本發明涉及風力發電領域。

背景技術：

作為化石燃料發電的替代方案，風電已成為一種日益重要的可再生能源。不同類型的風力發電機或所謂的“風力渦輪機”已應用于具有開闊土地空間和較高風力資源的地區。傳統的風力渦輪機設計包括水平軸風力渦輪機(hawt)和垂直軸風力渦輪機(vawt)，二者互不相同，它們擁有不同的旋轉軸線方向，即，分別為水平旋轉或垂直旋轉。最常見的一種水平軸風力渦輪機通常包括兩個或三個朝向風向布置的風力輪葉。這些輪葉與風輪軸和發電機相連，它們位于塔架頂端，而塔架通常大約幾十米高。垂直軸風力渦輪機的實例包括h型giromills風力渦輪機和s型savonius風力渦輪機，其中，h型(h-type)和s型(s-type)這兩個詞語表示風力輪葉的形狀和布置。

傳統風力渦輪機存在的一個典型問題是適合搭建風力機結構的地點有限，因為風力機結構通常外形龐大。除此之外，由于其尺寸龐大，它們對景觀造成視覺影響，而且風力渦輪機運行時通常產生噪音，因而可能對周圍社區帶來不利影響。此外，傳統的風力渦輪機，尤其是水平軸風力渦輪機需要某一特定方向的可靠風力資源，才能以最佳效率運行。因此，它不宜安裝于風力條件一直變化的地點。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的一個目的在于提供一種可以克服上述缺點或者至少提供一種實用的替代方案的風力發電裝置。

本發明的另一個目的在于在某種程度上減少或消除與采用先前技術的已知風力發電機有關的一個或多個問題。

通過結合主要權利要求中描述的特征可實現上述目的；從屬權利要求披露本發明其他有利的實施例。

本領域的技術人員將從以下描述中了解本發明的其他目的。因此，前面所述的目的并非面面俱到，僅用于說明本發明的諸多目的其中的一些。

(二)技術方案

在第一主要方面，本發明提供一種風力發電裝置。

該裝置包括輪葉組件、框架結構和發電單元，其中，該輪葉組件具有多個徑向延伸的輪葉，該多個輪葉圍繞一中空空間；該輪葉組件可旋轉地安裝在該框架結構中；該發電單元與該輪葉組件相連。其中，所述輪葉組件可被至少一個被引導向該輪葉組件上的空氣流旋轉，所述輪葉組件的旋轉適于驅動所述發電單元以產生電能。

在第二主要方面，本發明提供一種風力發電系統，該系統包括多個根據第一主要方面所述的風力發電裝置，這些風力發電裝置相對于彼此排列成水平和垂直的至少一種的配置方式。

此發明概述不一定披露定義本發明所必需的所有特征；本發明可能存在于所披露的各種特征的子組合中。

(三)有益效果

本發明具有大量優于先前技術的優勢。首先，本發明的風力發電裝置可制成比傳統風力發電機尺寸小得多的裝置，且同時不會影響發電效率。這一點可通過將本發明的多個發電裝置組裝、結合或連接在一起組成發電系統來實現，該發電系統包含多個所需的裝置，且可根據所需的功率要求定制相應的組合或布置。尤為重要的是，可以定制組成該發電系統的所述裝置的不同組合，以滿足不同位置的要求。例如，出于空間和可靠風力資源的原因，傳統風力發電機裝置只能局限于偏遠或近海地區，而本發明的應用非常靈活，可安裝于不同地點，包括任何建筑物或結構的屋頂或墻壁。例如，大量的這種裝置可安裝于商業或住宅大樓的屋頂，甚至可以在城市組成小型風電場。另外，還可以將一些裝置安裝在建筑物的外墻上，或者懸掛在天花板上，捕獲一些風能，為主電源提供補充。除了安裝靈活之外，本發明的所述裝置可以利用各個方向的風能進行發電。這一點可通過所述輪葉組件的一個或多個輪葉的受控運動來調節迎風角而得以實現，導流組件的導流板的可動裝置可進一步促成這一點的實現。與諸如水平軸風力渦輪機(主要用于單向氣流)之類的傳統發電裝置相比，所述可動的輪葉組件和導流組件顯著提高發電效率。本發明不再需要朝著特定的迎風方向安裝風力發電機，眾所周知，朝著特定的迎風方向安裝風力發電機非常不靈活，而且當風力條件多變時，會導致發電效率不穩定。本發明的所述裝置配有一個框架結構，該框架結構具有多孔的側壁部分，可將輪葉旋轉對人類或野生生物的任何可能傷害降至最低。如前所述，所述框架結構可配置成不同尺寸和形狀，而且包括多個這種裝置的所述系統可以具有一個美觀的結構。最后但并非最不重要的一點是，本發明的所述裝置結構簡單，制造成本相對較低，且易于組裝。該設備還可以方便更換和維護。

附圖說明

本發明的前述和進一步特征將在下列的優選實施例的描述中顯而易見，這些優選實施例僅以實例的方式提供，與其相結合的附圖如下：

圖1示出了一種采用先前技術制造的典型水平軸風力渦輪機的透視圖；

圖2為根據本發明所述的風力發電裝置的一個實施例的透視圖；

圖3示出了圖2所示的實施例的分解透視圖；

圖4示出了圖2所示的實施例的橫剖面圖；

圖5示出了圖2所示的實施例(具有箭頭所示的氣流)的橫剖面圖；

圖6為根據本發明的一個實施例的風力發電系統的透視圖；

具體實施方式

下文僅以示例方式對優選實施例進行描述，且不限于實施本發明所必需的特征的組合。

本說明書中提及的“一種實施例”或“一個實施例”意味著結合該實施例所描述的某一特定功能、結構或特征包含于本發明的至少一個實施例中。出現在本說明書各處的短語“在一個實施例中”不一定均指同一實施例，也不一定是指與其他實施例相互排斥的獨立或替代實施例。此外，所描述的各種特征可能在一些實施例中顯示，而在另一些實施例中并未顯示。同樣地，所描述的各種要求可能是一些實施例的要求，但并非另一些實施例中的要求。

在本文的權利要求中，表述為執行某一特定功能的裝置的任何部件均意在包括執行該功能的任何方式。如本發明的權利要求所定義，所敘述的各種裝置所提供的各種功能以所述權利要求所要求的方式結合在一起。因此，應當認識到任何可以提供這些功能的裝置均與本文所示的裝置相當。

圖1示出了一種采用先前技術的風力發電裝置1，其具有一種最常見的水平軸風力渦輪機(hawt)設計。在該先前技術中，輪葉系統2(在這一特定示例中)包括三個的輪葉2a、2b、2c，輪葉系統2的旋轉軸線a基本上與地面平行，且該旋轉軸設置為朝向空氣流a的方向。采用先前技術的風力發電裝置1包括支承塔架3，該塔架一端固定于地面上，另一端與旋轉軸組件4相連。旋轉軸組件4與輪葉系統2可操作地連接，當空氣流a驅動輪葉系統2旋轉時，輪葉系統2的旋轉可驅動發電機5進行發電。由于該風力渦輪機通常尺寸很大，而且運行過程中產生很大噪音，因此，這種裝置或類似裝置的安裝通常局限于偏遠、人口稀少的地區，這些地區具有開闊土地空間和較高風力資源。該采用先前技術的風力發電裝置1的另一缺點是，輪葉2必須設置為朝向空氣流的方向，以便該裝置以最佳發電效率運行。這進一步限制了適合搭建這類裝置的地點，因為變化不定的風向不僅會導致發電不穩定，而且可能對整體輪葉結構造成潛在損壞。

參照圖2和圖3，其示出了根據本發明的一個實施例的風力發電裝置10。該裝置10包括：輪葉組件20、框架結構30和發電單元40，其中，該輪葉組件20具有多個徑向延伸的輪葉22，該多個輪葉22圍繞一中空空間24；該輪葉組件20可旋轉地安裝在框架結構30中；該發電單元40與該輪葉組件20相連。其中，所述輪葉組件20可被至少一個被引導向該輪葉組件20上的空氣流旋轉，因此，所述輪葉組件20的旋轉適于驅動所述發電單元40以產生電能。

在如圖2和圖3所示的實施例，輪葉組件20包括8個輪葉22，圍繞中央的中空空間24排列成環狀結構。該中空空間24是一個空隙空間，來自輪葉組件20一側的空氣流或風可以流向輪葉組件20的另一側。輪葉22可以是任何形狀和/或尺寸，其形狀和/或尺寸通常由裝置10的整體尺寸以及發電所需的空氣動力性能決定。在一個實施例中，輪葉22基本上可以是平面。在另一個實施例中，輪葉22最好包括相對的兩面，其中至少一面略微彎曲，形成一個異形表面。例如，所述相對的兩面可設計為朝同一方向彎曲，以形成略微彎曲的c形；或者這兩個面可朝相反的方向彎曲，以形成波浪狀的s形。輪葉22最好設計為對齊，這樣輪葉組件20形成漩渦狀結構，這種結構可以更有效地產生所需的旋轉扭矩，因此，發電效率更高。圖4和圖5很好地示出了這種結構，其中示出了輪葉22的橫剖面圖。每個輪葉22的橫剖面形成略微彎曲的c形，其中，輪葉22橫剖面的一端朝向中空空間24，該橫剖面沿著遠離中空空間24的方向徑向延伸，同時保持略微彎曲的c形。然而，本領域的技術人員將意識到其它數量、形狀、結構和/或布置的輪葉或輪葉組件也應當包含在本發明之內，只要該數量、形狀、結構和/或布置被認為可行且適合所要求保護的技術解決方案。

如圖所示的框架結構30是立方體形，其優點在于可支持一個以上的裝置10輕松結合和/或彼此相連。例如，該立方結構支持大量裝置10輕松堆疊在彼此上方和/或下方，或者并排整齊排列。盡管這些圖示中僅示出了具有立方形框架結構的實施例，但是本領域的技術人員顯然會明白，該框架結構的形狀可根據所述裝置的具體要求或應用而改變，只要不影響該框架結構的功能即可。因此，只要不脫離本發明的主旨，其它三維形狀或結構，例如多邊形棱柱體、規則棱柱、不規則棱柱或圓柱形結構，也應當包括在內。

如圖2和3所示，所述框架結構30可包括一對平行配置的頂壁部分和底壁部分32、34，以及一個或多個支撐構件36，該支撐構件36設置于該頂壁部分和底壁部分32、34之間發揮支撐作用。所述框架結構30還可包括至少一個多孔的側壁部分38，該側壁部分38設置于頂壁部分和底壁部分32、34之間。所述側壁部分38的多孔結構允許來自任何方向的風進出所述裝置10，同時，可充當過濾器，避免意外物體進入裝置10，干擾輪葉組件20的旋轉。所述側壁部分38還可避免任何人或野生動物接近旋轉中的輪葉組件20，否則可能造成損傷。多孔的側壁部分38最好可拆卸地安裝在所述框架結構30上或者可拆卸地與所述框架結構30相連，因此，這些側壁部分38其中的一個或多個側壁部分可從框架結構30上拆卸下來。例如，可以拆卸兩個水平互連裝置的框架結構的相鄰側壁，以便這兩個裝置相互連接。

輪葉組件20最好適于可移動地與所述發電單元40連接。所述輪葉組件的多個輪葉22中至少一個輪葉最好可繞一軸c移動，實際上，該軸c平行于所述輪葉組件20的旋轉軸線b，這些軸線如圖3所示。因此，所述輪葉組件20在進入風的驅動之下圍繞軸線b做旋轉運動，進而驅動所述發電單元40進行發電，除此之外，所述輪葉22中至少一個輪葉還可沿著軸線c移動，以調節空氣流與輪葉的接觸角。在一個實施例中，還可以對一個或多個選定輪葉22進行控制，使其獨立或同時移動，這樣，所述輪葉組件20可配置為根據不同的風力條件(例如但不限于，風速、風向和/或風力強度)增加或減少所接受和/或被轉向的風量。還可控制所述輪葉22中至少一個輪葉根據在所述發電單元40上所測得的發電量或電壓來移動。例如，在強風條件下且所述發電單元40所產生的電力已超出某一預定的安全閾值，可配置所述輪葉22中至少一個輪葉接受更少風量，從而降低所述輪葉組件20的旋轉速度，因此產生更少電力。另一方面，當風力相對溫和時和/或當風向變化不定或不可預測時，可配置所述輪葉22中至少一個輪葉移動，以使所述輪葉組件20開口更大，可接受不同方向的風力。

所述輪葉組件20的輪葉22的移動可由控制單元60控制。控制單元60可包括風傳感器62、電能表64和/或計算機處理單元66。其中，風傳感器62用于檢測風力條件，例如但不限于，風速、風向和/或風力強度；電能表64用于測量所產生的電能和/或電壓；計算機處理單元66用于根據所檢測的風力和/或電能條件來控制并調節所述至少一個輪葉22的運動。所述控制單元60還可用于與所述發電單元40通信，以根據所檢測的風力和/或電能條件來調節或控制所述發電單元40的運行。

作為更可取的方案，所述裝置10還可包括一個導流組件50，該導流組件50具有多個導流板52，最好至少為三個，圍繞所述輪葉組件20排列成環狀結構。具體而言，該導流組件50安裝于框架結構30之內，圍繞所述輪葉組件20設置。該導流組件50用于將進入裝置10的多方向空氣流引導向所述輪葉組件20所在的中央位置，從而提高發電效率。

在圖3所示的實施例中，該導流組件50包括八個導流板52，所述導流板52從所述輪葉組件20徑向向外延伸。與輪葉22相似，導流板52可以是任何形狀和/或尺寸，其形狀和/或尺寸通常由裝置10以及輪葉組件20的整體尺寸以及所需的空氣動力性能決定。如圖所示，導流板52最好配置成略微彎曲的形狀。更可取的是，多個導流板52排列成漩渦狀結構。圖4和圖5很好地示出了這種結構，其中示出了導流板52的橫剖面圖。每個導流板52的橫剖面形成略微彎曲的c形，其中，導流板52橫剖面的一端朝向輪葉組件20，該橫剖面沿著遠離輪葉組件20的方向徑向延伸，同時保持略微彎曲的c形。當被引導的空氣流抵達位于中心的輪葉組件20時，所述漩渦狀結構允許被引導的空氣流形成漩渦狀或旋轉氣流，進一步協助驅動輪葉組件20的旋轉。除了如上所述的優選結構，本領域的技術人員將會認識到導流板的所有其他形狀、結構和/或排列及數量也應當包含在本發明之內，只要這些形狀、結構和/或排列及數量被認為可行并適用于本發明。

所述多個導流板52中至少一個導流板最好可繞一軸d移動，實際上，該軸d平行于所述輪葉組件20的旋轉軸線b，這些軸線如圖3所示。在一個實施例中，可控制一個或多個所述導流板52沿著軸d以不同角度獨立或同時移動，這樣，所述導流組件50可配置為根據具體的風力條件(例如但不限于，風速、風向和/或風力強度)接受和引導更多或更少的朝向和/或背離輪葉組件20的風量。一個或多個導流板52還可根據在所述發電單元40處所測得的發電量或電壓來移動。例如，在強風條件下且所述發電單元40所產生的電力已超出某一預定的安全閾值，可移動一個或多個所述導流板52，使得導流組件50接受更少風量，從而減少流向輪葉組件20的風量。另一方面，當風力相對溫和時和/或當風向變化不定或不可預測時，可控制一個或多個所述導流板52移動，這樣，所述導流組件50開口更大，可接受不同方向的更多風量。在風力極強的情況下，例如，在臺風條件下，導流板52也可以移動，使得所述導流組件50形成關閉結構，實質上，封閉輪葉組件20，避免輪葉組件20和導流板52受損。

導流板52的移動可由控制單元60控制，該控制單元60能夠檢測各種風力和/或電能條件，進而能夠相應地調節導流板52的移動。控制單元60的細節已在本說明書上文進行了描述。

輪葉組件20的旋轉可轉化成所述發電單元40產生的電能。具體而言，所述發電單元40可包括任意形式的傳統發電機，例如，常見的交流發電機，其將機械能轉化為電能。例如，所述發電單元40可包括一些基本組件：至少一組線圈構件和至少一組磁體構件，各自發揮相應的功能，而所產生的電力可由控制單元60控制。在一個實施例中，所述發電單元40可設置于所述框架結構30的頂壁部分和底壁部分32、34其中至少一個之上。在如圖2和3所示的另一個實施例中，所述發電單元40包括一對相對的朝內配置的盤件42、44，該對盤件其中的一個盤件42配置于該頂壁部分32，而另一個盤件44配置于該底壁部分34。多個磁體構件46可配置在盤件42、44上，例如，可在盤件42、44上徑向或周向排列。在該實施例中，相對應的線圈構件(未顯示)設置于毗鄰磁體構件46的位置，位于相應的盤件42、44和相應的頂壁部分和底壁部分32、34之間。磁體構件46和線圈構件之間的相對運動產生電力，該電力將由控制單元60檢測和控制。

每個盤件42、44最好配置成截頭圓錐形，其兩個較小的圓形橫截面朝向中空空間24并面向彼此。底部盤件44的周向斜面有助于避免任何有害灰塵、污垢或小石頭聚集在中空空間24內，同時，頂部盤件42的周向斜面有助于防止天氣寒冷時在盤件42的表面形成冰。

如圖所示，所述盤件42、44適于通過多個輪葉22與所述輪葉組件20相連接，這樣，該輪葉組件20的旋轉驅動該對盤件42、44移動，隨后，該運動由所述發電單元40的發電組件轉化成電能。在一個實施例中，還可在所述發電單元40上配置一個齒輪系統來加快旋轉速度，實現更高的發電能力。如前所述，例如，所產生的電能可由電能表64檢測，隨后，由控制單元60的計算機處理單元66進行分析。然后，所述計算機處理單元66能夠控制并調節(例如)選定的一組或多組線圈構件或磁體構件的操作、所述至少一個輪葉22的運動，和/或所述至少一個導流板52的運動，從而調節發電。

裝置10可選擇性地包括一個電力存儲單元，用于存儲所產生的電能，以便在任何風力條件下保持穩定的電能輸出。

在另一個實施例中，裝置10還可包括一個通信模塊，用于與下列的一項或多項進行有線和/或無線通信：諸如服務器或數據庫之類的網絡；一臺或多臺聯網的計算機；一個或多個電子設備；以及根據本發明的一個或多個風力發電裝置。例如，所述通信模塊可配置為在裝置10和用于記錄的網絡數據庫之間進行無線信息(例如，風況參數和/或發電數據)交換。還可配置所述通信模塊從聯網計算機處接收裝置10的操作指令。另外，所述通信模塊還可從諸如便攜式電子設備之類的電子設備處接收操作指令。還可配置所述通信模塊與裝置10的控制單元60通信，以控制所述裝置10的各個零部件的操作。所述裝置10還可在裝置10的運動部件處配置任何隔音裝置(例如，消音元件或聲音緩沖元件)，用于減小或避免裝置運行期間產生噪音。

圖4進一步示出了所述裝置10的頂部剖視圖，其中示出了所述裝置10的各個零部件，包括輪葉22、導流板52、盤件44、磁體構件46以及位于框架結構30的底壁部分34的結構。該圖還示出了連接件26，所述輪葉22通過該連接件26可移動地與盤件42、44相連接，還示出了連接件56，所述導流板可移動地與頂壁部分和底壁部分32、34相連。連接件26和56分別定義了軸c和d，而每個輪葉22和導流板52繞這些軸運動。該圖還示出了被輪葉組件20圍繞的中空空間24，而輪葉組件20被導流組件50圍繞。

風進入裝置10之后相應的氣流路徑如圖5所示。如果進入風沿著如箭頭b所示的方向，則空氣流將首先流經多孔的側壁部分38，多孔的側壁部分38將任何較大的意外物體過濾在框架結構30之外。在經過多孔的側壁部分38之后，進入的風將被引導到至少兩塊連續的導流板52之間，并匯聚于區域α。然后，進入的風可繼續直接流向位于裝置10中央的輪葉組件20，或者，就某些氣流路徑而言，進入的風可能被導流板52其中的一個轉向，然后繼續流入，最終接觸輪葉22并驅動輪葉組件20旋轉。

具體而言，所述兩塊連續的導流板52之間的區域α從52a'到52a”橫截面積減少，致使空氣流繼續以更快的速度流向輪葉組件20。當加速的空氣流接觸或“撞擊”一個或多個輪葉22時，空氣流驅動所述輪葉22旋轉，例如，如圖所示，順時針旋轉。輪葉組件20的旋轉進而將驅動盤件44旋轉，盤件44旋轉驅動發電裝置發電。

在首次撞擊輪葉驅動輪葉組件20旋轉之后，隨后，所述空氣流將流經位于輪葉組件20中央的中空空間24，若在氣流路徑上流動時未被其任何輪葉阻擋，該空氣流則將進入一個或多個區域β，最終，經由另一個多孔的側壁部分38離開框架結構30。另外，流經中空空間24之后，所述空氣流沿著氣流路徑繼續流動時，可第二次與輪葉組件20的一個或多個輪葉22接觸，或者被轉向之后與輪葉組件20的一個或多個輪葉22接觸。第二次“撞擊”可進一步驅動輪葉組件20旋轉。

在驅動輪葉組件20之后，繼續向下流動時，所述空氣流將進入兩塊連續的導流板之間的一個或多個區域β，最終經由一個多孔的側壁部分38離開框架結構30。由輪葉組件旋轉而產生的旋轉氣流還將在區域β的下游開口處形成一個或多個低壓區，這有助于吸引氣流沿著氣流路徑向下流動，然后從框架結構30流出。

盡管上述實施例中僅說明了來自b方向的風的氣流路徑，但是本領域的技術人員將明白來自不同方向或多個方向的進入風也應當包括在內，與如上所述的原理相似。

在本發明的另一個方面，它提供一種風力發電系統100，如圖6所示。具體而言，該系統100包括多個裝置10，它們相對于彼此排列成水平和垂直之中至少一種的配置方式。例如，圖6示出了一種具有六個立方裝置10的系統100，這些裝置堆疊在彼此上方和下方，而且也彼此并排排列。系統100中的這些裝置10的組合或布置可以非常靈活，而且可根據具體地點以及所需的功率要求定制安裝方式。具體而言，為了方便將這些裝置10彼此相連組成一個系統，還可以在框架結構30上配置固定裝置102，以適應不同的連接方法和目的，該固定裝置102可以包括，例如，掛鉤、扣鉤或螺釘以及相對應的凹槽或凹口，用于和所述掛鉤、扣鉤或螺釘相互配合。在如圖6所示的實施例中，例如，多個固定凹槽被設置于框架結構30的角上，因此可以在多個裝置之間實現無縫連接。還可以對固定裝置102進行定制，使得系統100中的一系列裝置10能夠牢固地固定在建筑物的任何所需表面或地面上。例如，一個或多個裝置10可固定在建筑物或某一結構的側壁上，或者可以懸掛連接于天花板或任何連接點上，只要這些裝置可以牢固地懸掛于地面之上即可。

在另一個實施例中，系統100中的所述多個裝置10可配置為通過一個或多個裝置10的通信模塊進行通信。例如，在一定風況下，系統100中的一個或多個裝置10的所述通信模塊可用于交換信息，例如，風況參數和/或發電數據，從而確定這些設備相應的運行設置，使得所述系統產生所需的或預設的總電力輸出值。

由系統100的所述多個裝置10產生的電能可以串聯和/或并聯輸出，具體取決于所述系統特定的電能要求。