风轮机设备.pdf

提供了一种风轮机设备，该设备包括具有翼形轮廓的叶片。该设备设置成即便在微风条件下也能够启动，并且在较高转速下充当举升型装置。该设备可包括风向偏转件，以使风集中通过该设备。此外，叶片可以与半径线成小于90°的方式定向，这导致了改良的性能。再进一步，该设备可设置成依靠太阳能来加热水。

1.  一种风轮机设备，其特征在于，以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有翼形轮廓，所述翼形轮廓带有连续弯曲的外部翼形表面以及位于内部翼形表面上的杯形部分或切除部分。

2.  如权利要求1所述的风轮机设备，其特征在于，所述设备包括至少两个彼此隔开的端板，且所述轴在所述两个端板之间延伸，所述轮机叶片安装于端板盘并且在所述端板盘之间延伸。

3.  如权利要求2所述的风轮机设备，其特征在于，所述轮机叶片以彼此隔开的方式布置在靠近所述端板的外周的位置处，并且设置成绕所述轴环形。

4.  如前述权利要求中的任一项所述的风轮机设备，其特征在于，每个轮机叶片都具有前缘、后缘、外部低压举升形成内表面以及内部相对高压表面，所述内部相对高压表面从所述前缘向后延伸从所述前缘到所述后缘的距离的一部分，从而使得在所述内部相对高压表面的后端与所述后缘之间存在间隙。

5.  如权利要求4所述的风轮机设备，其特征在于，所述内部相对高压表面向后延伸所述前缘与所述后缘之间距离的10％到90％。

6.  如权利要求5所述的风轮机设备，其特征在于，所述内部高压表面向后延伸所述前缘与所述后缘之间距离的50％到60％。

7.  如前述权利要求中的任一项所述的风轮机设备，其特征在于，在靠近所述设备的位置处设有风向偏转件，以便将风引导到所述设备中。

8.  如权利要求7所述的风轮机设备，其特征在于，所述风向偏转件包括一个或多个板。

9.  如权利要求7所述的风轮机设备，其特征在于，所述设备安装在屋顶的脊线或者多层建筑物的屋顶边缘上，以使得所述脊线或者屋顶边缘充当风向偏转装置。

10.  如前述权利要求中的任一项所述的风轮机设备，其特征在于，所述轮机叶片与从所述轴延伸的半径线成小于90°的角度布置。

11.  如前述权利要求中的任一项所述的风轮机设备，其特征在于，所述轮机叶片是柔性的，使得它们在增大的转速下趋于向外弯曲。

12.  一种风轮机设备，其特征在于，以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有带有连续弯曲的外部翼形表面的翼形轮廓，其中所述轮机叶片与从所述轴延伸的半径线成小于90°的角度布置。

13.  一种风轮机设备，其特征在于，以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有带有连续弯曲的外部翼形表面的翼形轮廓，其中在靠近所述设备的位置处设置有风向偏转件，以便将风流流型引导通过所述设备。

14.  一种风轮机设备，其特征在于，以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有带有连续弯曲的外部翼形表面的翼形轮廓，其中所述设备设置成依靠风能来发电以及依靠太阳能来加热水。

风轮机设备
技术领域
本发明涉及一种风轮机设备。
背景技术
现有风轮机设备存在包括在城市环境中所发现的波动强度以及可变风迎角在内的许多问题。进一步，存在与现有风轮机设备有关的噪声、振动以及可靠性问题。更进一步，在将风轮机设备安装到抬高的位置以达到相符的风况时会产生相当大的成本。
本发明提供了一种风轮机设备，其中缓解了上述问题中的至少某些问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种风轮机设备，其特征在于以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有翼形轮廓，该翼形轮廓带有连续弯曲的外部翼形表面以及位于内部翼形表面上的杯形部分或切除部分。
根据本发明的另一个方面，提供了一种风轮机设备，其特征在于以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有带有连续弯曲的外部翼形表面的翼形轮廓，其中轮机叶片与从轴延伸的半径线成小于90°的角度布置。
根据本发明的另一个方面，提供了一种风轮机设备，其特征在于以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有带有连续弯曲的外部翼形表面的翼形轮廓，其中在靠近该设备的位置处设置有风向偏转件，以便将风引导到设备中。
根据本发明的另一个方面，提供了一种风轮机设备，其特征在于以可旋转的方式绕细长的轴安装的多个细长的轮机叶片，每个轮机叶片都具有带有连续弯曲的外部翼形表面的翼形轮廓，其中该设备还设置成依靠太阳能来加热水。
附图说明
现在通过示例参照附图来描述本发明，其中：
图1是根据本发明的一个实施方式的风轮机设备的端视示意图；
图2示出了图1的设备的立体图；
图3是类似于图1的视图，示出了风轮机设备的另一个实施方式并且说明了风力是如何影响该设备的；
图4是类似于图1的视图，示出了邻近风轮机设备存在偏转件；
图5是类似于图1的视图，示出了安装在屋顶脊线上的本发明的轮机叶片设备；
图6示出了在单轮机模块、双轮机模块或三轮机模块中安装在屋顶脊线上的本发明的风轮机设备的三个示例；
图7是传统的立轴风轮机的端视示意图；
图8是根据本发明的风轮机设备的端视示意图，示出了相对于半径线成小于90°的角度定向的叶片。
图9是类似于图8的端视示意图，示出了与图1中的轮机叶片类似的轮机叶片；
图10是本发明的双节式风轮机模块化设备的立体图；
图11是根据本发明的风轮机设备的端视示意图，示出了柔性轮机叶片；
图12是示出了结合有通过太阳能对水进行加热的根据本发明的风轮机设备的侧视示意图；以及
图13示出了本发明可用的轮机叶片的示例，这些叶片具有切除式轮廓。
具体实施方式
在下面对附图中所示的实施方式进行的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。
在图1和图2中，示出了一种风轮机设备10，该风轮机设备10包括一对端板盘12(图1中仅能看到一个)。端板盘12安装在中心轴14上并且设置成绕中心轴14旋转。
设备10还包括多个、在本示例中为三个非对称的翼形轮机叶片16。叶片16在盘12的外周附近均布并且位于盘12之间。
每个叶片16都包括前缘18、后缘20、外部低压举升形成弯曲表面22以及内部相对高(环境)压表面24。表面24从前缘18向后延伸了从前缘18到后缘20的距离的一部分，在本示例中约为该距离的50％。由此，在各个表面24的后端与对应的后缘20之间存在间隙26。
此外，由于位于叶片16的表面22的内面与对应表面24的相邻面之间的中空部28而使各个叶片16呈杯形。作为选择，叶片16可在靠近后缘20的位置设置有切除部分。
在图3中，示出了类似于图1的视图，只是示出了一种双叶片设备30。在图3中，示出了多个指示风向的箭头31。轮机转向由箭头32指示。如所示，箭头31指示的环境风推进到杯形叶片16的面对下风向的中空部28中。这种作用有助于启动轮机设备30的运动。
一旦已开始旋转运动，就同样存在由流过下部叶片16的表面22上方的风所引起的举升效应(如图3中所示)，其由于叶片16的翼形形状而引起举升。
对于图1到3中所示的本发明的实施方式，应当注意的是，如上文中所述，将轮机叶片1方便地保持在两个外端盘12之间。但是，在没有端板的情况下，也可将它们向后弯曲到中心轴14中。优选地，在本发明的风轮机设备10中使用的叶片数目是两个或三个，但是，必要时可以使用更多个。
各个叶片16的杯形构型的设置为风轮机设备10提供了双重拖曳及举升操作效应。在这种构型中，弯曲的外表面22优选地在很大程度上沿着端板盘12的外部曲线而行。
此外，内部高压表面24可从前缘18向后延伸一段为前缘18与后缘20之间距离的10％-90％的距离。然而，该距离优选地是从前缘18到后缘20的距离的约50％-60％，这是由于已发现这在早期启动性能与叶尖速度比(TSR)性能之间提供优选的折衷办法。
这种构型为待引入的风路提供了足够的内表面，以使风能够平稳地越过各个叶片16的内部流回，且相对全翼形的情况仅有最小的性能变化。
然而，当从后面观察时，翼形杯形形状使得即便在很小的微风时也能够捕捉到风，使得即便在很小的微风条件下也能轻易地开启风轮机设备10。一旦风轮机设备10获得足够的转速和/或风达到足够的强度，它就开始充当举升型装置并且设备10由此能够以比风速快的方式旋转。已经发现，TSR超过1并且通常可在1.5-3的范围中操作。
在图4中，示出了与图1中所示设备相似的轮机叶片设备40。该实施方式也包括一对相对的风向偏转件42和44。偏转件42具有第一板A和第二板B。偏转件44具有第一板D和第二板C。风向由箭头46表示，而轮机设备40的转向由箭头48表示。
在图5中，示出了安装在屋顶54的脊线52上的轮机叶片设备50。风向由箭头56示出，且轮机设备50的转向由箭头58示出。该轮机叶片设备依靠支架59进行安装。
附加在风轮机设备的边缘附近的偏转件42和44能够提高轮机性能。
对于图4的实施方式，发现板A和D明显提供了通过轮机设备40的额外的风力集中度。由此，这些板的存在导致性能提高。但是，已经发现，来自于单块板的最大单独提高是来源于并未将风压缩到轮机中的板B。同样，板C并未压缩风，但是也提供了显著的提高。由此得出结论，偏转件42和44改变轮机的风流流型以具有有利的性能效果。优选地，偏转件42和44的顶缘设置在距风轮机的距离小于风轮机直径的20％的位置处，从而导致性能上的显著提高。
当使用全部四个板A、B、C和D时，获得了最大效果。然而，仅使用板A、B、C和D中的一些也能获得提高。
对于图5的实施方式，屋顶54提供了风偏转装置的一个元件。这提供了图4中所示实施方式的某些益处。
此外，已经发现，当偏转件42和44或者脊线52具有明显可见的V形顶而不是圆形顶时，会获得最佳效果。
此外，已经发现，这些技术可应用到没有屋顶脊线的商用建筑物以及办公大楼。已经发现，在这种情况下，风轮机设备可安装到诸如90°的建筑物拐角之类的建筑物边缘。已经发现，这种拐角为安装本发明的设备提供了机会，这是由于建筑物拐角提供了风力集中区并提供了天然的偏转平板型的几何结构。
此外，屋顶脊线和建筑物拐角在结构上是安装根据本发明的风轮机设备的最坚固的位置。
在图6中，示出了安装在屋顶脊线上的风轮机设备的三个示例。(a)示出了单模块，(b)示出了双模块，以及(c)示出了三模块。
在图7中，示出了传统风轮机设备70的端视图。
在图7中，示出了具有中心旋转轴72和多个周边实心轮机翼形叶片74的风轮机设备70。如图7中所示，当从端视图中观察时，叶片74是对称的。
叶片74具有前端76和后缘78。轮机转向由箭头77示出。叶片74以与半径75成90°的角度布置，该半径75从轴72延伸并与从后缘78延伸的线79相交于中点，叶片74在该中点处最厚。
如所见，每个后缘78都向外延伸超过盘12的边界。已经发现，该90°角是对设备70的效率不利的。
在图8中，示出了根据本发明的风轮机设备80，其中实心的轮机翼形叶片74与半径81成小于90°的角度布置，该半径81从轴72延伸并与从后缘78延伸的线83相交于中点，叶片74在该中点处最厚。已经发现，这个角度导致轮机设备80的效率方面的相当大的提高
在图9中，示出了与图8中所示的设备相似的本发明的轮机叶片轮机设备90。但是，设备90包括一对与图1中所示叶片相似的杯形轮机叶片16。在这种情况下，从各个叶片16的后缘20到具有叶片16最厚部的中点的线与半径线92相交成约76°的角度。
如上所述，已经发现，通过使图8和图9中的叶片以小于90°的角度定向，可以获得改良的性能。这个角度是通过从旋转轴到叶片最厚点的中心引出的线与从叶片最厚点的中心到后缘引出的线的交叉来确定的。人们发现，叶片以小于90°的角度的定向提高了举升与拖曳的比率，并且由此提供了与以90°布置的传统叶片相比改良的性能。
在图10中，示出了本发明的单模块风轮机设备100。在该实施方式中，将两个风轮机部件10放置在一起，以形成一个完整的模块。如所示，这些轮机部件10包括板盘12和轮机叶片16以及轴14。但是，如所示，一个部件的两个叶片16相对于另一部件的两个轮机叶片16旋转90°。这种配置与仅有两个叶片的单个部件相比，提供了更为平滑的力矩曲线和通常更平滑且更好的稳定性能。
在图11中，示出了与图1中所示设备相似的设备110。但是，在这种情况下，设备110包括具有柔性后缘114的轮机翼形叶片112。
在该实施方式中，已经发现，后缘114在增大的转速下趋于向外弯曲。由此，如所示，各个后缘114设置成随着转速增加而从其松弛的静态位置向外移动。这样，如果转速过大，那么后缘114向外弯曲，并且施加更小的举升效果以及更大的拖曳效果，以抑制设备110的增大的转速。叶片112可制成为除了后缘之外是柔性的，以获得与通过使用柔性后缘114所达到的效果相似的效果。
这有效地增大了叶片角度，又降低了性能，从而降低了与渐增的风速有关的TSR。这是一种减小高风速转速，减少失控概率且还降低噪音、振动以及轮机损伤的简单方法。
可以设想，本发明的风轮积设备可以制成为模块化的类型，以使多个构件可以在建筑物上的模块化的配置而被连接在一起。此外，可以设想，单个轮机可以相对容易地以例如注模和挤压成形之类的低成本的大批量生产工艺而被低廉制成。此外，这些构件可以由塑料材料制成。此外，尽管于此描述的实施方式使用具有水平旋转轴的构件，但是可以设想，可以使用具有垂直旋转轴或者成水平和垂直之间的任意角度的旋转轴的构件。
此外，将本发明的风轮机设备特别设想成用于发电。在那方面，可以设想，本发明的构件可以使用可经常用到的电连接器，并且模块化系统中的多个构件可以类似于在光电太阳能电池板中使用的公知方式连接在一起。
由于本发明的设备为安装到位于风力集中的外部位置中的建筑物上而设计，因此在大多数情况下，这些位置也通常是阳光充足的。由此在该设备结合加热水的能力的情况下，能够显著地节省成本是顺理成章的。
按照当前的情况，风轮机和太阳能热水系统是完全分离的产品。两者都单独建立并且需要各自单独的安装架。这些安装架结合传统太阳能热水系统的安装费用能够基本上相当于整个系统费用的三分之一。当前在风轮机和太阳能热水之间不存在传统公知技术形式的协同配合。
结合到本发明的设备中的是在不影响轮机的发电性能的情况下，通过太阳能装置来同样加热水的能力。这具有能够在风轮机本身的基础成本之上添加较少的费用就能够产生热水的优点。代替消费者不得不支付传统太阳能热水系统的惯例性的大笔费用，他们现在通过将太阳能热水系统结合到他们购买的本发明的设备之中，就能够以较少的费用来获得热水。这样，消费者可以在目前能够发电之外，节省他们的太阳能热水系统费用。
存在多种将太阳能热水结合到本发明的设备中的方法。
图12(a)中所示的一个示例是通过使水流过管状的轴14并将抛物线形微带反射结合到叶片内侧中。太阳光130可以在叶片的内侧反射离开，并集中到轴管上以加热水。尽管部分太阳光随着叶片旋转而被叶片阻挡住，但是该方法具有适合于更大范围的日照角度的优点。
另一个示例是通过使水流经安装底座59，并通过如图12(b)中以122示出的常规太阳能热力装置来加热。
另一个示例是通过使水流经安装架顶，并通过如图12(b)中以124示出的常规太阳能热力装置来加热。
在图13(a)和图13(b)中，示出了具有切除轮廓的轮机叶片131和132的示例。这些叶片可用于替代图1和2中所示的叶片16。如可看到的那样，这些叶片实施方式不具有中空部28，但它们仍然具有从前缘18向后缘20部分延伸的表面24。
这样，在所有情况下，均存在面向后的表面134，设置该表面134以便在启动时以类似于中空部28的方式来捕捉风。
将对于本领域技术人员而言显而易见的改进和变形视为落入到本发明的范围之内。