高海拔磁懸浮垂直軸風力渦輪機系統(tǒng)(ham-vawt)的制作方法
【專利說明】
1.
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及使用垂直軸風力渦輪機(VAWT)從風能生產(chǎn)電力，或者其它有用的產(chǎn)品O
I1.
【背景技術(shù)】
[0002]在一垂直軸風力渦輪機中，來自自然風的能量旋轉(zhuǎn)渦輪機葉片，其被支撐在一垂直軸上，并將其轉(zhuǎn)換為電力，或其它有用的產(chǎn)品。具有這樣的一系統(tǒng)，任何空氣動力葉片(機翼)在低風速下的性能差并且葉片在低旋轉(zhuǎn)速度下可能失速。任何風力渦輪機系統(tǒng)的安裝因此在地理上被限制和限于放置在令人滿意的風況存在的地方。這是因為任何風力渦輪機需要一穩(wěn)定的風速以在50/60HZ的恒定頻率下有效地產(chǎn)生電力。在一線圈電場發(fā)電機與VAWT —起被使用的情況下，所產(chǎn)生的電功率的30%通常在自激發(fā)電機或者被交替使用的一永磁發(fā)電機中損耗。另一方面，永磁發(fā)電機給VAWT系統(tǒng)帶來一相對較高的總系統(tǒng)重量和較高的系統(tǒng)成本的缺點。在磁懸浮VAWT設(shè)計中，永久磁鐵被用于磁性地懸浮渦輪機系統(tǒng)垂直于一轉(zhuǎn)軸，作為用于常規(guī)風力渦輪機上使用的球軸承的一有效替代。
[0003]如在現(xiàn)有技術(shù)中和/或具有類似概念的機器所示的風力渦輪機的實施例由美國專利號:2634177，3140850，3719377，和4494008給出，其公開內(nèi)容在此引用參考。
[0004]本發(fā)明提供了現(xiàn)有技術(shù)的磁懸浮垂直軸風力渦輪機(VAWT)的改進。本發(fā)明的高海拔磁懸浮(HAM)VAWT系統(tǒng)包括一氦升降傳輸工具以持續(xù)校準VAWT系統(tǒng)至其設(shè)計風速存在的最優(yōu)高度。本發(fā)明還包括一較小的VAWT以從外部激勵主VAWT的發(fā)電機的線圈電場，以減少通常發(fā)生在同步發(fā)電機的功率損耗。
[0005]為了避免它們可能退磁，用于實現(xiàn)設(shè)計的磁懸浮部分的永久磁鐵也被替換為由較小的VAWT提供的一電流激勵的線圈電場。在一個實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)提供了一高度自校準高效風能利用設(shè)備，其明智地在任何地理位置的最優(yōu)風況下放置VAWT確保其在任何時間以最大效率工作。
I I1.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在一第一實施例中，本發(fā)明的高海拔磁懸浮垂直軸風力渦輪機(HAM-VAWT)系統(tǒng)包括一個或兩個永久地固定至一氦氣傳輸工具結(jié)構(gòu)的磁懸浮VAWT，在其結(jié)構(gòu)中也承載了通過持續(xù)監(jiān)控和記錄所有的天氣相關(guān)的指標(例如環(huán)境溫度，大氣壓力，風速等)控制VAWT系統(tǒng)的標高的一氣象站。來自氣象站的數(shù)據(jù)將命令氦氣傳輸工具或上升或下降，以自校準自身置于VAWT設(shè)計風速存在的最優(yōu)風況下。風流入主(較大)VAffT (7)將旋轉(zhuǎn)其葉片以有效地產(chǎn)生預(yù)期的額定電功率。本發(fā)明的系統(tǒng)被設(shè)計為它可以被遠程操作。
[0007]在另一實施例中，每個磁懸浮VAWT系統(tǒng)包括兩個通過它們的發(fā)電機底蓋連接在一起的磁性地懸浮(磁懸浮)VAWTs。兩個VAWTs都配有替代永久磁鐵的線圈電場同步發(fā)電機，以避免其相對較重總重量和可能的長期退磁。這個改變允許一等效系統(tǒng)的重量減少約三分之二。這是本發(fā)明的系統(tǒng)的一先決條件，因為它具有提供氦升降傳輸工具可以承載的有效負載允許內(nèi)的最大裝機功率容量的進一步的目的。較小的VAWT(8)具有激勵包括提供磁懸浮效應(yīng)的線圈電場的兩發(fā)電機內(nèi)的所有線圈電場的目的。較大的VAWT(7)是產(chǎn)生本發(fā)明的系統(tǒng)計劃的額定電功率的主風力發(fā)電機。包含在一金屬箱框架(6)內(nèi)的VAWT系統(tǒng)被牢固地緊固至氦升降傳輸工具上。該金屬箱框架可以配有四個風攔截器，以為了更多的發(fā)電引導(dǎo)較大的風量進入葉片。當前發(fā)明的各個VAWT系統(tǒng)被設(shè)計為具有250kW的一裝機容量和約2100kg的一總重量，并且被連接至一電纜(9)將電力輸出傳輸至地面上的預(yù)期用戶。
[0008]平行于電纜的一鋼索(10)還被用于固定VAWT系統(tǒng)至地面上的一特定位置，其中用于系統(tǒng)的一著陸架被構(gòu)建。
[0009]在另一實施例中，氦升降傳輸工具具有約750kg的一總重量的一球形輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由在兩者頂點并且以至彼此120°的一角度彼此綁定的3個圓形碳纖維桁架組成。每個圓形桁架(11)進一步由一六邊形結(jié)構(gòu)(12)內(nèi)部支撐以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。該碳纖維桁架的所有獨立元件具有一三角形排列并且由該結(jié)構(gòu)內(nèi)周密間隔的結(jié)板緊固在一起。外部包膜(I)是被覆蓋有一納米基底層的一聚酯防撕裂織物，以使其防風雨，即雨水，并且太陽的光和熱不會影響其耐久性。兩個半球形(13)的氦氣袋被放置在圓形金屬結(jié)構(gòu)的中心，這給予了本發(fā)明的系統(tǒng)以上升/下降和易機動性的能力。
[0010]該氦升降傳輸工具可以配有具有高達120°的一旋轉(zhuǎn)角度的兩個螺旋槳和一舵
(2)和兩個升降機(3)，以使得本發(fā)明的系統(tǒng)能夠上升/下降和機動性。每個螺旋槳(4)可以由一 IlOkW的電動馬達或一強勁的150馬力的航空器發(fā)動機驅(qū)動。該氦氣袋的總體積將決定該氦升降傳輸工具能夠承載的最大起飛負載。對于250kW裝機容量的一 VAWT系統(tǒng)，該氦氣半球?qū)⒕哂屑s20米的一直徑，而一 500kW的VAWT系統(tǒng)將需要具有一 24.5米直徑的一氦氣球。該500kW的VAWT系統(tǒng)基本上是在其之間留有必要的空間的兩個250kW的VAWT系統(tǒng)適當?shù)毓潭ㄔ谇蛐谓Y(jié)構(gòu)下。
[0011]在另一實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)包括具有通過利用最新的數(shù)字傳感器和數(shù)據(jù)記錄器持續(xù)監(jiān)控和記錄所有的天氣相關(guān)的指標(例如環(huán)境溫度，大氣壓力，風速等)控制當前發(fā)明的系統(tǒng)的標高的主要目的一氣象站(5)。來自氣象站的數(shù)據(jù)將命令氦氣傳輸工具或上升或下降，以自校準自身至VAWT設(shè)計風速存在的最優(yōu)風況內(nèi)。
[0012]因此本發(fā)明具有使用垂直軸風力渦輪機(VAWT)系統(tǒng)從風能產(chǎn)生電力或其它有用的產(chǎn)品的主要目的。
[0013]本發(fā)明具有提供利用風能的一改進設(shè)備的進一步的目的，其可以以最小結(jié)構(gòu)前置時間建立并且無需長年的風測量和/或分析。
[0014]本發(fā)明具有提供通過在相關(guān)高度自校準VAWT系統(tǒng)利用風能的一改進設(shè)備的進一步的目的，其中最優(yōu)風況存在以確保其在任何時間以最大效率工作。
[0015]本發(fā)明具有提供在高海拔的一氣象站以監(jiān)控天氣系統(tǒng)的進一步的目的，并且其中也可以設(shè)置一自然災(zāi)害報警系統(tǒng)。
[0016]本發(fā)明具有改進在任何給定的地理位置的無論多弱的風況的一磁懸浮垂直軸風力渦輪機(VAWT)系統(tǒng)的有效性和效率的進一步的目的。
IV.【附圖說明】
[0017]圖(I)提供了本發(fā)明的高海拔磁懸浮VAWT (HAM-VAffT)的一剖切透視的一 3D表示，示出了在球形包膜內(nèi)的球形金屬結(jié)構(gòu)和氦氣袋的多種布置。
[0018]圖(2)提供了本發(fā)明的系統(tǒng)的一 3D仰視圖，說明了具有在氣象站機艙下方安裝的兩個250kW VAWT系統(tǒng)的可能性。
[0019]圖(3)提供了兩個同步發(fā)電機(勵磁機和主發(fā)電機)的一剖切透視，連同線圈電場提供磁懸浮效應(yīng)。
【主權(quán)項】
1.一高海拔磁懸浮(HAM)垂直軸風力渦輪機(VAWT)系統(tǒng)，其特征在于，包括: (a)一第一部件具有一個或兩個磁懸浮VAWT系統(tǒng)，其中每個系統(tǒng)配有兩個通過它們的發(fā)電機底蓋連接在一起的磁懸浮VAWT，作為將風能轉(zhuǎn)換為電能和/或有用產(chǎn)品的一工具； (b)一第二部件具有一遠程控制的球形氦氣傳輸工具其具有多個金屬三角形桁架以圓形和六邊形結(jié)構(gòu)方式緊固在一起，作為承載和校準1(a)的VAWT系統(tǒng)至其設(shè)計風速存在的最優(yōu)高度的一有效工具； (C) 一第三部件具有一氣象站，作為控制當前發(fā)明的系統(tǒng)的標高并且持續(xù)引導(dǎo)氦升降傳輸工具至所需的最優(yōu)高度內(nèi)的一工具。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高海拔磁懸浮垂直軸風力渦輪機系統(tǒng)，其特征在于，小VAWT的輸出用于激勵主(較大的)VAWT的發(fā)電機，以產(chǎn)生本發(fā)明的系統(tǒng)的額定電功率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高海拔磁懸浮垂直軸風力渦輪機系統(tǒng)，其特征在于，進一步包括兩個氦氣袋，以允許支撐等效于最多兩個VAWT系統(tǒng)的重量的一總有效負載。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高海拔磁懸浮垂直軸風力渦輪機系統(tǒng)，其特征在于，配有一舵，升降機，以及兩個航空器發(fā)動機以使本發(fā)明的系統(tǒng)能夠上升/下降和機動性至所需的高度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁懸浮VAWT系統(tǒng)，其特征在于，配有線圈電場替代永久磁鐵為兩個風力發(fā)電機都提供磁懸浮效應(yīng)。
【專利摘要】磁懸浮垂直軸風力渦輪機(VAWT)的功能已經(jīng)進行了改進以便于有效利用在高海拔以及不存在弱風況的地理位置的限制。所提出的VAWT系統(tǒng)可以以最小結(jié)構(gòu)前置時間建立并且無需長年的風測量和/或分析。氦升降傳輸工具被設(shè)計為持續(xù)校準VAWT系統(tǒng)至其設(shè)計風速存在的最優(yōu)高度，因此確保其在任何時間以最大效率工作。氦傳輸工具配有一舵，升降機，以及兩個航空器發(fā)動機以使其能夠上升/下降和機動性。氦傳輸工具由一持續(xù)監(jiān)控不同天氣指標的氣象站控制和引導(dǎo)。
【IPC分類】B64B1-20
【公開號】CN104768846
【申請?zhí)枴緾N201280075260
【發(fā)明人】那扎爾·默罕默德·哈桑
【申請人】那扎爾·默罕默德·哈桑
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2012年6月20日
【公告號】DE112012006563T5, WO2013189503A2, WO2013189503A3