CN101198789A - 风能动力转换系统 - Google Patents

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Abstract

一种风能动力转换系统包括：大致螺旋状结构，该螺旋状结构包括至少一部分盘旋槽；和至少一个能量转换器，该能量转换器至少部分地位于所述一部分盘旋槽中。在其它的实施例中，由相邻的带材所形成的风槽承载着一些能量转换器，所述带材互相相对地固定，所述能量转换器可相对于这些固定带材运动。

Description

风能动力转换系统
优先权声明
本申请要求2005年6月3日提交的名称为“风能转换设备”、申请号为60/687,622的美国临时专利申请的优先权。专利申请60/687,622全文结合于此作为参照。
背景技术
本发明涉及用于收集风能的装置。与其它形式的能源收集方式相比，利用收集的风能产生动力是一种吸引人的能源替代方式。例如，通过燃烧化石燃料来收集能源使有限的自然资源被耗尽，且产生污染。而相反，风能是可再生能源，而且收集风能产生的污染最小。
发明内容
一种风能动力转换系统(wind harnessing system)包括：大致螺旋状结构，该螺旋状结构包括至少一部分盘旋槽；和至少一个能量转换器，该能量转换器至少部分地位于所述一部分盘旋槽中。在其它的实施例中，由相邻的带材所形成的风槽承载着一些能量转换器，所述带材互相相对地固定，所述能量转换器可相对于这些固定带材运动。
附图说明
图1示出了从迎风侧看的本发明的风能动力转换系统。
图2示出了从背风侧看的图1所示风能动力转换系统。
图3是一示意图，它示出了风流经图1和图2的风能动力转换系统的一部分盘旋槽的风速分布图。
图4是用于本发明的风能动力转换系统的控制系统的高度示意框图。
图5是示出了如下状态的仰视立体图：能量转换器被安装在风能动力转换系统一个实施例中的螺旋结构一部分上。
图6是风能动力转换系统另一个实施例的视图。
图7是风能动力转换系统的再一个实施例的基本为螺旋状结构的俯视图。
图8是图7所示的风能动力转换系统实施例的一部分的侧视图。
具体实施方式
出于说明的目的，“发明”和“发明的”是指在所附权利要求的最终形式(即在通过实质审查之后)中所提到的技术特征组合所限定的法律意义上的发明，而不包括添加附加技术特征。相反，“实施例”指的是该法律意义上的发明具体实例，比如在附图中所示出的以及在说明书中所描述的。
如图1和2所示，本发明的风能动力转换系统100的一个实施例包括螺旋状结构110以及由相邻的螺纹119和121所形成的盘旋槽120，螺纹119和121绕螺旋状结构110的中心芯体320盘旋，并且较佳地互相之间相对固定。尽管根据所需的应用场合有可能有任意数量的绕中心芯体320的完整或部分的旋体(revolution)，在所示的具体实施例中，盘旋槽120围绕中心芯体320的纵轴线140延伸出大约12个旋体。此外，盘旋槽120不需要绕螺旋状结构的中心芯体320形成完整的旋体。换句话说，部分的旋体也是可以使用的。
风能动力转换系统的螺旋状结构可由任何建造材料和/或工艺制造。一个非限定的实例是具有盖层组件的框架。盖层组件可由例如玻璃纤维、铝、织物、帆布、纸张、塑料、聚合体或它们的组合构成。可以使用各种建造方法，例如多个可以在现场安装以获得所需的旋体数量的单体结构，或者将螺旋翅片结构附连到圆柱筒体上。在制造螺旋状结构时所使用的具体材料和方法依据所采用的建造应用场合。
螺旋状结构的整体尺寸和形状要依据具体的应用场合。在一个实施例中，采用高度h大约为130英尺、直径d大约为30英尺、节距p大约为11英尺的螺旋状结构110。显然，根据应用场合，螺旋状结构110可具有不同的高度h、直径d和节距p。此外，在没有被示出的其它实施例中，基本为螺旋状结构的直径不需要在整个结构上都是恒定的。例如，风能动力转换系统的一些实施例可包括具有锥形轮廓的大致螺旋状结构。
如图1和2进一步示出的，一些能量转换器130至少部分地位于螺旋状结构110的盘旋槽120中。能量转换器130可为用于将风能转换为电能的任何装置。在所示的实施例中，能量转换器130是具有叶片的涡轮，其螺旋桨直径为大约6至10英尺。风能动力转换系统的替换实施例可包括一个或多个尺寸更大或更小的能量转换器，这要根据所需的应用场合来决定。
如图2所示风能动力转换系统100包括挡板135，这些挡板至少部分地位于螺旋状结构110的盘旋槽120中。挡板135至少部分地抑制风沿着盘旋槽120向上流动。抑制风向上流经螺旋状结构110的盘旋槽120防止位于较低处的挡板之上的能量转换器周围的风的风速降低。没有挡板135的实施例以及包括一个或多个挡板135的实施例都是可以构想的。在某些实施例中，挡板135还可用于帮助将能量转换器130引导到主流风中。
如图1和2所示，该实施例的风能动力转换系统100还包括可选的、用于支承螺旋状结构110的基座170以及可选的、用于覆盖螺旋状结构110的顶部180。对本领域的技术人员显而易见的是，不需要顶部180是任何特定的形状或形式，或者甚至不是必须有的。所示的风能动力转换系统100的实施例包括具有高度h1和直径d1的基座170。在一个应用场合，可使用高度h1大约为30英尺且直径d1大约为25英尺的基座170。根据应用场合，基座170可以具有不同的高度h1和直径d1。基座170不必将螺旋状结构110定位在任何特定的高度上，或者甚至不必是一抬高的基座，因为螺旋状结构110可从地面高度开始。
表示螺旋状结构110附近的风速分布图的一个实例的图3显示，螺旋状结构110的形状使在该结构附近流动的风的风速放大或增加。这样，风以流速v1流向螺旋状结构110，然后在螺旋状结构110的中心芯体320周围以速度v2发散开。(虽然图中只示出一侧的风速，但风是在螺旋状结构110的两侧流过。)当风流过螺旋状结构110时，在最接近中心芯体320的区域处的流速v2大于流速v1。在此情况下，流速v2大约为流速v1的1.8倍。然而，在螺旋状结构110的顶部或脊部330附近的流速v3大约等于流速v1。在中心芯体320和脊部330之间的区域中的风的流速的平均值在流速v1和流速v2之间。这样，螺旋状结构110附近的风速可高达大约1.8v1。与能量转换器位于盘旋槽外侧相比，至少部分地位于盘旋槽的一部分中的能量转换器将承受更高的风速。
通过将能量转换器至少部分地定位在螺旋状结构的盘旋槽中，风能动力转换系统可利用这一增加的风速。既然风动力的转化与风速的立方相关，风速增加两倍导致能量输出增加八倍。这样，通过能量转换器的风速的递增可产生将更多的风能转化为动力的系统。
较佳地，能量转换器130被定位成面向主流风。下面讨论两种方法：旋转螺旋状结构110和旋转能量转换器130。在风能动力转换系统(未示出)的一个实施例中，可将螺旋状结构可旋转地安装在基座上，从而使螺旋状结构可至少部分地旋转。例如，该结构可以靠在转子(未示出)上，该转子被用来绕螺旋状结构的纵轴线将该结构旋转到所期望的位置，从而使能量转换器面对着风。该旋转可由一外部运动源提供动力，比如电机或者风(“可自由旋转”)。
通过使用允许螺旋状结构在基座上进行低摩擦旋转的任何一种安装系统可以得到自由旋转的效果。至少一个如上所述的挡板可至少部分地位于螺旋状结构的盘旋槽中。如图2所示，挡板135较佳地位于能量转换器130的下游(即背风侧)，由此，除了阻挡风沿着盘旋槽120向上流动以外，这些挡板还可作为翼板，以将固定的能量转换器130定位到风中(即面向风)。可选择地，自由旋转螺旋状结构可设置有速度调整装置，以防止偶然发生的阵风将系统旋转得过快。在另外的实施例中，螺旋状结构可以不旋转的方式固定于基座，能量转换器可以可动地安装，以面对风。
需要将能量转换器130至少部分地安装在螺旋状结构110的盘旋槽120中。如以上所说明的，这一位置使能量转换器130可以利用由螺旋状结构110的形状所提供的加大的风速。图5示出了本发明的风能动力转换系统的另一个实施例，其中能量转换器130安装在螺旋状结构110的螺纹540下侧的导轨510上，或从该导轨得到支承。在另外的实施例中(未示出)，能量转换器130可安装在位于能量转换器130之下的螺旋状结构110的螺纹540上，或从该螺纹得到支承，或者，能量转换器130安装在螺旋状结构110的中心芯体320上，或从该中心芯体得到支承。在还有一些实施例中，能量转换器130可安装在多个位置上，比如在能量转换器130上方的螺纹上以及在能量转换器130下方的螺纹上都安装有能量转换器130。可以任意的方式安装能量转换器130，只要能将它们至少部分地安装在螺旋状结构110的盘旋槽120中即可。
在图5所示的实施例中，能量转换器130由安装臂131承载，安装臂131可动地安装在沿盘旋槽的螺纹540的下侧延伸的单轨或导轨510上。驱动机构(未示出)使能量转换器沿导轨510运动，用以将这些能量转换器定位在风中而不必旋转螺旋状结构110。
在所示的具体实施例中，能量转换器130安装在安装臂131上，从而使它们总是面对导轨510的切线方向。通过这样的布置，能量转换器130将直接面对从垂直于螺旋状结构的半径方向而来的风，所述半径与上述切线相交。在另外的实施例中，可将能量转换器安装成绕安装臂131旋转，从而可仅仅通过这一旋转来将能量转换器移动到直接面对风的位置，也就是说，不需要旋转螺旋状结构110，也不需要沿导轨510移动这些能量转换器。还可将挡板(未示出)可动地安装在导轨510上。导轨510允许将挡板附连到驱动机构，从而使挡板随能量转换器130运动并且由此保持在能量转换器130的风的下游处。
能量转换器130和挡板可安装在小车上，该小车跨装在导轨510上并通过例如链条和居中的小车而机械互连在一起，使所有的能量转换器和挡板可以一起移动。可选择地，可将能量转换器连接成组，并以组为单位移动。还有，每个能量转换器130也可独自绕螺旋状结构110移动。
可使用各种不同的驱动机构来单独地或全体地移动能量转换器130和/或挡板135。例如，驱动机构可包括一个或多个电机驱动的小车、传动轮、或者任何可以使能量转换器130沿导轨510绕螺旋状结构110移动的装置。可选择的驱动系统可包括电气驱动或液压驱动系统。
在本发明的风能动力转换系统的再一个实施例中，可通过使能量转换器130和挡板135沿导轨510移动到螺旋状结构110的一端来将能量转换器130和挡板135从螺旋状结构110拆下。一旦它们到达螺旋状结构110的端部(较佳地为底部)，可将能量转换器130和挡板135从导轨510拆下以进行维修或替换。另一个实施例包括螺旋状结构中的检修门，用于使人可够到能量转换器和挡板。
图4示出了可用于沿导轨510定位能量转换器130和挡板135的控制系统400。风向传感器410感测主流风的方向。控制模块420接收来自风向传感器410的输入，并将合适的信号传送给驱动机构430。驱动机构43将能量转换器130和挡板135定位到主流风中。
图6示出了本发明的风能动力转换系统的再一个实施例。在这个实施例中，风能动力转换系统600包括具有塔式构造的基座670以及螺旋状结构610。螺旋状结构610具有带圆角螺纹640的盘旋槽620。能量转换器630和挡板(未示出)可动地安装在导轨615上，所述导轨615附连于螺旋状结构的中心芯体617，位于限定了盘旋槽620的螺纹619和621之间的中间位置。
图7和8示出了本发明的风能动力转换系统700的又一个实施例，其中螺旋状结构710的中心芯体706具有泪滴形结构(图7)，由此该结构的背风侧中形成挡板部分735。在所示的具体实施例中，挡板735从螺旋状结构710的顶部连续延伸到底部。然而，挡板735还有可能是不连续的，此外，挡板735延伸的长度小于螺旋状结构的整个高度。在这个实施例中，盘旋槽720由相邻的螺纹或螺旋片730形成，这些螺纹或螺旋片绕螺旋状结构710部分地延伸，并且连接和终止于楔形挡板735，而不是形成完整的旋体。
虽然已经根据具体的实施例描述了本发明，但可以在不背离本发明的精神实质和范围的前提下进行许多修改。例如，作为对螺旋状布置的螺纹和槽的替代方式，可使用平坦的螺纹或带材(较佳地为垂直于轴线140布置)，从而这些平坦的螺纹中的相邻的一对之间形成独立的槽。这样的带材可互相之间相对静止，能量转换器可以移动，从而通过例如沿如图5所示的导轨移动、或者通过绕各个垂直轴线旋转而面对风。所有的这些修改应包括在本发明的范围中，而这一范围由所附权利要求来限定。

Claims (20)

1.一种风能动力转换系统，包括：
大致螺旋状结构，该螺旋状的结构具有至少一部分盘旋槽；
至少一个能量转换器，该能量转换器至少部分地位于所述一部分盘旋槽中。
2.如权利要求1所述的风能动力转换系统，其特征在于，还包括用于将所述至少一个能量转换器定位在主流风中的控制系统。
3.如权利要求1所述的风能动力转换系统，其特征在于，所述一部分盘旋槽包括多个旋体。
4.如权利要求1所述的风能动力转换系统，其特征在于，还包括导轨，其中所述至少一个能量转换器可动地安装在所述导轨中。
5.如权利要求4所述的风能动力转换系统，其特征在于，所述导轨绕所述螺旋状结构盘旋。
6.如权利要求4所述的风能动力转换系统，其特征在于，还包括至少一个挡板，所述挡板可动地安装于导轨并至少部分地定位于所述一部分盘旋槽中。
7.如权利要求6所述的风能动力转换系统，其特征在于，一控制系统定位所述至少一个能量转换器和所述至少一个挡板。
8.如权利要求1所述的风能动力转换系统，其特征在于，还包括转子，其中所述转子至少部分地旋转大致螺旋状结构。
9.如权利要求8所述的风能动力转换系统，其特征在于，还包括至少一个挡板，所述挡板至少部分地安装在所述一部分盘旋槽中，其中所述至少一个挡板至少部分地抑制风沿着盘旋槽向上流动。
10.如权利要求9所述的风能动力转换系统，其特征在于，一控制系统控制所述大致螺旋状结构的旋转。
11.如权利要求9所述的风能动力转换系统，其特征在于，所述基本为螺旋状的结构安装在可自由旋转的基座上。
12.一种用于将风能转换成动力的设备包括：
具有螺旋带材的结构；
安装于所述螺旋带材的导轨；以及
至少一个能量转换器，所述能量转换器可动地安装在导轨上，并至少部分地位于所述螺旋带材的外周边之中。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括至少一个挡板，所述至少一个挡板至少部分地安装在所述螺旋带材的外周中。
14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括控制系统，以定位所述至少一个能量转换器和所述至少一个挡板，所述定位是风向的函数。
15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，还包括转子，其中所述转子允许所述结构至少部分地旋转。
16.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述至少一个能量转换器和所述至少一个挡板沿导轨旋转到所述螺旋带材的底部。
17.一种用于收集风力的设备包括：
细长的、基本为圆柱形或圆锥形的芯体；
连接于芯体的多条带材，相邻的带材对互相相对静止；
相邻的静止带材对和芯体一起形成多个风窝；以及
至少部分地位于所述风窝内的能量转换器；
其中，这些相邻的静止带材对之间的所述能量转换器可相对于这些带材移动，用以将这些转换器定向成面对风。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述相邻的带材对为平面螺纹，所述平面螺纹横向于所述细长芯体布置，从而所述相邻的平面螺纹对之间形成独立的风槽。
19.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述可动的能量转换器可绕芯体旋转。
20.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述可动的能量转换器可动地安装在形成于所述风窝中的导轨上。
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