轴转绳形张紧叶片流体涡轮机”的待审美国专利申请系列号14/719772的优先权和权益,其公开内容作为整体通过引用并入本申请。

技术领域

本发明涉及达里厄(Darrieus)型风力涡轮机,更具体地说,涉及在流动流体内使用的水平轴涡轮机的简约设计,其已经降低了所产生的有用能量的每千瓦总建造成本。



背景技术:

J.M.Darrieus最初设计了一种风力涡轮机,其具有围绕垂直旋转轴布置的涡轮机叶片,而这些叶片与外部流体流动相互作用以产生扭矩。达里厄型风力涡轮机包括安装在立轴的顶部和底部的有翼型弯曲叶片。Darrieus描述了各式各样的垂直叶片布置。在原始达里厄型设计和叶片布置的变体中,例如具有中心旋转轴线的垂直取向的转绳形(troposkein)叶片已经被建造并使用在加拿大魁北克的加斯佩半岛。

根据众多的使用实例,经典的达里厄型系统从来没有能够与螺旋桨式水平轴风力涡轮机大规模竞争,而这些风力涡轮机通常建造起来更为复杂和昂贵。事实上,许多风力涡轮机已经由于故障而被拆除。替代设备已经无法解决能量转换、启动、耐用性和材料效率低下的问题。



技术实现要素:

因此,期望提供一种使用具有转绳形状的柔性翼的水平轴流体发电系统。

在第一方面,其特征在于不存在居中布置的转子构件的流体发电系统可操作地布置在第一支撑件和第二支撑件之间。在一些实施例中,该系统包括一种机器,其在一些变型中可包括:齿轮箱,其联接到所述第一支撑件并能够用作电动机和发电机;弧形形状的柔性翼,其适于围绕大致水平轴旋转,其远端联接到所述机器而其近端联接到所述第二支撑件,用于捕获和通过流动流体;张紧式平衡系统,其联接到所述支撑件,用于稳定所述发电系统的操作;以及刚性支柱,其布置在每个柔性翼和所述平衡系统之间,用于支撑每个柔性翼。

在一些变型中,每个柔性翼包括多个被膜覆盖的翼型型材。翼型型材可以形成通过其的开口,并且可以由诸如木材、塑料、树脂、复合材料、碳材料、成形金属片之类的材料制成。膜可以由诸如柔性织物、画布、碳纤维、帆布,对位芳族聚酰胺合成纤维、高模量聚乙烯、超高分子量聚乙烯、热塑性聚乙烯、米纸、薄纸、聚四氟乙烯、液晶聚合物之类的材料制成。

在一些实施例中,所述系统还可以包括:第一线缆,其布置成穿过靠近每个翼型型材的前缘的孔,以便定向和平衡所述柔性翼;以及第二线缆,其布置成穿过靠近所述翼型型材的重心的孔,用于将扭矩传递到所述机器。在一些变型中,所述第二线缆包括一对线缆,该对线缆中的每条线缆与所述翼型型材的空气动力学中心基本上等距地穿过每个翼型型材中的相应孔。所述线缆可以由诸如钢、钢丝绳、芳族聚酰胺纤维、液晶聚合物纤维、超高分子量聚乙烯纤维之类的材料制成。

在一些实施例中,所述张紧式平衡系统可以包括张紧式线缆和/或可以包括第二弧形柔性翼。在一些实施例中,所述刚性支柱可以大致垂直于每个柔性翼地布置在相应连接点处。

在第二方面,公开了一种具有用于流体发电系统的重心和空气动力学中心的柔性翼。在一些实施例中,所述柔性翼包括:多个翼型型材,每个都具有弦长;覆盖翼型型材的膜;以及一对线缆,其基本上与空气动力学中心等距地穿过每个翼型型材中的相应孔,其中第一线缆布置在靠近每个翼型型材的重心的第一孔中。在一些变型中,第二线缆优选地朝向每个翼型型材的前缘定位。更具体地,优选位置处于更接近每个相应翼型型材的前缘的弦长的高至约百分之三(3)的范围内。

在一些实施例中,可以形成通过其的开口的所述翼型型材由诸如木材、塑料、树脂、复合材料、碳材料、成形金属片之类的材料制成。在一些变型中,所述翼型型材可以在至少一个维度上比另一个翼型型材小。在一些实施例中,膜由诸如柔性织物、画布、碳纤维、帆布、对位芳族聚酰胺合成纤维、高模量聚乙烯、超高分子量聚乙烯、热塑性聚乙烯、米纸、薄纸、PTFE、液晶聚合物之类的材料制成。

在一些实施例中,所述柔性翼优选朝向所述柔性翼的前缘配重,并且可以包括穿过靠近每个翼型型材的前缘的孔而布置的线缆,以定向和平衡所述柔性翼。所述线缆可以由钢、钢丝绳、超高分子量聚乙烯纤维、芳族聚酰胺纤维、液晶聚合物纤维之类的材料制成。

在第三方面中,公开了一种使用流动流体和弧形柔性翼来利用一系统发电的方法,该系统布置在第一和第二支撑件之间,其特征在于不存在居中布置的转子构件。在一些实施例中,该方法包括:在所述第一支撑件上提供能够作为电动机和发电机的机器;将所述机器联接到布置在所述柔性翼内的张紧式线缆的远端;将所述柔性翼暴露于所述流动流体以驱动所述机器;以及用布置在所述柔性翼和所述张紧式平衡系统(例如第二柔性翼)之间的刚性支柱来稳定所述柔性翼。

在一些实施例中,所述柔性翼可以包括多个翼型型材和覆盖翼型型材的膜。

在一些变型中,该方法还包括:通过将平衡线缆布置成穿过靠近每个翼型型材的前缘的孔来定向和/或平衡所述系统;并且通过布置成穿过每个翼型型材中的孔的线缆来将扭矩传递到所述机器。在一些实施例中,所述线缆包括一对线缆,其基本上与每个翼型型材的空气动力学中心等距地穿过每个翼型型材中的相应孔,其中第一线缆布置在靠近每个翼型型材的重心的第一孔中。在其他变型中,该方法包括优选地将第二线缆朝向每个翼型型材的前缘定位。

附图说明

根据参考附图的以下详细描述,本发明的其他特征、实施例和优点将变得显而易见,在该附图中:

图1A示出了根据本发明的一些方面的具有单个柔性翼和平衡系统的流体发电系统的说明性实施例的视图;

图1B示出了图1A的流体发电系统的透视图;

图1C示出了根据本发明的一些方面的在图1A的柔性翼与翼支撑件之间的连接的说明性实施例的细节;

图1D示出了根据本发明的一些方面的在翼支撑件和轴承总成之间的连接的透视图;

图IE示出了根据本发明的一些方面的图1B的平衡系统和刚性支柱之间的连接的说明性实施例的细节;

图IF示出了根据本发明的一些方面的图1B的柔性翼和刚性支柱之间的连接的说明性实施例的细节;

图2A示出了根据本发明的一些实施例的柔性翼的局部视图;

图2B示出了根据本发明的一些实施例的图2A的柔性翼的一部分的细节;

图3示出了根据本发明的用于多条线缆的翼型型材的说明性实施例的视图;

图4A示出了根据本发明的用于单条线缆的翼型型材的第二说明性实施例的视图;

图4B示出了根据本发明的用于单条线缆的图4A的翼型型材的第三说明性实施例的视图;

图5A示出了根据本发明的一些方面的具有多个柔性翼和多个刚性支柱的流体发电系统的说明性实施例的视图;

图5B示出了图5A的流体发电系统的透视图;

图6A示出了根据本发明的一些方面的具有多个柔性翼的流体发电系统的支撑连接的说明性实施例的视图;

图6B示出了图6A的流体发电系统的透视图;

图7A示出了根据本发明的一些方面的翼支撑件和(电动发电机)机器之间的连接的说明性实施例的侧视图;

图7B示出了图7A的翼支撑件和机器之间的连接的透视图;

图8A示出了根据本发明的一些方面的具有多个柔性半翼和T形横支柱的流体发电系统的另一说明性实施例的视图;

图8B示出了图8A的流体发电系统的透视图;

图8C示出了图8A的流体发电系统的端视图;和

图9提供了说明性设计参数的表格。

具体实施方式

扭矩传递

给定两个相对的轮,每个的半径都为R,每个轮的周边通过长度为L的单条张紧式线互连并经受施加到一个轮的水平张力(H)和扭矩(T),而另一个轮被制动,这导致在第一和第二轮上的张紧线的附接点之间的位移角(α),则在相对的轮之间传递的扭矩可以近似为等式:

T=H/L*R2*sin(α)。

该等式成为使用由没有中心轴的柔性翼或其他部件产生的已传递扭矩来产生电力以使相对的轮同步的起始点。从一般等式可以看出,如果半径R减小到零,则传递的转矩也将等于零。因此,为了最大化扭矩,可以延长从转子的中心到柔性翼的中心的距离Rmax。因此,对于其中工作或流动流体(例如风)将能量传递到转子的情况,由于流体力可以沿着柔性翼的整个长度分布,所以扭矩传递可以更好地工作。为了便于以下讨论,假设工作或流动流体是空气(风)。然而,本发明不应被解释为限于空气(风),而是可以使用任何流动液体或气相。根据等式,当位移角α等于90度时,扭矩为最大值;但,一旦位移角从90度上下偏离,转矩都会减小。

然而,使用单个柔性翼(没有中心刚性支柱并且没有平衡线缆)可能在支撑件处的机器(即,电动发电机)中的轴承上产生显著的弯曲应力,并且由于最小的翼半径R而导致低扭矩传递。将柔性翼的每一端附接到安装在每个支撑件上的相应电动发电机可以同步运动。然而,中度至重度寄生振动可能使这种结构变得脆弱。实际上,没有反平衡系统的单个柔性翼可能更像振荡器起作用,从而当R=0时沿线长度产生不期望的收缩和延伸波,并且如果连接到轴外(即R>0),则产生过大的张力和弯矩。

使用单个转绳形柔性翼的流体发电系统

参见图1A和1B,将转绳形弧形柔性翼20与平衡系统(例如张紧式平衡线缆14)组合起来可提供用于从流动流体收获,即产生能量的特别有用的系统10。在一些实施例中,实施的流体发电系统10可以布置在被间隔开距离L的第一细长支撑件11和第二细长支撑件13之间并由其支撑。可以将支撑件之间的距离L估计为最大翼半径Rmax的函数。通常,最大翼半径的约2和约10倍之间的距离L是合适的。尽管距离大于最大翼半径的大约10倍是可能的,但它们可能导致较高的张力负载,这将需要细长支撑件11、13的额外的结构和尺寸特征。

细长支撑件11、13被设计成基本上垂直并且刚度足以抵抗平衡线缆14的张紧负载以及在柔性翼20由流动液体驱动的同时所产生的张紧和弯曲负载,而不会有朝向柔性翼的有害偏转。可以选择细长支撑件11、13的高度以当柔性翼20以最大翼半径Rmax旋转时,为柔性翼20提供足够的离地间隙,其由国家和地方的法规(例如,在农业环境中位于地面之上约6米)规定。例如,在一个实施例中,细长支撑件11、13中的每一个可以为约10至12米高,最大翼半径Rmax为约5至6米,留下离地间隙为约5至6米。对于12米高的支撑件11、13和6米的最大翼半径,可以设想约48至50米的支撑件之间的距离。较高的支撑件11、13增加了构造成本,因为支撑件构造按照最大翼半径的立方Rmax3来衡量,而不是关于其他构造部分那样按照最大翼半径的平方Rmax2来衡量。

每条平衡线缆14和柔性翼20的相应近端可以可释放地附接到可布置在第一支撑件11处的第一翼支撑件12,同时每条平衡线缆14和柔性翼20的相应远端可以可释放地附接到可布置在第二支撑件13处的第二翼支撑件15。例如,参考图1C,示出了将柔性翼20的一端可释放地附接到第一翼支撑件12的方法的说明性实施例。如将在下面更详细地讨论的那样,第二张紧线缆24和第三张紧线缆26向内沿柔性翼20的整个长度延伸。在一些变型中,优选地朝向柔性翼20的前缘31布置的第三线缆26可以例如通过将第三线缆26的各股线穿过通过杆17的远端形成的孔61、通过围绕杆17的远端滚动线缆股的自由行进端几次和通过将线缆股的一些自由行进端在已滚动匝之间卷曲,来可释放地附接到杆17的远端。在一些变型中,杆17可以是由金属、合金等制成的实体或中空圆柱体,其例如通过焊接固定地附接到第一翼支撑件12并由其支撑。在一个实施例中,杆17的一部分63可以被切掉以提供用于接纳第一翼支撑件12的凹陷区域。靠近形成柔性翼20的每个翼型型材30的重心38布置的第二线缆24可以例如通过将第二线缆24穿过形成在第一翼支撑件12中的开口和通过杆17形成的孔62和通过将保持螺母18附接到线缆24的端部,来可释放地附接到杆17。在一些变型中,在第一翼支撑件12的另一端处,平衡线缆14可以例如通过将第二线缆24穿过形成在第一翼支撑件12中的另一个开口和通过将保持螺母18附接到线缆24的端部,来以与第二线缆24类似的方式可释放地附接到第一翼支撑件12。通过这种布置,在操作期间,线缆26、24可以将力传递到杆17,而杆17向第一翼支撑件12施加一力矩,从而使第一翼支撑件12旋转。每个平衡线缆14和柔性翼20的相应远端可以类似地附接到第二翼支撑件15。

在第一支撑件11处,第一翼支撑件12可以可移除地附接并且可操作地联接到机器70(图7A),例如电动发电机(诸如同步永久磁铁(PM)电动机轮),并且在某些情况下联接到与机器70相关联的齿轮箱。基于可用的风,具有齿轮箱的电动发电机70可以被调试到固定频率。有利地,利用这种齿轮箱,可以固定柔性翼20的旋转速度,这可以降低成本并简化整体构造。下面将更详细地描述机器70的结构和功能。在第二支撑件13处,第二翼支撑件15可以可移除地附接并且可操作地联接到轴承总成80(图1D)。可选地,两个翼支撑件12、15都可以可移除地附接并且可操作地联接到相应的机器70。单个异步机器70可以被设计成以固定频率并且没有逆变器地操作,从而使得用户能够将机器70直接联接到电网。然而,如果使用一对机器70,则机器70可能必须是同步的,例如,以便解决机器70可能拉动无功功率通过转子的情况,并且还可能需要更复杂的功率调节电子器件,从而增加成本。

参考图1D,示出了将第二翼支撑件15可释放地附接到轴承总成80的方法的说明性实施例。在一些实施例中,在第二翼支撑件15的重心处,第一部分82可以例如使用螺母和螺栓84可释放地附接到第二翼支撑件15。可旋转轴81可以被布置在第一部分82和第二部分83之间。在第一部分82和第二部分83之一处,可旋转轴81由一个轴承(例如在一个道中的一系列球轴承)支撑。在第一部分82和第二部分83的另一个处,固定地附接可旋转轴81。结果,柔性翼20的旋转可能导致可旋转轴81在轴承内旋转,而不会将扭矩从第一部分82传递到第二部分83。为了将第二部分83附接到第二支撑件13,可以将不可旋转轴85固定地附接到第二部分83。

张紧式平衡线缆14可以由钢丝绳、超高分子量聚乙烯纤维、钢、芳族聚酰胺纤维、液晶聚合物纤维等制成,并且可以用大约等于操作柔性翼20的已估计张力的张力来预先张紧。已估计张力强度可以介于离心力的约0.5和2倍之间的范围内,这取决于支撑件11、13之间的长度L。通过适当的材料选择,可以自动地满足该要求,同时要注意的是,当柔性翼20旋转时,翼20试图拉近内半径。这增加了平衡线缆14的张力,该张力拉回在柔性翼20上。随着柔性翼20(和平衡线缆14)的转速增加,离心力和张力也增加。共振频率也可能升高,使得其超过主系统频率。因为张紧式翼共振保持在主运动频率之上,所以这样可以最大限度地减少不必要的共振。

在一些实施方式中,将可由硬化铝合金、碳纤维复合材料、高强度钢等制成的一个或多个刚性支柱16或杆连接到柔性翼20和平衡线缆14可能是有利的。实际上,将刚性支柱16连接到柔性翼20和平衡线缆14,尤其是防止了柔性翼20转动时的损坏。例如,在柔性翼20经受相对转动(扭转)的操作条件期间,刚性支柱16经历压缩,从而使得系统10面对扭转更坚固,更具体地说,防止了柔性翼20转动超过支柱16的位置。此外,例如在两个相对的翼支撑件12、15之间的中间点处将刚性支柱16连接到柔性翼20和平衡线缆14,确保了所传递的转矩在180度角位移而不是90度位移之后开始减小。

利用所安装的刚性支柱16,使用平衡线缆16和具有约15米的最大翼半径Rmax的柔性翼20,并且假定最小翼半径Rmin等于Rmax的一半,则可能以小于90度的位移角将全功率扭矩从涡轮机系统10的一侧传递到另一侧。这有效地意味着从柔性翼20到电动发电机70的分布式扭矩传递将需要较小的角位移。

本领域普通技术人员可以理解增加附加支柱16的益处和成本。第一支柱16增加了对系统10的最显著的改进,而每个附加支柱16增加了额外的改进,但改进的显著性随着每个附加支柱16而减小。不利的是,支柱16还增加了气动阻力、重量和成本。

图IE示出了将刚性支柱16附接到平衡线缆14的示例性方法的细节。如图所示,尽管当使用多于一个支柱16时,多个支柱可以以小于约90度的角度连接到平衡线缆14,但刚性支柱16和平衡线缆14可以是基本上彼此垂直的。虽然有许多方法将刚性支柱16连接到线缆14,但在一些实施方式中,平衡线缆14可以布置成穿过形成在刚性支柱16中的开口19。在刚性支柱16内部,即在开口19内的集成夹具可用于固定平衡线缆14。

图IF示出了将刚性支柱16附接到柔性翼20的示例性方法的细节。在一些实施例中,可以通过刚性支柱16的端部的中心形成通道51,从而形成两个相对的支柱端部分52、53。在一些变型中,可以选择通道51的宽度以例如紧密地配合在翼型型材30的宽度周围。孔54可以形成在每个支柱端部52、53中,而孔55也可以形成在在空气动力学中心39处的翼型型材30中。在一些实施方式中,可以通过孔54、55插入紧固装置,例如螺栓、铆钉等。仅为了说明的目的,图IF示出了螺母57和螺栓56组合紧固装置。

参见图2A和2B,示出了用于捕获和通过流动流体并围绕大致水平轴旋转的柔性张紧式转绳形翼20。当前柔性翼20超越现有技术系统的优点包括其柔性和张紧以及对系统10中的居中布置的转子构件的需要的消除。张紧式柔性翼20可以被构造和布置成在经受流体加载时具有弧形,并且可以包括由柔性膜25覆盖的多个翼型型材30(图3)。在一些实施方式中,翼型型材30可以例如使用胶水、铆钉、焊接等方式固定地附接到膜25上。在一些实施例中,型材30由木材、塑料、树脂、复合材料、碳材料和成形金属片制成。在一些变型中,翼型型材30可以具有均匀的尺寸或者以不同的增量尺寸(例如在相邻翼型型材30的至少一个维度上更小)制造。在一些实施例中,膜由柔性织物、画布、碳纤维、帆布、对位芳族聚酰胺合成纤维、高模量聚乙烯、超高分子量聚乙烯、热塑性聚乙烯、米纸、薄纸、PTFE和液晶聚合物制成。

在一些变型中,翼型型材30可以在柔性翼20的整个长度上具有基本相同的尺寸,例如弦长、宽度、厚度等;然而,在其他变型中,一些翼型型材30(例如靠近中间点布置的翼型型材30)可以具有比其他翼型型材30(例如其中转子尖端速度(TSR)较低的靠近翼部支撑件12、15布置的翼型型材30)更小的尺寸。例如,可以使用以下等式来估计用于翼型型材30的达里厄型总弦长(TCR):

其中R是翼半径,而TSR是指转子尖端速度,即翼的线速度和风速之间的差。如果有两个柔性翼,则TCR将减半,而如果有三个翼,则TCR将被除以三(3),以此类推。

相邻翼型型材30之间的中心到中心距离可以是基本上相同的,也可以是变化的,例如,使得型材30更接近翼支撑件12、15,并且更远离柔性翼20的中间点。本领域普通技术人员可以理解,在设计中,可以选择中心到中心间隔相对于翼型型材30的数量和尺寸的任何数量的变化以实现基本上相同的结果。

参考图3,示出了翼型型材30的说明性实施例。每个翼型型材30可以包括前缘31、后缘33以及上部周边表面32和下部周边表面37。每个翼型型材30具有弦长、空气动力学中心39和重心38。有利地,可以穿过每个翼型型材30形成至少一个开口34、35、36。相应线缆28、26、24可以布置成穿过通过每个翼型型材30形成的相应开口34、35、36。这些开口的直径以及线缆28、26、24的直径可能经受设计要求(例如紧密的滑动配合)的限制。

例如,靠近每个翼型型材30的前缘31的第一开口34可以形成为接纳第一平衡配重线缆28,以便定向和平衡柔性翼20。在一些变型中,第一开口34和第一线缆28的直径可以分别大于其他开口35、36和线缆26、24的直径。平衡配重线缆28设计成不传递任何力;因此,它保持不张紧,而是有点松。第一线缆28的重量(因而其直径)可被选择为基本匹配翼型型材30的重量。在一些变型中,可能期望将第一开口34定位在翼型型材30上,使得翼型型材30的质心可以是距离前缘31的弦长的约42%的距离(按照经验法则),而不是距离前缘31的弦长的约25%的距离。更具体地,可能期望将第一开口34定位在翼型型材30上,使得翼型型材30的质心与翼型型材30的空气动力学中心39重合,其可以是介于距离前缘31的弦长的约20%至约30%之间的距离。作为对如上所述地布置平衡配重线缆28的替代方案,可以包括用半刚性板(例如,其在半径方向上容易弯曲,但沿着柔性翼20在切向方向上将负载传递到翼支撑件11、13)代替线缆28和/或在柔性翼20内布置翼型30和/或肋以将质心转移到所期望的位置(例如与空气动力学中心39重合)。后一替代方案可以在制造时例如通过型材30的注塑来完成。利用任一替代方案,平衡配重线缆28也可以用轻质高强度绳索代替。

第二开口36可以形成在翼型型材30的质心38处。第二开口36可以形成为接纳第二线缆24,以将扭矩传递到第一翼支撑件12。第三开口35也可以形成在与作为重心38(即第二开口36)的翼型型材30的空气动力学中心39基本相同的距离(即等距离)的位置处。第三开口35也可以形成为接纳第三线缆26,以便将扭矩传递到第一翼支撑件12。在一些实施例中,第三开口35可以优选地位于(例如优选配重)朝向每个翼型型材30的前缘31处。在一些变型中,优选位置可以处于更接近每个相应翼型型材30的前缘31的弦长的高至约百分之三(3)的范围内。在其他变型中,优选位置可以处于更接近每个相应翼型型材30的前缘31的弦长的1%至1.5%的范围内。

优选配重可以产生以下优点:柔性翼20可以弯曲并保持接近零(0)度迎角,并且空气动力学动量使柔性翼20绕该位置转动。通过将空气动力学动量与由型材30分开的两条线缆26、24中的张力平衡,可以进一步减少在实际上没有产生能量的达里厄转子轨迹的各部分中的寄生阻力。因此,利用这样的设计,可以实现迎角相对于转子速度的特别优化。

可以通过估计离心力和通过将最大张力设定为等于离心力与变量的乘积来近似第二线缆24和第三线缆26的直径。该变量可以是约1.2(如果支撑件之间的距离小于四(4)个最大翼半径)、约2(如果支撑件之间的距离小于八(8)个最大翼半径)或约2.4(如果支撑件之间的距离小于十(10)个最大翼半径)。

尽管已经按照用于传递扭矩的两条线缆26、24描述了该实施例,但本领域普通技术人员可以理解,转矩传递也可以使用单条线缆来实现。然而,使用可能包括更大的稳定性和平衡的两条线缆26、24的优点可能超过单条线缆实施例的优点。

虽然线缆28、26、24可以是钢丝,但如果需要较大的柔性翼20,为了减轻重量,线缆26和24可以由例如轻质超高重量聚乙烯纤维制造,而只有前部线缆28可以由钢制成以用作镇流器。重要的是要注意,当在其他应用中使用刚性叶片时,在不增加镇流器的情况下在不同的操作条件下实现稳定的翼性能是有问题的。实际上,例如使用正面线缆28不需要平衡翼20,系统10可能会遭受并倾向于以与抵抗其运动相反的方式来增加迎角。

在图4A和图4B中示出了翼型型材40的替代实施例。每个替代的翼型型材40包括前缘41、后缘43以及上部周边表面42和下部周边表面47。而翼型型材30的第一实施例(图3)可以包括用于对应的多条线缆28、26、24的多个开口34、35、36,替代的翼型型材40可以具有可以布置在前缘41处的单个开口44。这样的替代方案可能更难以平衡,因为将膜25中的张力与单条线缆(每条线缆可以由不同的材料制成)的张力平衡是一项困难的任务。此外,这种替代实施例可以导致较轻的结构,这不一定是有益的。例如,如果柔性翼20的质量太轻,则风可能使柔性翼20来回晃动,使得其不顺应用于提取功率的最佳轨迹。例如,按照经验法则,柔性翼20的最小重量可以为约0.13R2(以翼的每米千克计)。

为了进一步减轻柔性翼40的重量,每个替代翼型型材40可以构造和布置成类似于桁架(图4B),其中有承载构件45以及切口部分46。本领域普通技术人员可以理解,翼型型材30也可以使用桁架构思来设计。再次,这样的实施例可以得到更轻的结构,因此,如果柔性翼20的质量太轻,则风可能使柔性翼20来回晃动,使得其不顺应用于提取功率的最佳轨迹。

多翼发电系统

具有平衡线缆14的单个柔性翼系统10的一些优点包括其可以完全停止并且翼的质量大于系统10结构的其余部分的质量。有利地,当完全停止并且不操作时,单个柔性翼系统10可以承受例如70米/秒的明显的阵风,而包括相似材料的其他结构不能。对于明显的阵风不是或很少是关注点的地方和/或优选条件可以包括对称外观、较少振动和/或较少扭矩波动的地方,可以添加一个或多个附加的柔性翼。有利地,第二柔性翼可以代替平衡线缆14。

参考图5A和5B,示出了双翼系统50的说明性实施例。具有两个相对的柔性翼20a、20b的这种系统50可以形成对称且基本平衡的结构。虽然三翼系统可以提供比双翼版50更平稳的运动和更好的平衡,但这种优点和优点以增加结构复杂性和成本为代价。根据设计目标,多翼系统50的刚性支柱16a-16c(每一个都增加空气动力学阻力)的数量可以多于一个。尽管如此,在支撑件11、13之间具有等间距(L/4)的三个刚性支柱16a-16c提供了高能效的系统50。然而,设计师可能选择允许一些弯曲(几个支柱)来实现更平滑的翼运动和更少的扭矩振荡。与水平轴叶片系统相比,多翼系统50可以将扫掠面积增加3至4倍,从而提供更多的功率并且有利于在将不在螺旋桨驱动式风力涡轮机的操作范围之外的风速下操作。

多翼系统50的柔性翼20a、20b的设计和结构以及柔性翼20a、20b和刚性支柱16a-16c之间的连接的设计和结构以及在柔性翼20a、20b和翼支撑件12、15之间的连接的设计和结构可以基本上类似于先前结合柔性翼和平衡线缆实施例10所述的那些。两个系统10、50之间的主要区别可以是刚性支柱16的数量。

在另一个实施例中,参考图8A至8C,示出了具有两对半翼20c、20d和20e、20f的发电系统90,其远端附接到横支柱23(例如T形横支柱)并且其在长度中间(L/2)处倾斜90度。横支柱23并且使两对半翼20c、20d和20e、20f倾斜减小了支撑件11、13处的振动和弯曲力矩,因为对于每个转动,扭转力都分布得更好,从而减小了转矩波动。虽然描述了90度的倾斜角,但本领域普通技术人员可以理解,在其他实施方式中,系统90可以包括多于两对的半翼,其中横支柱被构造和布置成以适当的倾斜角附接到每一对中的每个柔性翼的远端。

在一些变型中,多个半翼20c、20d、20e、20f中的每一个的第三线缆26可以例如通过将第三线缆26的各缆股穿过通过相应杆的远端形成的孔、通过围绕相应杆的远端滚动线缆股的自由行进端几次和通过将线缆股的一些自由行进端在已滚动匝之间卷曲,来可释放地附接到构成横支杆23的杆之一的远端。布置在形成每个半翼20c、20d、20e、20f的每个翼型型材30的重心38处的第二线缆24可以例如通过将第二线缆24穿过通过横支柱23的相应杆形成的孔62和将固定螺母18附接到线缆24的端部,来可释放地附接到横支杆23的相应的杆上。

操作

现在描述图1A的柔性翼和平衡线缆系统10和图5A双翼系统的操作以及利用系统10、50发电的方法。示例性的混合发电系统60示出了两个系统10、50的主要结构元件,并且在本说明书中将被引用。

回想一下,具体系统60的每个柔性翼20由第一支撑件11和第二支撑件13支撑在远端和近端,并且每个翼20可以包括多条(例如三(3)条)线缆28、26、24,其中之一的非张紧式线缆28可以布置用于平衡轻质结构的目的,并且至少一条张紧式线缆26、24可以用于实际地将力传递到机器70。在一些变型中,第二线缆24可以布置在每个翼型型材30的重心39附近,其向柔性翼20提供结构和承载能力。当使用两条线缆26、24时,它们的中间点可以靠近每个翼型型材30的空气动力学中心39。然而,线缆26和每个翼型型材30的空气动力学中心39之间的距离可以优选朝向翼型型材30的前端31配重。

膜25可以固定地附接到每个翼型型材30以形成柔性翼20。有利地,线缆26、24的一部分还可以预张紧膜25,使得膜25能够特别是在没有翼型型材30的位置上保持空气动力学形状。柔性翼20的一些重要特性可以包括径向柔性(即当联接到机器70时)和更大的刚性(当切向弯曲时)。

在一些实施例中,在第一步骤中,该方法包括提供能够在第一支撑件11上用作电动机和发电机的机器70。在一些实施方式中,在下一步骤中,布置在柔性翼(20)内的每条张紧式线缆26、24的远端可以可释放地附接到第一翼支撑件12,而布置在柔性翼20内的每条张紧式线缆26、24的近端可以可释放地附接到第二翼支撑件15。线缆26、24的相应端部到翼支撑件12、15的附接已经在前面讨论过,因此将不再进一步讨论。类似地,已经详细讨论了第二翼支撑件12到在第二支撑件13处的轴承总成80的附接。

关于将第一翼支撑件12附接到机器70,图7A和7B示出了用于将第一翼支撑件12可操作地联接到同步PM电动机轮或机器70的说明性实施例。本领域的普通技术人员可以理解,选择同步的PM电动机轮作为机器70仅用于说明的目的,本发明不应被解释为限于此。实际上,可以使用其他电动发电机类型,并且都在本发明的范围内。

同步PM电动机轮(机器70)是同步电动机,其使用由多个永磁体(例如布置在由支撑物72保持的环形环79上)产生的磁场。可以例如在电枢71和转子臂78之间提供滑环75,用于调节阻力以允许转子78与绕组自由旋转,并使旋转绕组与固定电力线缆73脱开。可以提供电力线缆73以将感应电能传送到负载、电网和/或电力存储装置。机器70的运转可以容纳在由许多支撑物72支撑的环形环79中并由其支撑。

上述转子臂78可以例如经由位于翼支撑件12的重心处和/或在线缆端部的附接点之间的中间点处的开口,使用紧固装置77(例如螺栓)而可拆卸地附接到第一翼支撑件12。在一些实施例中,转子臂78例如经由滑环75联接到电枢71,使得当转子臂78被旋转的第一翼支撑件12旋转时,电枢71不旋转。由多个永磁体产生的变化的磁场引起电流,从而发电。

在下一步骤中,柔性翼20可以暴露于流动流体以驱动机器70。在一些变型中,当翼20旋转时,该方法可以包括例如通过在柔性翼20中的每个翼型型材30的前缘31附近通过孔34布置平衡线缆28和例如使用布置成通过在每个翼型型材30中的相应孔35、36的线缆26、24将扭矩传递到机器,来定向和/或平衡柔性翼20。布置在柔性翼20之间的至少一个刚性支柱16支撑柔性翼并使系统稳定。在低环境流动条件下,机器70可以作为电动机短暂地操作,以使系统60达到最小转速,此后使翼20被充分弯曲和加载,旋转由环境流量维持,并且机器70可以被切换为作为发电机操作。

物理与设计参数

具有柔性翼和平衡线缆的系统可以类似于连接两个轮的单条线。如前所述,单条张拉线的扭矩传递可以近似为(H/L)*R2*sin(α)。在这种近似中,在某些固定操作条件下,水平张力(H)可以被认为是恒定的,这一点例如由于线缆伸长率和不同的负载而并不总是如此。然而,在小位移角(例如小于或等于约30度)下,该假设更为正确,因为H对于所选择的角速度、风速和转子位置几乎是恒定的,并且主要由预紧力和/或离心力控制。为了估计所需要的强度,使用在翼垂直于风流时出现的最大力可能是有用的。

通过将刚性支柱连接到柔性翼和平衡线缆的跨距中心,从一侧向另一侧的所传递扭矩可以通过以下等式近似:

扭矩=H/L*R2*sin(α/2)。

达里厄叶片可以在叶片速度至少为转子尖端速度的2.5倍的半径范围内运行良好。然而,可能会以极大的迎角产生高阻力,该迎角可以使用以下公式来估计:

其中λ是尖端速度比。因此,在极端情况下,即当度时,迎角可以等于arctan[1/λ]。

对于柔性翼,最大翼半径Rmax可以以尖端速度比的4.5至5倍运行,而最小翼半径Rmin等于约Rmax/2。尽管在某些应用中,Rmin可以小于约Rmax/2,例如Rmin可以代之以等于Rmax/3,因为柔性翼不产生任何功率,仅仅是阻力,直到达到至少Rmin为止。固定Rmin=Rmax/2可能是保守的。

柔性翼的设计长度可能受到扫掠面积、转矩传递以及张力与离心力之比的影响。例如,可能期望假设比离心力大约1.2倍的张力。使用关于张力大于离心力1.2倍的这种关系,设计长度(L)可以使用以下公式估计:

L=10*(Rmax-Rmin)=10*(Rmax-Rmax/2)=5*Rmax,

其提供了用于线缆的良好材料,而且具有相对较小的扫掠面积。在高端(例如,其中张力可能是离心力的约2.4倍(例如由于轻质叶片)),设计长度(L)可以使用以下等式估计:

L=20*(Rmax-Rmin)=20*(Rmax-Rmax/2)=10*Rmax。

如果张力约为离心力的2倍,则设计长度(L)可以使用以下公式估计:

L=16*(Rmax-Rmin)=16*(Rmax-Rmax/2)=8*Rmax。

假设L/Rmax=8,即张力等于离心力的两倍,转矩传递公式为:

转矩传递=H*Rmax*sin(α/2)/8(具有中心刚性支柱)或

转矩传递=H*Rmax*sin(α/2)/32(无中心刚性支柱)。

使用小角度逼近法简化等式,即sin(α/2)近似等于α/2(以弧度为单位),可以得出结论:对于相同位移角,添加一个中心刚性支柱将转矩传递能力增加四倍。因此,通过添加单个刚性支柱,系统可能变得更有效。添加的刚性支柱(超过一个)增加了重量、成本和空气动力学阻力,而使扭矩传递稍微更有效率。

为了估计可以经由这种系统传递的功率的大小,离心力(Fc)可以使用以下等式来估计:

Fc=5/6*m*ω2*Rmax,

其中ω是旋转速度(弧度/秒),m是质量(以kg为单位)。当Rmin=Rmax/2时,常数5/6对应于质心偏移的抛物线近似。因此,可以使用以下等式来计算张力(H):

H=2*Fc=5/3*m*ω2*Rmax。

因此,传递功率(P)可以使用以下等式来估计:

P1≥ω*H*Rmax*sin(α/2)/8=5/24*m*ω3*Rmax2*sin(α/2)。

旋转速度ω的限制可以根据λ(即尖端速度比)和外部风速v使用以下定义给出:

λ=ω*R/v。

对于达里厄型涡轮机,单翼的最佳转子实度比(即弦长与Rmax之比)之一约为0.21(例如,对于NACA-0012系列型材),并且最佳转速比(λ)处于4(最差情况)至5(最佳情况)的范围内。将最坏情况的尖端速度比率代入上述等式,ω=4*v/Rmax。将这个角速度代入上面的功率等式,得出:

P1≥[40/(3*Rmax)]*m*v3*sin(α/2),

对应于从一个翼支撑件传递到另一个翼支撑件的功率。如果功率来源于并均匀分布在双翼系统的每个翼上,则所产生的功率可以是该量的大约两倍,即2P1。

假设柔性翼的路径的形状可以用抛物线近似,则可以使用以下等式来计算扫掠面积:

扫掠面积=2/3*L*(2*Rmax+Rmin)。

对于Rmin=Rmax/2和L=8*Rmax,

扫掠面积=40/3*Rmax2。

涡轮机提取的最大功率可以使用以下等式来估计:

P2=1.225*0.5*0.4*v3*(40/3*Rmax2),

其中v是风速,1.225是海平面上的空气密度,0.4是效率系数,而0.5是从动能关系导出的系数。使得2P1等于P2,即

2*[40/(3*Rmax)]*m*v3*sin(α/2)=1.225*0.5*0.4*v3*(40/3*Rmax2)或2*m*sin(α/2)=1.225*0.5*0.4*Rmax3,

其表明在给定的位移角(α)下,传递的功率可能取决于所选择的半径和质量,而不是取决于风速(v)。特别是在多叶片构型中,这允许设计者选择位移角(α)以确保稳定性并产生平滑的扭矩,例如,如像Gorlov的涡轮机和安静的旋转涡轮机可能的那样,而不必为特定的风设计速度。

因此,传递关于给定的位移角的扭矩所需的最小质量可以通过以下通式来确定:

m=0.1225*Rmax3/sin(α/2)。

回想一下,为了保持离心力高于空气动力,每单位翼长度的质量等于0.13*Rmax2。因此,对于8*Rmax的翼长度:

m=(8*Rmax)*0.13*Rmax2=1.04*Rmax3。

设这两个等式彼此相等并求解位移角(α),则α大约等于13.5度。

因此,对于6米的最大翼半径,柔性翼的质量可能重约225公斤,而长度可能是大约48米,这可能在4米/秒(m/s)的风速下产生大约16kN的张力,并且在约10米/秒的风速下产生大约100kN,这当然是在假设了尖端速度比保持不变的情况下。

利用柔性翼和平衡线缆组合,例如因为平衡线缆将抵抗张紧,所以在支撑件处产生的张力可能会增加一倍。然而,允许位移角增加会允许质量减少,因而减小张力。对于设计师来说,常见的陷阱是空气动力平衡和阵风。例如,柔性翼必须保持其轨迹逆着阵风,这可能对可能的质量减少施加一些限制。每单位翼长度为0.13*Rmax2的质量限制仅在标称速度下而不是在阵风下保持翼轨迹。

图9中提供了选择设计参数和示例性值或范围的表格。

与达里厄型立轴风力涡轮机和螺旋桨式水平轴风力涡轮机的对比

根据材料成本,本文所述的系统可以显著优于先前已知的达里厄型立轴风力涡轮机。众所周知,螺旋桨式设计,特别是对于大扫掠面积,可能优于立轴风力涡轮机。一些例外是某些商用设备,其具体性能需要从例如在城市地区的屋顶上的各个方向捕获风。

使用相同的假设,即Rmin=Rmax/2和L=8*Rmax,扫描面积可以是大约13.3*Rmax2。因此,具有等效扫掠面积的螺旋桨式涡轮机可能需要等于13.3/π的平方根的半径。因此,螺旋桨的可比半径可以是柔性翼的大约两倍那么大,或者相同的半径可能需要四个螺旋桨而不是单个柔性翼。

因为这些螺旋桨在其旋转的周边,而不是在支撑件顶部的中心线处,捕获其能量的大部分,所以螺旋桨可以被移动得更高,因此支撑件必须更高。如果我们比较在12米的支撑件上的6米Rmax半径的这种设计,为了关于在两个支撑件上的两个螺旋桨获得等效结果,它们的半径应该为8.5米左右。此外,支撑件的高度可以在约15米(为了在农业环境中提供6米的间隙)和约18米(为了保持开始风能收集的9米间隔)之间的范围内。在单个螺旋桨叶片的情况下,叶片长度可能需要长约12米,并且支撑件高度可以在约18和21米之间的范围内,以保持可接受的间隙和效率。

支撑件的构造可以缩放成更接近其高度的平方和转子半径的立方体。因此,较高的支撑件要求可能会将支撑件成本提高1.3至1.8倍,这也取决于记录的风的概况。例如,在示例性风在地面上方10米处比在地面上方20米处慢相当多的地形(例如具有高表面粗糙度的地形)中,螺旋桨和较高支撑件的较大高度可能更有利。

螺旋桨叶片很复杂,因为它们应该具有抵抗弯曲和弯曲的刚性细长结构。具有12米叶片的实际3叶片螺旋桨可能具有约为7的尖端速度比。例如使用先进的复合材料,单个叶片的重量可以为约750kg。因此,整个转子的总重量约为2.2公(或长)吨。与225kg的柔性翼的重量和成本相比,后者的重量可以忽略不计。此外,支撑件设计和转子的设计必须考虑到更显著的叶片重量。根据本发明的柔性翼也可以卷成紧凑的结构,便于运输和安装。这显然不是对于需要一体式结构或者在某些情况下需要多链接式部件从而增加重量和成本的刚性螺旋桨和其他刚性翼的情况。

本申请所使用的术语和表达用作描述的术语和表达而不是用作限制本申请,并且在使用这些术语和表达方式时没有意图排除所示出和描述的特征的任何等同物或其部分。此外,已经描述了本发明的某些实施例,然而对于本领域普通技术人员显而易见的是,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,可以使用并入了本申请所公开的构思的其他实施例。各种实施例的特征和功能可以以各种组合和排列来布置,并且全部被认为是在所公开的发明的范围内。因此,所描述的实施例将在所有方面被认为仅仅是说明性的而不是限制性的。此外,本申请所述的构型、材料和尺寸旨在作为说明性的而不是限制性的。同样,虽然为了解释的目的提供了物理解释,但并不意图被任何特定的理论或机制所约束,也并不意图根据其限制权利要求。

 
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