[发明专利]导向设备、风力涡轮机系统以及相关方法

说明书

本发明申请是申请号为201080067816.6(PCT申请号为PCT/SG2010/000314)、发明名称为“竖轴涡轮机”、申请日为2010年8月26日的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种动力产生设备和方法，具体地说，本发明涉及但不限于利用来自自然和/或可再生流体能源的能量转换成电力、扭矩或其他有用的动力形式的绿色能量技术，诸如风力涡轮机或发电机。更具体地，本发明涉及一种用于导向与转子一起使用的流体流的导向设备、一种操作所述导向设备的方法、一种风力涡轮机系统、一种操作所述风力涡轮机系统的方法、以及一种导向与转子一起使用的流体流的方法。

背景技术

自从古代就已经利用风能来给机器提供动力。从那时起，利用更绿色和可再生源(诸如风力)产生动力的需要已经变得越来越急迫，并且为了产生电力而研发了风力涡轮机。尽管如此，就商业角度来说，风电很少获得成功，这是因为风力的供应随着时间和地理而具有可变性。通常，在恒定高风速区域中运行的风力涡轮机往往在商业上更可行，但是这样的场所很少。

为了在不同的场所和应用中使用已经研发了不同的风力涡轮机设计。例如，根据风向轮叶的叶片是否围绕水平或竖直布置的轴的轴线旋转而可以将风力涡轮机分类。水平轴风力涡轮机(HAWT)由于它们往往更高效而获得了更为普遍的应用：这是由于叶片旋转方向与风力流动方向垂直，使得它们在旋转期间通过整个周期来接收能量。它们也遭受一些缺点，特别是在塔和叶片的舷弧高度、尺寸和重量，这使得安装、操作和维护都极其昂贵。它们还需要仔细地定位在风力中，在风力速度和方向发生变化的情况下它们可能无法很好地工作。这种风力涡轮机在视觉上以及对任何野生动植物、对无线电信号的传输还具有潜在破坏。

竖轴风力涡轮机(VAWT)固有地效率较低，这是由于叶片在其被向前“吹动”的旋转周期期间的仅一部分从风力接收能量。对于该循环的大量剩余部分，叶片在基本迎着风力流动方向的方向上旋转。这可以与其中风能通过叶片在其整个周期中都被捕获的HAWT形成对照。下面将对此进行更详细的描述；这里，只要说当转子叶片经历其周期时由于转子叶片行进到风中时的阻力而使得从风力捕获的大部分能量通常都损失了就已足够。尽管如此，VAWT具有能够从低速和变化更大的速度的风中收获动力的优点。它们往往更小更轻，并且能够以更低的高度布置，从而使得显著性、安装和维护成本降低。这允许在更多种地方使用VAWT。

由于VAWT在其他方面的有利特性，已经努力改进VAWT的效率。举例来说，US2007/0241567描述了使用导向件将风偏压或引导到转子叶片上，无论风向如何，这都增强了涡轮机在各种地方的使用。由法国的GualIndustrie以“StatoEolien”的名义出售的可商业获得的VAWT(http://www.gual-statoeolien.com/English/defaultang.html)包括类似的导向装置。尽管这有助于增加可用风力对转子叶片的作用，但总体输出效率仍然较差，这是因为在叶片周期的稍后阶段期间当叶片克服风力沿着原路返回时由叶片捕获的风能稍后被“放弃”。如可能预见的，这是严重影响涡轮机发电效率的因素，特别是在采用VAWT的低风速地区，在这些地区任何这种损失都会被特别敏锐地感觉到。

提高风力涡轮机特别是VAWT的效率将是令人期望的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于导向与转子一起使用的流体流的导向设备，该转子包括环形径向轮叶组件，该环形径向轮叶组件包围借助于该轮叶组件而被封闭保护的中央空间并且被布置成围绕竖直轴旋转，该导向设备包括遮蔽件，该遮蔽件在使用过程中用于引导流体沿着与转子相同的方向在所述中央空间内基本围绕所述竖直轴循环。

通过不仅管理气流到涡轮机内的进入，而且还管理气流在所述涡轮机内的运动以及气流从所述涡轮机的退出，能够在VAWT内减少所产生的湍流和阻力的水平，特别是在背离来风的正面高压冲击的区域内。使气流在与转子运动相同的方向上循环，通过引导气流流过径向转子布置内的中央空间的不同区域，有助于减小产生逆着期望转子方向的背向力的阻力水平。在另外的实施方式中，以气流推动在转子的轮叶上的方式将气流从所述转子和涡轮机导出，从而两次从风获得能量：一次在迎风侧(当空气流入涡轮机时)以及当空气退出涡轮机时。

根据本发明的第二方面，提供了一种风力涡轮机系统，该风力涡轮机系统包括转子，该转子包括围绕中央空间的环形径向轮叶组件，并被布置成围绕竖直轴旋转，该转子操作地连接至本发明的导向设备。