[發明專利]全向風輪機

有效

• 申請號: 200580044762.0
• 申請日: 2005-12-14
• 公開（公告）號: CN101103198A
• 公開（公告）日: 2008-01-09
• 發明（設計）人: 瓦海斯瓦蘭·蘇雷珊
• 申請（專利權）人: 卡特魯生態發明有限公司
• 主分類號: F03D3/04
• 分類號: F03D3/04;F03D7/06;F03D11/00
• 代理公司: 北京天昊聯合知識產權代理有限公司
• 代理人: 顧紅霞;張天舒

技術領域

本發明涉及這樣一種帶罩式全向風輪機，其豎直排氣并且能夠提取比同等直徑的自由風輪機更多的電力。

背景技術

近年來，對于電力呈指數級增長的全球性需求以及由于利用諸如油和煤等不可再生燃料發電而對生態系統帶來的巨大的侵略性的破壞，還有這些資源的快速消耗以及能夠跟上這種增長的需求的其它自然資源的匱乏，已經為找到可再生能源的進一步發展提供了新的推動力。

幾個世紀以來，人類已經嘗試利用風中可獲得的巨大能量，并且已經在驅動帆船、泵水和磨碎谷物方面取得成功。盡管由于旋轉式發電機的發明，已經在利用風能驅動發電機方面作出了一些嘗試，但是僅僅是在最近五十年才由于發現了高強而輕質的材料而開始認為將風能用于該用途在經濟上具有可行性。

風輪機廣義上劃分為兩類。如在荷蘭風車中非常熟悉的“水平”型，以及如在風速測量杯/槳或達里厄氣翼單元中使用的“豎直”型。“豎直”型風輪機由于不需要經常地旋轉以面向風向，因而設計簡單、強度高并且采用的運動部件更少，并因此眾所周知，但是與水平型風輪機相比較低的效率已經使得水平型風輪機受到偏愛。

對風力發電所進行的廣泛公認的理論分析表明，可以從風中提取的能量與截獲受風面積以及風速的三次方成比例。對于在自由風條件下工作的風輪機，只有通過增大葉片直徑以掃掠更大的面積來實現從風中提取更多的能量。在目前葉片直徑超過150米的商用供電單元中就可以發現這一點。根據貝茨定律，能量提取的最大理論值受限于不超過每平方米自由風中可獲得的能量的59％。然而，即使采用如今的高科技機器，目前也遠沒有達到這一水平。

一種可選的方法是在風到達轉子葉片之前利用擴散器、罩或其它裝置來使自由風加速，從而增大其每平方米的能量密度。由于可提取的能量與風速的三次方成比例，即使是微小的加速也能導致能量密度的巨大增加，因而導致可提取能量的巨大增加。這還使得可以在低得多的風速下開始能量提取，并且可以在長得多的時間內提取能量。于是，這些機器可以在風速低于自由風輪機的可用風速的地區使用。

盡管具有這些優點，但是由于需要將大型罩式結構柔性地安裝在高度暴露于風的位置中，并且需要該結構可以旋轉為面向風，這一點已經成為這種裝置的主要缺陷。另外，隨著自由風的風速增大，通過使用罩而實現的增速效應會將轉子速度提高到非常高的水平，結果在轉子葉片上產生較高的應力。

為了努力結合兩種應用的最佳效果，已經嘗試使加速風的罩豎直排氣并且使風輪機位于豎直部分中。

這種機器主要分為不同的兩類。第一類包括這樣的單元，其利用自由風形成螺旋形空氣運動(渦旋)而產生氣旋效應，從而或者產生通過喉部抽吸空氣的壓差，或者空氣直接沖擊在轉子上以產生旋轉推力。第二類包括這樣的單元，通過該單元的空氣運動基本上是非旋轉的。這種裝置依靠將自由風加速并且從圓筒形單元的周圍經由同心或分段的溝槽進行輸送，從而排放到轉子的掃掠區域的選定部分中。這兩類單元中所使用的轉子從軸向翼型到混合流或離心型。第一類由于具有多于十倍以上的增速效應的能力而更有希望，但是這類裝置不能滿足商業實現的要求。第二類由于純粹依靠通過對氣流進行直接聚集來加速自由風，從而增大其能量密度，因此其增速效應是有限的。這種聚集通過減小風經過的橫截面積來實現。由于風在開放環境中將完全繞過(“漏出”)任何收縮裝置，因此這種直接聚集方式的最大能力是有限的。

由于需要復雜的形狀，需要大量的運動部件，當轉子從其掃掠區域中的活動部分運動到非活動部分時轉子上產生較高的周期性負荷，通過非活動部分產生泄漏損失以及在迫使自由風以高度受收縮的方式經過增速裝置時產生巨大的能量損失，這些裝置的主要缺陷就在于其構造成本較高。較高的收縮會產生阻力和能量損失，這需要利用自由風的一些能量來克服。在多數情況下，這些阻力趨于將經過裝置的風量減小到增速效應實際上為負效應的程度。很多這樣的裝置還依靠另外的物理“氣門”來避免通過非活動部分的空氣損失。因此，即使有一些優點，增速裝置的額外成本都是不合理的。結果，增速式豎直軸機器(甚至水平單元)在商業上還沒有吸引力，并且在與該形式的水平軸風輪機的競爭中還沒有得到認可。