專利名稱：風能系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及風能系統和方法。
背景技術：
分布式發電風能系統，尤其是發電量在10-1，000千瓦(kW)范圍內的中等風電市場中的分布式發電風能系統，能夠產生重要的環境影響并且滿足對可再生能源逐漸增長的需求。然而，這樣的系統并不經濟，因為多數分布式發電的風力渦輪機在低于實用規模的高度處工作，而在這些高度，風速低于使得能量回收經濟可行所需的最小速度。通常用于分布式發電的潤輪機的類型是垂直軸風力潤輪機(vertical axis windturbine) ( “VAWT”)。當前的VAWT不能通過槳葉系統有效地轉換來自氣流的能量，因為所述槳葉系統不能在100英尺以下的低空有效旋轉，此時要求槳葉帶動高轉動慣量(MOI)的發電機(需要50kW及更大的發電機)轉動。解決該問題的一種途徑是改變風力渦輪機或其構件的設計，以嘗試提高效率。已知的調節包括改變渦輪機槳葉的形狀、引入螺旋槳固定片，甚至通過利用其他形式的可再生能源(例如陽光)來提高效率(例如通過向風能系統添加太陽能電池)。然而，這些途徑增加了生產成本，因為將會要求專門的工廠來生產不同的渦輪機設計。添加太陽能電池也增加了提供和安裝風能系統的成本。其他的風能系統向渦輪機添加風力加速器，以增加與渦輪機槳葉接觸的空氣的氣流速度。在這樣的系統的一個示例中，加速器是截頭圓錐的漏斗型設備，旨在引導氣流經過所述設備到達風車的葉輪上。該系統存在的缺點是，漏斗型設備是大體積、易損壞且難看的。更重要地，其配合水平入口(horizontal access)風力潤輪機,而不是常見于分布式發電應用的垂直軸渦輪機進行工作。因此，存在對于經濟的分布式發電風能系統的需求，所述系統能夠配合現有的垂直軸風力渦輪機模型進行工作。具體地，存在對于風能系統的需求，所述系統不需要額外的或專門的渦輪機構件。總之，存在對于分布式發電風能系統的需求，所述系統采用風力加速器，以提高效率并且能夠配合現有的垂直軸風力渦輪機模型進行工作。

發明內容
通過提供一種包括風力加速器的風能系統，本發明(在其多個實施例中)在很大程度上克服了已知的分布式發電風能系統的缺點，所述風力加速器具有前區和后區、在所述后區中或所述后區附近的最寬點，以及安裝在所述風力加速器的后區上的一個或多個渦輪機。通過風/速度加速技術，所公開的實施例允許低空(大約100英尺的高度)的風能發電，通過將空氣從空氣進入所公開的結構之處加速至空氣與VAWT達里厄或薩沃紐斯槳葉系統(取決于使用的結構)接觸之處，這進而允許所公開的實施例在低處有效地發電。這還降低了對于轉動慣量(Moment of Inertia, MOI)所需的扭矩,并且優化了所公開的系統在無風至低風速時使發電機轉動的能力。實施例使用風和速度加速技術使達里厄和薩沃紐斯渦輪機槳葉系統轉動，達里厄和薩沃紐斯渦輪機槳葉系統通常在不受影響的獨立式戶外環境中通過我們所擁有的風/速度加速技術轉動。所述風力加速器可以包括支撐組件和圍繞所述支撐組件的外部結構。風力加速器的后區本質上比前區更寬。所述外部結構從所述加速器的后區向所述加速器的前區逐漸變窄。風力加速器的形狀可以是以下形狀中的一種楔形、淚滴形、蝌蚪形、V形、W形，或變形的楔形、淚滴形或蝌蚪形。所述渦輪機可以是任意類型的風力渦輪機。示例性的實施例使用垂直軸風力渦輪機，例如達里厄或薩沃紐斯渦輪機。系統的設計使得，當空氣流經風力加速器時，空氣隨著其從所述前區行進經過所 述外部結構到達所述后區而加速。風力加速器將空氣導入一個或多個渦輪機，使得與所述一個或多個渦輪機接觸的空氣以高于空氣流經風力加速器的前區的速度行進。這種速度提高大約是10-50%。系統可以進一步包括用于使系統定向為朝向迎面而來的風的裝置。系統的實施例能夠由調節發電量的計算機程序控制。這是可選的。相同的程序允許經由在線程序對發電進行跟蹤，所述在線程序保持對我們的系統產生的能量的實時跟蹤。在示例性實施例中，風力加速器可以安裝在塔或支桿上，以將其升高到所需的高度，而在示例性實施例中，風力加速器低于大約300英尺的高度。所公開的系統在規模上有所變化，并且通過風力產生大約IOkW至50kW的電。風力加速器的外部結構可以由堅硬材料(例如鋁、鋼鐵、木頭或塑料)制成。可選擇地，所述外部結構可以由柔性材料(例如帆布)制成，所述柔性材料可以包括聚酯薄膜、滌綸，或者棉或其他的帆材料薄膜。外部結構的表面可以適于直接印上銷售信息或印上任意詞語或設計。所公開的系統還使用空氣回流技術，該技術俘獲離開結構的背部所形成漩渦的空氣，并且將該空氣經過所述結構的中心送回，這使得內部的槳葉轉動，這進而降低了產生優化發電所需的扭矩。這還降低了對于轉動慣量(MOI)所需的扭矩。在這樣的實施例中，支撐組件可以包括臺架框架并限定本質上中空的內部。外部結構可以限定一個或多個后通風口和一個或多個前通風口。空氣經過所述一個或多個后通風口和/或所述一個或多個渦輪機進入風力加速器，經過所述本質上中空的內部行進，并且經過所述一個或多個前通風口離開風力加速器。本發明的實施例描述了一種用于經由風速度加速技術來俘獲風的風力加速器設備。所述風力加速器設備包括前區和后區。風力加速器設備的后區本質上比前區更寬，而風力加速器設備的最寬點在所述后區中或者所述后區附近。所述風力加速器設備可以包括支撐組件和圍繞所述支撐組件的外部結構。所述外部結構從所述設備的后區向所述設備的前區逐漸變窄。風力加速器設備的形狀可以是以下形狀中的一種楔形、淚滴形、蝌蚪形、V形、W形，或變形的楔形、淚滴形或蝌蚪形。風力加速器設備的設計使得，當空氣流經所述設備時，空氣隨著其從所述前區行進經過所述外部結構到達所述后區而加速。一個或多個渦輪機可以在所述風力加速器的后區中安裝在所述支撐組件上。只要風速處于對發電有利的環境范圍內，所公開的實施例能夠用于在地球上的任何地方產生風能。商業產權、工業產權、住宅產權和公用事業公司可以使用所公開的系統或者購買所述系統產生的電能。所公開的使用VAWT技術和風/速度加速技術的風能發電系統的實施例通過所公開的結構利用風能來發電，所述結構直接(具體地，經過在VAWT槳葉處使空氣加速的專用結構)俘獲/轉換氣流。槳葉進而轉動，并經由所俘獲的風能發電。通過變化的系統高度(取決于對所述系統進行許可的市政當局)，所公開的系統允許較低海拔高度至較高海拔高度的發電。所公開的實施例還使用鋁和帆材料作為外部結構覆蓋物，所述外部結構覆蓋物成型到變化的具體的空氣俘獲結構中，所述空氣俘獲結構帶來氣流速度的增加。據此可以看出，提供了一種經濟的分布式發電風能系統，其中風力加速器通過專 門的逐漸變窄的設計提高了效率，并且將風力渦輪機安裝至風力加速器以便風力發電。通過參照附圖(其中相同的附圖標記通篇表示相同的部分)閱讀對本發明的具體描述，本發明的這些和其他特征將是顯而易見的。


在考慮下文與附圖結合的詳細描述時，本發明上述及其他的目標將是顯而易見的，在附圖中圖I是根據本發明的風能系統的實施例的立體圖；圖2A是圖I的風能系統的側視立體圖；圖2B是圖I的風能系統的側視圖；圖2C是圖I的風能系統的前視圖；圖2D是圖I的風能系統的俯視圖；圖3是根據本發明的風能系統的實施例的側視立體圖；圖4是根據本發明的風能系統的實施例的立體圖；圖5是根據本發明的風能系統的實施例的側視立體圖；圖6是根據本發明的風能系統的實施例的立體圖，去除了外部結構，以示出支撐組件的實施例；圖7A是根據本發明的風能系統的實施例的側視圖；圖7B是根據本發明的風能系統的實施例的俯視圖；圖7C是根據本發明的風能系統的實施例的前視圖；圖8是根據本發明的風能系統的實施例的側視立體圖；圖9是根據本發明的風能系統的實施例的立體圖；圖10是根據本發明的風能系統的實施例的平面圖；圖IlA是根據本發明的風能系統的實施例的平面圖；圖IlB是根據本發明的風能系統的實施例的平面圖；圖IlC是根據本發明的風能系統的實施例的平面圖12A是根據本發明的風能系統的實施例的側視圖；圖12B是根據本發明的風能系統的實施例的俯視圖；圖12C是根據本發明的風能系統的實施例的前視圖；圖13A是根據本發明的風能系統的實施例的俯視圖，示出了氣流；圖13B是根據本發明的風能系統的實施例的側視圖，示出了氣流；圖14是示意圖，示出了根據本發明的風能系統的實施例的示例性電連接；圖15是示意圖，示出了根據本發明的風能系統的實施例的示例性電連接；圖16示出了在風速增加時的渦輪機轉速； 圖17示出了使用所公開的風力加速器的楔形實施例時增加的扭矩；以及圖18示出了使用所公開的風力加速器的楔形實施例時增加的功率。
具體實施例方式在下面的段落中，本發明的實施例將參照附圖，通過示例的形式進行詳細描述，附圖的繪制不是為了衡量尺寸，而且示出的構件不必彼此按比例繪制。在通篇的描述中，示出的實施例和示例應當理解為范例，而不是對本發明的限制。正如在此使用的，“本發明”指代在此描述的本發明的任意一個實施例及等同形式。此外，通篇對本發明多個方面的提及并不意味著所有要求保護的實施例或方法必須包括所提及的方面。對溫度、壓力、密度和其他參數的提及應當理解為對本發明實施例的性能的代表和例示，并且實施例能夠通過大量的這種參數進行操作。應當注意，附圖沒有示出設備的每個部分，也沒有示出多種氣流的壓力、溫度和流速。參照圖I至圖2D，將會描述風能系統的示例性實施例。風能系統10包括風力加速器12以及安裝在所述風力加速器12上的一個或多個渦輪機14a、14b。風能系統10可以包括具有任意所需高度的支桿16并且可以安裝在所述支桿16上，因此風能系統10位于所需的高度來接收迎面而來的風。盡管所公開的系統能夠在任意高度工作，然而示例性的實施例位于最高大約200英尺的高度(從地平面到風能系統10的頂部)。所公開的實施例在大約200英尺或更低的高度有利地提供了提高的效率。風力加速器12是變形的楔形(取決于所使用的渦輪機類型系統)，這是由安裝決定的。風力加速器12包括前區18和后區20。在示例性實施例中，后區20本質上比前區18更寬。最佳地如圖2D所示，風力加速器12的側面22a、22b從后區20向前區18逐漸變窄，并且在前點24相交。源自風力加速器中心線的錐形的角度可以在大約15度至大約75度之間變化，而在示例性實施例中，該角度在大約20度至大約60度之間變化。正如在此更加詳細的討論，風力加速器12定位為，使得前區18和前點24面對迎面而來的風，由此優化了經過迎角(angle of attack)流向潤輪機14的氣流,使得從前區18到后區20的空氣加速最大化。在多個公開的實施例中，所描述的風力加速器的變化形狀均具有后區、前區，以及從所述后區到所述前區的錐形，以便有利地使得氣流加速進入風力渦輪機14的安裝在加速器上的槳葉29。然而應當注意，在某些實施例中(例如，圖IlA至圖IlC所示的實施例)，到來的空氣撞擊后區，并且通過空氣流過彎曲的后區而實現一定程度上的加速。風能系統10、210實質上是塔組(tower system),所述塔組將主結構保持到位,所述主結構位于專門的基座(包括單支桿(monopole) 16、216)上。風力加速器12、212的主結構包括支撐組件26、226，以及圍繞所述支撐組件12、212或安裝在所述支撐組件12、212上的外部結構28、228。如圖7和圖8所示，支撐組件212使用不銹鋼/鋁的管形部件系統和/或支撐部件231的桅桿和臺架類型的框架230 (其將系統構件保持到位)。可以使用管或木制框架部件的任何布置，只要提供了對于外部結構28、228和渦輪機14、214足夠的支撐，并且示例性的實施例示出在例如圖7和圖8中。支撐組件226限定了本質上中空的、由支撐部件231的臺架框架230的構件形成的內部232。所公開系統的外部覆蓋物或外部結構28基于滌綸或聚酯薄膜(Mylar)或其他類型的帆材料，或者基于鋁或其他堅硬卻輕質的材料。基于特定裝置處的年平均風速選擇用于覆蓋物或外部結構的材料。在多數裝置中，可以使用柔軟的外部結構或堅硬的外部結構。對于極高的風速，可能需要硬的外部結構。一個或多個風力渦輪機14a、14b安裝在風力加速器的后區20。任意數量的渦輪機 可以與所公開的風力加速器一起使用，而示例性的實施例擁有2至4個渦輪機，這些渦輪機連接至一系列豎直或水平安裝的、規模在5kW至5MW之間的發電機。任意種類的水平軸風力渦輪機或垂直軸風力渦輪機可以與所公開的風能系統聯合使用，而示例性的實施例采用垂直軸風力渦輪機(“VAWT”)，例如達里厄(Darrieus)或薩沃紐斯(Savonius) VAWT槳葉系統。通常，達里厄槳葉系統適合于發電功率大約IOkW或更低的單元，而薩沃紐斯VAWT用于較大的系統，尤其是那些發電功率在大約IOOkW以上的系統。渦輪機14可以在沿風力加速器12的任何點處安裝至風力加速器12，并且可以根據需要與支撐組件26 —體形成。在示例性實施例中，風力渦輪機14a、14b經由渦輪機軸38,238安裝在風力渦輪機12的后區20中的支撐組件26上。風力渦輪機14a、14b可以安裝為，使得渦輪機14的第一部分34布置在支撐組件26基本中空的內部32之內，而渦輪機14的第二部分36位于風力加速器12的外部結構28之外。由此，渦輪機14的大約一半處于迎面而來的風的路徑中。支撐組件26可以包括渦輪發電機隔間，以容納發電機。在示例性實施例中，渦輪發電機隔間可以被完全封閉并且是防水的，以保護發電機由于嚴酷天氣帶來的破壞。參照圖3至圖4，風能系統110主結構的示例性實施例可以是“淚滴(tear drop) ”或“蝌蚪”形狀。風能系統110包括與圖I至圖2D所示的變形的三角形實施例相同或相似的基本元件。具體地，風能系統110包括具有前區118和后區120的風力加速器設備112，加速器的最寬點115位于風力加速器設備112的后區120之中或附近。一個或多個渦輪機114在后區120安裝在風力加速器設備112上,而在示例性的實施例中,在風力加速器設備112的最寬點115安裝在每一側面122a、122b上。這是因為加速器的最寬點通常是對于風的加速和空氣速度最優的點。風力加速器設備包括支撐組件126和圍繞所述支撐組件126的外部結構128。支撐組件126的示例性實施例可以包括前點框架部件124和后框架部件125。外部結構128可以是柔性材料(例如帆布)或堅硬、輕質的材料(例如鋁或木頭)。后區120本質上比前區118更寬，而風力加速器設備112的外部結構128從后區120向前區118和前點框架部件124逐漸變窄。風力渦輪機114a、114b安裝在風力加速器設備112上，朝向后區120 (例如在最寬點115)，側面122a、122b上各安裝一個渦輪機114a、114b。在示例性實施例中，渦輪機114a、114b安裝在風力加速器設備112的最寬點115處或附近。風能系統Iio包括單支桿116，用于將系統安裝在所需的高度來接收風。風能系統110可以在尺寸上顯著地變化，而示例性的實施例是在大約12英寸長X 3英寸高X 3英寸寬至800英寸長X 200英寸高X 200英寸寬之間。轉到圖5至圖7C，將描述風能系統210的其他實施例，其中風力加速器212是“V”形的。此外，主構件與采用不同形狀的加速器的實施例仍然是相同或相似的。風能系統210包括風力加速器212和安裝在風力加速器212上的風力渦輪機214a、214b。風力加速器212包括前區218和后區220，并且從后區220向前區218逐漸變窄。在楔形的實施例中，風力加速器212及其支撐組件226構造為，使得前區218包括楔形或三角形的前點224，而風力加速器的每個側面222a、222b形成楔形或三角形的基本筆直的側面。由此，風力加速器212的后區220包括楔形或三角形的另外兩個點，形成風力加速器設備的最寬點215。可以看出，風力渦輪機214a、214b安裝在風力加速器212的后區220上，在風力加速器的最寬點215處或附近。正如在此更加詳細的討論，渦輪機的這種位置使得高速空氣進入渦輪機槳葉，帶來優化的效率。最佳地如圖6所示，支撐組件226包括具有豎直和水平的框架部件231的臺架框架230，其可以是木頭或具有適宜強度的任意其他材料，并且所述支撐組件形成空氣架(air frame),以使空氣進入加速器的通風口，如下所述。支撐組件226限定了風力加速器212內基本中空的內部232。渦輪機可以是水平或垂直軸渦輪機，而在示例性的實施例中是薩沃紐斯或達里厄類型。圖5示出了采用達里厄類型VAWT槳葉系統的風能系統210的實施例，而圖6示出了正在使用的薩沃紐斯VAWT。每個渦輪機214a、 214b包括垂直軸238，以允許渦輪機槳葉229在接觸風時旋轉，并且根據已知的VAWT安裝過程，每個渦輪機安裝至風力加速器212的支撐組件226。如圖所示(例如圖6)，每個渦輪機214a、214b的垂直軸238聯結至支撐組件226的兩個水平框架部件231，使得渦輪機安裝在楔形風力加速器212的后點，并且可操作為接收離開風力加速器212的側面222a、222b的氣流。風力加速器212進一步包括圍繞支撐組件226的外部結構228。所述外部結構228可以包括柔軟的柔性材料(例如帆布)，或者本質上是堅硬卻輕質的材料(例如鋁、鋼鐵、木頭、塑料或玻璃纖維)。在示例性實施例中，外部結構228包括兩個本質上堅硬材料的厚板，它們安裝在支撐組件226的臺架框架230的每個側面上，留下風力加速器的背部打開。由此，外部結構228在風力加速器212的背部限定了開放空間或內部訪問區域，而所述開放空間可以起到通風口 240的作用。通風口 240允許空氣離開風力渦輪機214a、214b，以流入風力加速器212基本中空的內部232。空氣接著經過開放的頂部和底部離開，所述頂部和底部由風力加速器212的支撐組件226形成。圖7A至圖7C示出了楔形的實施例，其中風力加速器312的支撐組件326包括切掉角的部分342，以提供用于風力渦輪機314a、314b的安裝位置。每個切掉角的部分342a、342b包括安裝部件344a、344b，用于經由渦輪機垂直軸338安裝風力渦輪機314a、314b。現在參照圖8和圖9，將對使用變形的蝌蚪或變形的淚滴形狀的風能系統的示例性實施例進行描述。風能設備410包括安裝在風力加速器412上的一個或多個渦輪機414。風力加速器412具有后區420和前區418，而風力加速器412的最寬點415朝向后區420。風力加速器412從位于后區420中的加速器的最寬點415向加速器前區418的前點424逐漸變窄。風力加速器412可以安裝在塔或支桿416上，并且包括支撐組件426和圍繞支撐組件426的外部結構428。在示例性實施例中，支撐組件426包括前點框架部件424、后框架部件425和兩個側面框架部件427a、427b。外部結構428安裝在支撐組件426上，并且可以是柔軟的柔性材料(例如帆布)，所述柔性材料可以包括例如聚酯薄膜、滌綸或棉或其他的帆材料薄膜，或者是本質上堅硬的材料(例如鋁、鋼鐵、木頭或塑料)。由帆布或其他柔性材料制成的外部結構428可以是單一環形的材料，并且通過包裹在支撐組件426周圍并抵靠前點框架部件424、側面框架部件427a、427b和后框架部件425而拉緊，所述外部結構428可以安裝在支撐組件上。可選擇地，由堅硬或柔軟的材料制成的外部結構可以包括多段，其中第一段聯結并延伸在前點框架部件424和側面框架部件427a之間，第二段聯結并延伸在側面框架部件427a和后框架部件425之間，第三段聯結并延伸在后框架部件425和側框架部件427b之間，而第四段聯結并延伸在側框架部件427b和前點框架部件424之間。風力渦輪機414a、414b安裝在風力加速器412的后區420上，使得每個渦輪機14的第一部分布置在風力加速器412的外部結構428中，而每個渦輪機14的第二部分位于風 力加速器412的外部結構428之外，以接收迎面而來的風。外部結構428形成風力加速器412的側面422a、422b的部分限定了渦輪機安裝孔442，所述安裝孔422的尺寸適合并且允許安裝渦輪機414。最佳地如圖9所示，外部結構428形成風力加速器的背部的部分限定了通風口 440a、440b,每個通風口延伸至各自的風力潤輪機414a、414b。這種通風口結構便于空氣的回流，這使得風力加速器412的背部產生旋渦，并且被經過通風口 440a、440b運送至渦輪機414a、414b布置在風力加速器412的外部結構428內的部分。該額外的氣流增加了與渦輪機的槳葉接觸的空氣體積，并由此提高了風能系統410的效率。圖10以及圖IlA至圖IlC示出了風能系統的其他實施例，這些風能系統采用不同的可能形狀的風力加速器。應當注意，所有這些實施例將具有與上述風能設備及系統相同或相似的構件。在圖10中，能夠看到風能系統510包括安裝在風力加速器512上的兩個渦輪機514，所述風力加速器512具有變形的楔形，其中側面522a、522b形成稍稍彎曲的形狀，而不是三角形的直線。圖IlA示出了風能系統610的實施例，其包括安裝在風力加速器612上的兩個渦輪機614，風力加速器612具有淚滴或蝌蚪形狀。如圖IlB所示，風能系統710的實施例包括安裝在風力加速器712上的兩個渦輪機714，風力加速器712具有第一變形淚滴或變形蝌蚪的形狀。圖IlC示出了風能系統810的實施例，其中風力加速器812具有第二變形淚滴或變形蝌蚪的形狀。應當注意，圖IlA至圖IlC中的實施例設計為，使得風力加速器在前面描述的實施例中是前點的點變成后點，而渦輪機接收來自風力加速器相對的端部的風。由此，加速器的“前點”可以定義為加速器上空氣首先接觸的點，而“前區”可以是氣流接觸風力渦輪機的槳葉之前首先經過的加速器上的任意部分。轉到圖12A至圖12C，風能系統910可以包括多個風力渦輪機914以及附加的外圍加速器構件950，使得該系統形成W形。風能系統910包括安裝在主體楔形風力加速器912以及兩個較小的外圍加速器構件950a、950b上的多個風力渦輪機914a、914b、914c和914d。安裝部件944a、944b聯結至主體風力加速器912的背部，而安裝部件944c、944d中的每一個聯結至各自的外圍加速器構件950a、950b。風力渦輪機914a和914b經由每個渦輪機的垂直軸938安裝在安裝部件944a和944b上。渦輪機914c和914d通過垂直軸938安裝在安裝部件944c和944d上。風力加速器912包括支撐組件926 (其可以包括框架部件931的臺架框架930)以及圍繞所述支撐組件的外部結構928。迎面而來的風從加速器前區918的前點924加速至后區920，并且接觸渦輪機914a和914b的槳葉。迎面而來的風還在其碰到外圍加速器構件950a、950b時加速，并且行進以接觸風力渦輪機914c和914d的槳葉。在操作中，風能系統10、110、210、310、410、510、610、710、810、910 指向迎面而來的風。風能系統可以包括氣象塔的使用，氣象塔通過伺服機構的幫助將系統定向。氣象塔的使用是本領域已知的。氣象塔設計為評估風的資源。通常，氣象塔將具有風速計、風向標、溫度和壓力傳感器，以及在地面以上的不同高度附接其上的其他測量設備。所公開的系統還可以使用多普勒技術，該技術計算對于風能系統在獲取氣流方面最優的定向。參照圖13A至圖13B并且使用楔形風能系統210作為示例，系統定向為，使得風或空氣260徑直流進風力加速器212的前點224。當從加速器的前區218流向其后區220時，空氣260接近于兩側面222a、222b流經風力加速器212。空氣或風的速度在空氣260碰到加速器的前點224的點以及空氣260接觸風力渦輪機214的槳葉255的點之間增加。隨著空氣260從加速器212的前區218到后區220，通過表示空氣260的更高密度的箭頭和圓圈， 在圖13A至圖13B中示出了這種空氣或風的速度增加或加速。由此，空氣260被引導進入渦輪機214，使得與渦輪機接觸的空氣260以高于空氣流經風力加速器212的前點224和前區218的速度行進。這是因為風力加速器所有公開的實施例的前點和成角度的形狀消除了阻力并且優化了經過風力渦輪機的氣流。總之，風以低于風與槳葉系統接觸時的速度的較低的速度進入結構的主要部分，增加的氣流使槳葉轉動得更快，比槳葉是戶外自立式(freestanding)槳葉的情況要快。正如本領域已知的，所公開的風能系統連接至整流器100，所述整流器100通過將渦輪機的交流電(AC)輸出轉換為直流電(DC)來對電信號進行整流。整流器是本領域已知的，并且可以由固態二極管、真空管二極管、汞弧閥及其他構件制成。該系統還可以使用功率調節變換器102，其將直流電轉變為交流電。變換器的使用是本領域公知的。圖14和圖15是電路圖，其示出了能夠與整流器和變換器電連接的風能系統的示例性的布置。這些構件允許所公開的風能系統向正在被供電的裝置提供整齊的電信號。根據系統需要，還可以使用公用事業變壓器、公用事業儀表、公用事業斷路器、場所分布工具、風力計、風力斷路器和主結構斷路器。示例隨著空氣沿加速器的側面行進，所公開的風能系統和風力加速器有利地將空氣或風的速度提高了大約10%至50%。下面的示例I示出了關于渦輪機轉速、扭矩vs.風速，以及功率vs.風速數據的實驗室測試結果。該測試在計算流體動力學(CFD)實驗室進行。特別地，測試使用一種稱為Fluent的CFD空氣動力學程序，已知其提供了比風洞測試更加準確的結果。然而應當注意，氣流在真實世界的環境中是可變的。該測試將計算機建立的一種模型與計算機建立的另一種模型進行了比較，前一模型是所公開的、具有楔形風力加速器和薩沃紐斯渦輪機的原型風能系統的實施例，而后一模型是具有安裝在支桿上的薩沃紐斯渦輪機的基本系統(沒有相關的風力加速器)。表2A和圖16示出了隨風速增加時的渦輪機轉速。表3A和圖17示出了使用所公開的風力加速器的楔形實施例時增加的扭矩，而表4A和圖18示出了使用所公開的風力加速器的楔形實施例時增加的功率。示例I :關于楔形加速器的數據
權利要求
1.一種風能系統，包括 具有前區和后區的風力加速器，所述后區本質上比所述前區更寬，所述風力加速器從所述后區向所述前區逐漸變窄；以及 安裝在所述風力加速器的后區上的一個或多個渦輪機。
2.根據權利要求I所述的系統，其中當空氣流經所述風力加速器時，所述空氣隨著其從所述前區行進至所述后區而加速。
3.根據權利要求2所述的系統，其中所述風力加速器將空氣導入所述一個或多個渦輪機，使得與所述一個或多個渦輪機接觸的空氣以高于空氣流經風力加速器的前區的速度行進。
4.根據權利要求3所述的系統，其中所述風力加速器包括支撐組件和圍繞所述支撐組件的外部結構。
5.根據權利要求I所述的系統，其中所述風力加速器是以下形狀中的一種楔形、淚滴形、蝌蚪形、V形、W形、變形的楔形、變形的淚滴形或變形的蝌蚪形。
6.根據權利要求I所述的系統，其中所述外部結構由柔性材料制成。
7.根據權利要求6所述的系統，其中所述柔性材料是帆布。
8.根據權利要求I所述的系統，進一步包括用于使所述風能系統定向為朝向迎面而來的風的裝置。
9.根據權利要求I所述的系統,其中所述支撐組件限定了本質上中空的內部。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述外部結構限定了一個或多個后通風口和一個或多個前通風口，從而空氣經過所述一個或多個后通風口和/或所述一個或多個渦輪機進入所述風力加速器，經過所述本質上中空的內部行進，并且經過所述一個或多個前通風口離開所述風力加速器。
11.根據權利要求I所述的系統，其中所述一個或多個渦輪機從達里厄垂直軸風力渦輪機和薩沃紐斯垂直軸風力渦輪機中選擇。
12.一種風力加速器設備，包括 支撐組件和圍繞所述支撐組件的外部結構，所述風力加速器設備具有前區和后區，所述后區包括所述風力加速器設備的最寬點并且所述后區本質上比所述前區更寬，所述外部結構從所述后區向所述前區逐漸變窄； 其中當空氣流經所述風力加速器設備時，所述空氣隨著其從所述前區行進經過所述外部結構到達所述后區而加速。
13.根據權利要求12所述的設備，進一步包括在所述風力加速器設備的最寬點處或所述風力加速器設備的最寬點附近安裝在所述支撐組件上的一個或多個渦輪機。
14.根據權利要求13所述的設備，其中所述風力加速器設備將空氣導入所述一個或多個渦輪機，使得與所述一個或多個渦輪機接觸的空氣以高于空氣流經風力加速器設備的前區的速度行進。
15.根據權利要求13所述的設備，其中所述外部結構由帆布制成。
16.根據權利要求15所述的設備，其中所述支撐組件包括臺架框架，所述臺架框架限定本質上中空的內部。
17.根據權利要求15所述的設備，其中所述外部結構限定了一個或多個后通風口和一個或多個前通風口，從而空氣經過所述一個或多個后通風口和/或所述一個或多個渦輪機進入所述風力加速器設備，經過所述本質上中空的內部行進，并且經過所述一個或多個前通風口離開所述風力加速器設備。
18.一種風能設備，包括 風力加速器，具有 支撐組件和圍繞所述支撐組件的外部結構，所述支撐組件限定了本質上中空的內部；以及 前區和后區，所述后區本質上比所述前區更寬，所述外部結構從所述后區向所述前區逐漸變窄； 安裝在所述風力加速器的后區中的支撐組件上的一個或多個渦輪機，從而每個渦輪機的第一部分布置在所述支撐結構的本質上中空的內部，而每個渦輪機的第二部分位于所述外部結構之外。
19.根據權利要求18所述的設備，其中當空氣流經所述風力加速器時，所述空氣隨著其從所述前區行進經過所述外部結構到達所述后區而加速，從而與所述一個或多個渦輪機接觸的空氣以高于空氣流經所述風力加速器的前區20-40%的速度行進。
20.根據權利要求18所述的設備，其中所述風力加速器安裝在支桿上，而所述設備的高度低于大約200英尺。
全文摘要
本發明公開了一種風能系統，所述風能系統包括風力加速器，所述風力加速器具有支撐組件和圍繞所述支撐組件的外部結構。所述風力加速器具有前區和后區。所述后區本質上比所述前區更寬，并且所述外部結構從所述后區向所述前區逐漸變窄。一個或多個渦輪機在所述風力加速器的后區處或所述風力加速器的后區附近，或者在所述風力加速器的最寬點處或所述風力加速器的最寬點附近安裝在所述支撐組件上。
文檔編號F03D3/04GK102869879SQ201080059968
公開日2013年1月9日 申請日期2010年10月28日 優先權日2009年10月29日
發明者D·露西, M·布萊文斯, C·格林, N·布利特爾斯維克 申請人:綠色電力公司，一個馬薩諸塞州公司