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CN101351639A - 一种产生可再生能源的风力设备和风力设备组 - Google Patents

一种产生可再生能源的风力设备和风力设备组 Download PDF

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CN101351639A CNA2006800492461A CN200680049246A CN101351639A CN 101351639 A CN101351639 A CN 101351639A CN A2006800492461 A CNA2006800492461 A CN A2006800492461A CN 200680049246 A CN200680049246 A CN 200680049246A CN 101351639 A CN101351639 A CN 101351639A
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Abstract

本发明公开了一种能够生产可再生能源的风力设备，包括至少一台用于产生电能的发电机和一个连接至发电机的驱动轴，驱动轴包括多个可由风力驱动旋转的叶片，叶片沿着驱动轴相互交错排列。本发明还公开了一种由多个所述风力设备组成的风力设备组。

Description

一种产生可再生能源的风力设备和风力设备组
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的产生可再生能源的风力设备。另外，本发明还涉及一种包含多个上述产地横可再生能源的风力设备的风力设备组。
背景技术
近年来，随着人类对风能研究利用的不断深化，大批风力设备和系统相继问世。在陆地和近海区域，独立的风轮机群或完整的风电厂都装有多台风轮机。在风力作用下，这些风轮机随风旋转并驱动发电机发电产生电能。
然而，独立的风轮机群或风电系统组成的风电厂仍存在很多缺陷。人们需要采用一种特定的结构将这些风轮机刚性地牢固地固定在地面上。这种特定的固定结构极为昂贵，在成本/效益分析下甚至会出现亏损。
最令人担忧的是，独立的风轮机组或整个风电厂实质上造产生了环境问题，特别是乡村和近海区域，它们破坏了地表和近海区域的风景。
发明内容
本发明目的在于，本发明旨在提供一种产生可再生能源的风力设备。该设备环境兼容性好、结构简单、安装简便，在多变的风况条件下依然能够高效运转。
另外，本发明旨在提供一种使用多个上述产生可再生能源的风力设备的风力设备组。
这种产生可再生能源的风力设备包括至少一台发电机以产生电能、一条与该发电机相连的驱动轴，轴上有多个叶片并可随风转动。通过驱动轴上相互交错排列的叶片，可以获得最佳风压的状态，达到极高的驱动轴转速和较高转矩。
本发明的一种产生可再生能源的风力设备，具有如下优点：
-易于安装，无需施工；
-位于用电用户附近，可实现地区基本供电；
-具有良好的通用性，以及在必要时对现有流动条件的自动适应能力，以最大程度地发挥设备效率；
-环保；
-该设备具备能源供应所需的优化型规格，如外形尺寸设计成适合偏远的社区等类似场合；
-发电过程无污染物排放。
这些叶片的优势在于，这些叶片为反向型配置，即具备一种与推进器相似的配置，推进器可用来推进飞行器或船舶等；反向桨则由周围的介质流提供动力。术语“反向型”是指可能带有一个、两个或多个叶片的反向桨。
本发明的优点在于：叶片节距相互可调，以实现介质流动力的优化利用；因此，驱动轴上的叶片节距彼此各异。
另外一个优势在于驱动轴纵向叶片的间距可调。
而且，由于叶片面与驱动轴的相对节距可调，因此可以产生与入射气流压力相配、可定位的叶片面；而且驱动轴各处的压力可以不同。定位工作可由电脑控制，并由机械、机电、气动或液压工具完成。
由于驱动轴处装配有可拆联接的叶片，因此可以快速更换磨破或受损的叶片。
在第一优选实例中，驱动轴可被直接连至为其提供动力的发电机。作为替代方案，驱动轴还可通过匹配的变速箱而接至发电机。
由于被装在矩形或其它形状的框架内，因此，驱动轴的设计结构简易紧凑，便于运输安装。另外，为了发挥优势，也可将发电机装在框架上。
其它优点在于：由于可旋转的框架大体上被置于纵轴周围，因此始终可以根据风向的变化对该设备进行调整，以达到最佳状态。
如果该设备带有一条驱动轴和一条环绕叶片的管道，则可有针对性地引导空气，并于必要时进行调整。驱动轴上的管道可以扩展至进气口末端和排气口末端之间，并具备恒定直径或外形呈锥形变化的直径。
为了发挥优势，本发明的设备可以安排在船体上方，其中含有一个或多个浮体或浮标，优选系链。最大的优点在于：由于所发明的设备可以浮在水面上，因此可以将其置于近海区域而无需后续施工；亦可通过匹配的系链工具将其简单地固定在原处，所以无需成本密集型施工活动即可将其直接重新投入发电利用。
进一步，可由带自动定向型舵杆组件的设备提供后续支承。
本发明的风力设备具备较高转速，可能引发振动。因此，为了发挥优势，驱动轴既可运行于两端的轴承中，又可运行于最少一个其它位置-诸如末端之间的二至五处。一方面可以提高整套设备的刚性、另一方面又可减少驱动轴的旋转数量、甚至可以实现无振动工作。
这种设备的优势在于采用低润滑油型、且永久密封的普通或滚珠轴承，其由塑料或陶瓷制成、并被用作驱动轴的轴承。其使用寿命较长且无需维护。
驱动轴被设计为花键轴、且每个叶片被设计为花键叶片；所以，驱动轴的叶片装配的系统简单、高效、易调；而且它们可以在驱动轴处平稳运行，可以将动力平稳地传输至驱动轴。
该设备外围设有一个网罩，用于防范飞行物体如落叶、鸟类等的侵入。
一个特出的有利配置在于：偏转角为180°的两叶片可以构成一个通用的管状轮廓，其中包括一个容纳流体的空腔。在这种布局中，流体并未完全占满空腔；而最好是占据空腔大约一半的体积，两半叶片采用对称配置。在空腔水平放置时，数量基本相同的流体将占据空腔的两半。当叶片转动时，流体则将突然由重力加速，由此导致叶片继续转动。借助于多个管状轮廓，叶片具备恒定的转速和基本恒定的转矩。尽管所用的流体为水，但为了发挥优势起见，也可采用任何其它适用的流体。
由于转动叶片仅需使用较少的驱动能量，因此这种配置方案尤其适用于气流较弱的情况。
本发明的另一项内容是一种能够产生可再生能源的风力设备组。该系统包括多个如权利要求1至20任一项中所述的风力设备；它们彼此之间前后放置和/或并排放置和/或上下放置。
因此，此类系统可采用模块化设计，以普遍适应各种具体的应用条件。
在具体实施例中，这些设备的驱动轴通常可互联，以共同驱动一台发电机。
而且，本发明的一种或多种设备、系统已被用作船舶推进器。该设备或系统的发电可被用来推动电机；这反过来又可驱动螺旋桨，以便直接推动船舶、或通过由本发明的风力设备或风力设备组充电的蓄电池来推动船舶。
本发明的设备或系统还可被用来运行有关机械，以满足客船和/或货船的电能要求。
综上所述，本发明的设备或系统普遍适用于固定式或移动式的陆运、水运、空运工具等。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。详细内容、特点和优势，请阅读所附图纸的以下参考描述。其中：
图1为本发明第一实施例的侧视图，用来产生可再生能源；
图2为图1中II-II处的剖视图；
图3为本发明的驱动轴以及叶片的局部视图；
图4为本发明的驱动轴及(带有叶片和它们的轴承)的局部视图；
图5为本发明的驱动轴上双叶片轴承部位的拆分图；
图6为本发明的又一实施例的的前视图；
图7为本发明的设备框架的俯视图；
图8为本发明的设备驱动轴实施例(带有管状叶片)的透视图；
图9为图8中实施例的前视图；
图10为图8中实施例的侧视图；
图11a至11c为管状叶片实施例的结构放大图；
图12a至12c为图11a至11c中每个叶片的结构示意图；
图13本发明第一实施例俯视图，其中船体带有一个浮标；
图14本发明第二实施例俯视图，其中船体带有两个浮标；
图15本发明第三实施例俯视图，其中船体带有三个浮标；
图16本发明的设备用于一个带有多个浮标的船舶时前视图/局部截面视图；
图17本发明实施例在带有一个浮标的大型船舶上使用多项发电设备或发电系统时的侧视图。
具体实施方式
结合以上视图中附图标记，对本发明的相关描述如下：
参考图1，其中的侧视图对本发明的第一实施例风力设备1进行了说明，它能够产生可再生能源。如图1所示，风力设备1带有一台发电机3；在实施例中，发电机3通过变速箱4和皮带6联接至驱动轴5。这种皮带可以为平带、V型带或多楔带。
在风力设备尾部，驱动轴5运行于轴承13，然后运行于轴承87；所有轴承都由支架79进行支承。
参考图1可知，本发明的发电设备带有浮体或浮标61；图2则更加清晰地显示了这种配置；侧视图为沿着图1中的线条II-II所绘。
参考图1还可发现：驱动轴5上排有多个反向桨19，它们的形状\与推进器相同。每个反向桨19都带有两个偏转角为180°、且由风力驱动的叶片21。如前所述，反向桨19可以仅带一个叶片21、亦可带有超过两个或两个以上的叶片21。
叶片21和反向桨19分别沿着驱动轴5交错排列，详情如下所述：
浮标61最好配有一条系链63，以使本发明的风力设备1迎风放置，如箭头10所示。为了协助完成该定位工作，风力设备1应带有一个舵杆组件14；借助于后者，可完成所发明设备在气流中的定位。
参考图2，其中更加清晰地说明了所发明设备采用了多么简单的设计原理。两个浮标61通过最少一种连接工具16相连。例如：支架79以横杆和框架的形式由浮标61提供匹配的支持。
如箭头18所示，本发明的风力设备的叶片21逆时针方向转动；而图2中的叶片则交错排列；由于沿着图1所示的驱动轴5布局，因此可以产生所示的轮廓。
叶片21还可采用其它排列方式；这既取决于它们在驱动轴5上的间距，又取决于它们彼此之间的相对节距。换言之，一个反向桨19的叶片21和下一个反向桨19的叶片21之间的相对位置可调，以实现气流介质的最佳传输。
参考图3，说明了驱动轴5上反向桨19的叶片21的最佳调整方式。
为了发挥优势，轴承元件41中的每个叶片21都可围绕双箭头39所示方向周围转动，所以每个叶片的叶片面22都可分别置于贯穿气流中。
而且，这些反向桨19可以沿着驱动轴彼此相隔而置，如双箭头43所示。图3中所示的可行方案仅为个案、且独立的反向桨19的布局与它们的真实设置并不相配；例如：图1和2中的双箭头45可以指示它们的转向。
由于本发明可以实现最佳的设备设置，因此可以实现驱动轴沿线气流机械响应的最佳效率。不仅可以使用图3所示的相同叶片、而且可以使用叶片面各异的不同叶片，以此可以优化所发明的设备。
参考图4，其中从设计的角度说明了驱动轴5的结构视图；该驱动轴带有一个花键轴40，图7更加清晰地说明了其中花键的纵向布局，该图将配置方案显示于分解视图中。轴承元件41采用了剖分设计、并带有两个轴承壳47，其中每个都带有一个花键内廓、并配有花键轴40的花键，以便正向卡住花键轴40。
每个轴承壳47中都插有一个安装衬套48。在这种布局中，衬套48带有内置轴，这样叶片21可被精密地排列、使其偏转角为180°。内部的安装衬套48带有一个花键剖面；每个叶片21的正向都配有变速箱49的花键剖面。由于错开了花键轴40周围的轴承壳47，所以这种正向花键连接既可使叶片21实现预期的定位和转动、而又易于错开与毗邻配对相向而置的一对叶片21。通过常规的紧固件51(含螺母和螺栓)，既可完成轴承壳47之间的固定、又可将安装衬套48和轴承壳之间固定。
参考图6，其从结构图上说明了本发明第一实施例风力设备1；反向桨19或叶片21的布局情况如图1所示，图6为其前视图。
参考图7，其说明了本发明风力设备1；该设备带有一个框架7，它大体采用圆形配置、并在装后围绕转轴8转动，因此本发明的风力设备可以围绕转轴8、并沿着叶片面22的方向转动；借助于舵杆组件14，可以实现设备在气流中的最佳定位，如箭头10所示。
参考图8至10，其说明了本发明风力设备的替换方案；图8展示了一幅透视图、图9a为前视图、而图10则为侧视图。
参考图11a至11c，其中以放大的比例图说明了反向桨的两个叶片24，它们彼此之间的偏转角为180°，并共同构成了一个管状剖面26，其中配置有长腔28，它与周边环境相隔离、并盛有流体30；此时，水最好不要填满长腔28、而应仅占据大体一半的体积。如果构成管状剖面26的一对叶片24从水平位置(如图11a所示；其中流体30大体占据了长腔28中相同的分布体积)转至箭头32所示的一侧，则流体30将被重力突然移至较低的局部空腔中，参见图11b，由此造成对应的叶片24被突然扭曲。图11c所示的填充空腔28已处于其最低位、将进而转至图11a等所示的位置中。
参考图12a至12c，其说明了图11a至11c所示的一个具体实施。叶片24的侧面和末端都配有叶片尖端34，以实现更佳的叶片面，当入射流较少时尤其如此，意即图8至12c中所示的方位因此尤其适用于低量的入射流。
参考图13，其为本发明的风力设备组101俯视图。该系统包含两种所发明设备；每种都包含管道77的外壳、并分别最少带有驱动轴5和叶片21、以及反向桨19。另外，这些设备都带有框架7，以便转动管道77、并调至箭头104所示的气流方向。这些风力设备1都排在船体60中，以作为浮标61运行。发电机可以位于管道77内部或外部。风力设备1负责近海区域的能源供应；发电机产生的电力可通过对应的电源电缆馈入相接的电网中。
作为替代方案，风力设备组101或风力设备1的发电亦可用来推动船体60沿着预期方向运动，如箭头106所示的方向，而与风向104无关。
参考图14，其中对本发明的风力设备组101的第二个实例进行了说明；两个浮标61的平台102上依次排有三台风力设备1。这两个浮标61的布局情况类似于双体船，使得风力设备组尤其适用于近海区域的发电设施，实例如图14所示。
参考图15，风力设备组101的第三个实例进行了说明；该系统被配置为一种三体船，它带有三个浮标61，它们通过匹配的支柱103并联在一起。两台风力设备排在中间浮标61的转框7上。
参考图16，其说明了风力设备对大型船舶105所采用的推进方法。
该风力设备被置于船舶105的船顶107；该船舶的配置与三体船类似，其中包括3个浮标109，它们对应的形状已知。
图16显示了船舶105的前/局部截面视图；其驱动器建议被置于浮标109的尾部；并可附有推进驱动器；另外，还可提供附加的推进驱动器111。
浮标109内装有蓄电池113，它能够存储风力设备1所发的电，并将其用于驱动器111。
船舶105可能带有一个甲板115，以便盛放诸如集装箱、汽车等货物；亦可带有一个旅客甲板117。
当然，通过扩展本发明的风力设备组，亦能够扩展风力设备1，以便为船舶提供必需的推进能量；通过相应的电机，可将这些能量馈入蓄电池和/或直接馈入船舶的推进系统。
此外，本发明的风设备1还可可以为船上的其它用电器如照明装置、加热装置等供电或发电。
参考图17为一种大型客船121的侧视图，本发明风力设备组101的顶部均置有三台风力设备，其中每个都装在可旋转的框架上，以便直面盛行风。与基本竖置的Flettener转子相比，本发明的风力设备和风力设备组的优势最为明显：带有Flettener转子的船舶可被风力倾覆，而本发明的风力设备和风力设备组则可使船舶免受风力倾覆。
本发明的风力设备用于产生可再生能源，具有多项优势：
-易于安装、无需施工，因而所需安装时间短；
-位于用电用户附近，可实现地区基本供电；
-作为现场条件下的一种功能-通过诸多的独立设备，可完成整套模块化系统配置，以实现气流的最佳利用；
-具有良好的通用性，以及在必要时对现有流动条件的自动适应能力，以最大程度地发挥设备效率
-环保；
-该设备具备能源供应所需的优化型规格；例如：外形尺寸组适合选址于偏远的社区等类似地区；
-其运行情况可基于任何水流和异流条件调整；
-发电过程无污染物排放，包括用于所有类型船舶的推进设备亦是如此；
-根据具体的实例，封装后的设备尤其适用于低噪运行。

Claims (24)

1.一种产生可再生能源的风力设备(1)，包括至少一台用于产生电能发电机(3)和一个连接至发电机(3)的驱动轴(5)，驱动轴(5)包括多个可由风力驱动旋转的叶片(21、24)，其特征在于：所述叶片(21、24)沿着驱动轴(5)相互交错排列。
2.根据权利要求1所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：所述叶片(21、24)被为反向型配置。
3.根据权利要求1所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：叶片(21、24)的节距可以相互调整。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：叶片(21、24)的间距可在驱动轴(5)的纵向调整。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：叶片面(22)与驱动轴(5)之间的相对节距可调。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：叶片(21、24)的调整工作借助电脑控制、并采用机械、机电、气动或液压工具来完成。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：叶片(21、24)以可拆联接的方式连接至驱动轴(5)。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：驱动轴(5)直接连接至发电机(3)。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：驱动轴(5)安装于一框架(7)中。
10.根据权利要求9所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：框架(7)水平配置并能绕一垂直方向的轴心旋转。
11.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：所述风力设备(1)安装于一管道(77)中。
12.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：所述风力设备(1)安装在船体上，所述船体包括一个或多个浮体或浮标(61)以及一系链(63)。
13.根据权利要求12所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：所述风力设备(1)包括一个自动定向型的舵杆组件。
14.根据权利要求1或2或3或13所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：驱动轴(5)的两端部设有轴承，驱动轴(5)上两端部轴承之间至少一个位置(87)处也设有轴承。
15.根据权利要求14所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：驱动轴(5)上的轴承为由塑料或陶瓷制成的低润滑油型、永久密封的普通或滚珠轴承。
16.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：驱动轴(5)为一花键轴(40)，所述各叶片(21)为可与花键轴(40)配合的花键式叶片。
17.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：所述风力设备(1)的外部设有网罩。
18.根据权利要求1或2或3所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：偏角为180°的两叶片(24)可以构成一个通用的管状轮廓(26)，管状轮廓(26)包括一可容纳流体(30)的空腔(28)。
19.根据权利要求18所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：所述空腔(28)中的流体(30)为水。
20.根据权利要求18或19所述的一种产生可再生能源的风力设备，其特征在于：所述流体(30)充满大约空腔(28)容积的一半。
21.一种产生可再生能源的风力设备组(101)，其特征在于：包括多个在权利要求1至20中所述的风力设备(1)，所述多个风力设备(1)彼此之间前后放置和/或并排放置和/或上下放置。
22.根据权利要求21所述的一种产生可再生能源的风力设备组，其特征在于：所述多个风力设备(1)的驱动轴(5)相互联接。
23.一种使用了如权利要求1或2或3中所述的风力设备的船舶，其特征在于：其包括至少一个用来推动船舶(105、121)行驶的风力设备(1)。
24.一种使用了如权利要求21或22中所述的风力设备组的船舶，其特征在于：其包括一个用来推动船舶行驶的风力设备组(101)。
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