[0002] 本申请要求2007年12月10日提交的申请号为61/012,759的美国临时
专利申请的优先权,在此以参见的方式引入该申请的全部内容。
技术领域
[0003] 本
发明涉及能量转换,并且在某些优选
实施例中涉及从流体流动例如
风到另一种能量类型例如
电能的能量转换。
背景技术
[0004] 从流体流动例如从风到电能的能量转换在过去通常是用大型的单级
水平轴
涡轮机实现。针对这种结构的能量转换效率可能很有限。由于代用
能源例如
风能正越来越多地被用于对抗化石
燃料不断上升的能量成本,因此将与这些代用能源有关的能量效率最大化就变得更加重要。对用于把来自流体流动的能量转换为电能的改进方法和系统存在需求。
发明内容
[0005] 介绍了对于将流体能量转换为另一种形式的能量例如电能所具有的效率的改进能
力。在实施例中,在可伸缩的模块网络上层结构中容纳有流体能量转换模块的阵列。在某些优选实施例中,多台
涡轮机例如
风力涡轮机可以用适当的排列彼此靠近地被设置在阵列内并且拥有适于紧密填充在阵列内的几何形状以及被优化用于从流体流动中提取能量的其他参数。另外,涡轮机可以是对变化的条件更加有效自适应的涡轮机或者涡轮机阵列,变化的条件包括在一个阵列内的不同涡轮机当中或者在一组阵列内的不同涡轮机当中可能会有所不同的流体条件。
[0006] 根据以下对优选实施例和
附图的详细说明,本发明的这些以及其他的系统、方法、目标、特征和优点对于本领域技术人员将会是显而易见的。在此以参见的方式引入本文中提及的所有文献的全部内容。
附图说明
[0007] 可以通过参考以下的附图来理解本发明以及下文中对其某些实施例的详细说明:
[0008] 图1示出了动力存取设备。
[0009] 图2示出了动力存取设备阵列。
[0010] 图3示出了正多边形的膨胀出口、模块和阵列。
[0011] 图4示出了复杂构形的连接器和元件。
[0012] 图5A和5B示出了
密度和外形可变的结构元件的示例。
[0013] 图6A和6B示出了表面上和剖面内的线性凹陷。
[0014] 图7示出了与75m的水平轴风力涡轮机具有相同面积的85m×51m的均匀阵列。
[0015] 图8示出了与75m的水平轴风力涡轮机具有相同面积的100m×44m的均匀阵列。
[0016] 图9A和9B示出了
串联阵列的侧视图和正视图。
[0017] 图10示出了具有定向尾部的非均匀阵列。
[0018] 图11示出了具有三台集成发
电机的阵列。
[0019] 图12示出了集成的发电机模块的示例。
[0020] 图13示出了具备存储的阵列。
[0021] 图14示出了三
角形上层结构中的模块。
[0023] 图16示出了串联设置的两个喷嘴。
[0024] 图17示出了六边形喷嘴的侧视图。
[0025] 图18示出了具有圆形喉管和多边形出口的喷嘴。
[0026] 图19示出了两个嵌套的喷嘴。
[0027] 图20示出了上层结构连接器。
[0028] 图21示出了水平轴风力
涡轮发电机的设置。
[0029] 图22示出了用于六边形模块的上层结构和模块设置。
[0030] 图23示出了用于正方形阵列的立体构架。
[0031] 图24示出了喷嘴多边形入口的示例。
[0032] 图25示出了正方形阵列内功率传输的示例。
[0033] 图26示出了初始入口动量矢量的示意图。
[0034] 图27示出了具有截头入口和出口的喷嘴。
[0035] 图28示出了具有截头入口和1/r-0内插值
曲率的喷嘴。
[0036] 图29示出了用于入口几何形状的弧形截面图。
[0038] 图31示出了3-叶片的
转子效率曲线。
[0039] 图32示出了每年的速度分布曲线。
[0040] 图33示出了由线速度每年分配的功率输出。
[0041] 图34示出了具有较重负载以进行变换的年度分布。
[0042] 图35示出了处于打开
位置的12个叶片,其中速度大约在1-3m/s的范围内。
[0043] 图36示出了处于打开位置的6个叶片,其中速度大约在3-6m/s的范围内。
[0044] 图37示出了处于关闭位置的3个叶片,其中速度大约为6m/s以上。
[0045] 图38示出了打开和关闭的剖面示例。
[0046] 图39示出了由具有中心
配重容器的可旋转主体构成的转子。
[0047] 图40示出了用于增重结构的初始位置。
[0048] 图41示出了增重结构的后续位置。
[0049] 图42示出了运动中的3叶片结构。
[0050] 图43示出了具有配重控制通道和中心配重容器的3叶片结构。
具体实施方式
[0051] 本发明可以包括n×m的模块阵列,具有设置在阵列中并相对于流体流动定向的多个能量生成模块(在某些优选实施例中为风力涡轮机),其中多个模块的能量转换单元被最优地设置在给定的阵列结构中以使能量输出最大化。
[0052] 在实施例中,向着阵列的方向流动的流体可以优选地是自然或人工生成的差动流动,例如风、
太阳能热气流、差动通道流动、或者是自然情况或人工情况下的类似情况,而且也可以是通过原动力产生的“尾流”流动或其反向流动,例如潮汐、旋转、流体、气体位移等。图1示出了本发明的一个实施例,示出了具有上层结构和电力下层结构的阵列124中的四个代表性模块110的各个部件,包括喷嘴设备104(其依次可以具有结构特征和定向设备),
动能存取设备108(其可以包括转子例如具有叶片和毂),驱动设备112(例如变速驱动设备),发电机122,构件102,定向设备114,叶片118,毂120等。在实施例中,模块110的阵列124可以与集成或非集成的上层结构和电力下层结构相连,电力下层结构可以与能量处理设备130和能量存储设备132相互作用。应该理解在阵列124内可以设置任意数量的模块110,其中最佳阵列124可以包括远远多于四个模块110。
[0053] 如图1中所示,
轴承128例如
滚珠轴承等,或者例如材料性质轴承例如Teflon轴承等,或者
流体轴承,
磁性轴承,整体式轴承例如锥体/滚珠轴承等或具有这些轴承的全部或部分性质的某些组合轴承可以被用于
支撑模块阵列例如用于允许阵列绕竖直轴线旋转,允许将阵列相对于流体流动的方向定向(或自定向,如下文中参照某些优选实施例所述)。在使用了磁性轴承或类似轴承结构的情况下,轴承结构可以产生用于立即使用或者用于暂时存储的额外能量。驱动设备和发电机可以与电力下层结构相连,电力下层结构包括导
电介质例如导电金属、导
电流体等例如
磁流变液、
铁磁流体、超导体等或者导电气体,可以与阵列的上层结构集成在一起或相连,以使得来自模块的能量可以被送至外部能量处理设备,并且可选地送至局部或全局的能量存储设备,例如
飞轮、压缩空气、重力存储(克服高度差异向上
泵抽液体、气体或固体)、
电池、多块电池等,类似地送至能量转换设备例如
电解氢气和
氧气的生产设备,或者传输、终端使用、存储设备等的某种组合。在实施例中,与电力分配或输送系统有关的磁性质可以被用于帮助例如在发电机转子内定向阵列(例如使用电流的磁特性来激励包含输送设备的
定子)。
[0054] 参照图2,阵列124,例如结合图1介绍的那些阵列,每一个都含有多个模块110,可以依次地被设置到多个阵列124内,相对于彼此进行排布并且相对于流体流动的方向定向。图2示出了以棋盘模式设置的四个阵列124的一种可能的视图,这是一组阵列124的一个优选实施例。在实施例中,阵列124可以被设置为多种组合,例如本文中介绍的棋盘,其可以利用矩阵以划分
指定场所。在实施例中,模块可以具有为主喷嘴表面提供支撑的至少一个结构模块,包括用于功率部件的支撑和保护。在实施例中,惯量转子可以利用半径可变的配重系统来调节旋转动量以提供可变的
转动惯量,其中
转子叶片和毂可以包括单级或多级腔室。在实施例中,模块的喷嘴部分在功率生成中可能是很重要的。
[0055] 如图3中所示,nxm的模块阵列302可以包括可伸缩的模块网络上层结构,为至少一个模块和用于功率控制、管理的设备提供支撑并从各个模块收集功率,然后将所述功率转换并传输至多个存储单元、网络或其组合。在实施例中,模块的喷嘴部分在功率生成中可能是很重要的。第二个特征可以是用于确定收缩区域要符合的曲率的径向函数。
现有技术中用于径向喷嘴的最佳曲率可以是来自于圆形的弧形部分,例如在1.8到2d之间,其中d是喉管的直径。这样的曲率可以在入口区域造成很大一部分的可用
质量的损失。在实施例中,根据喷嘴收缩的水平,不同类型的单弧和多弧曲率均可使用,例如专
门用于低收缩率的单弧径向或椭圆形曲率,在低收缩率或中收缩率使用的两种径向函数的单弧交集,基于由本发明的方法部分中介绍的动量分布的矢量差值确定的弧形部分的单弧实现,用于较高收缩率的多弧和
单体或多体托板等。该曲率还可以根据其相对于边界多边形和喉管中心的角坐标而改变。
[0056] 图4示出了复杂构形的连接器和元件402的一个实施例。在实施例中,本发明结构中扩散的几何形状可以以入口对扩散部分的收缩率的比值为
基础,该比值可得到收缩体积到扩散体积的体积比函数,其中体积比随着收缩率而增加。
[0057] 图5A和5B示出了结构元件502A和502B的实施例。在实施例中,可以提供阵列上层结构和阵列安装,其中阵列上层结构可以包括功率传输和管理以及控制部件、模块结构支撑元件、阵列支撑结构等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括网络化或分布式的功率控制和传输。
[0058] 图6A和6B示出了例如用于壁部喷嘴、结构元件等的线性凹陷。在实施例中,上层结构的结构可以基于特定的阵列实施方式。阵列实施方式可以遵循基于模块几何形状的任意多种几何形状,例如六边形、矩形、三角形、梯形等,其中阵列几何形状可以不取决于模块的几何形状。与安装有关地,可以设有能量存储。由于来源的可变性,因此可能希望具有用于风能机械的成本有效的能量存储方法。
[0059] 上层结构可以是(例如由于喷嘴的形状而)自定向的并且可以包括用于机械地或者以其他方式控制阵列或模块在阵列内相对于固定不变的流体流动方向的定向的方法和系统。在其最简单的形式中,存储/恢复设备可以包括加压优选介质的方法,用于存储压缩介质的
压力容器,用于回收通过用控制到涡轮机的流量的方法压缩而释放的
热能的辅助外部压力容器,用于根据
电网要求在主容器内释放加压介质的控制
阀,至少一个
涡流管,流体腔,用于将热流和冷流的热性质传导或输送至流体腔内的设备,流体腔内用于增加流体中的动能比例的多个嵌入式喷嘴,用于控制和管理源于压力系统的功率的设备,用于收集得到的所有动能并将功率传送至电网的设备等。在实施例中,本发明可以包括多种加工和功能部件,例如定向阵列,用于使空气
加速进入阵列元件内的喷嘴,将
流体动能转换为机械能的转子电机,用于将机械能转换为可用速率或控制加至设备进行动能转换的负载以允许在最优范围内进行能量转换过程的
齿轮箱,将机械能转换为电能的发电机,能量存储,用于将产生的能量转换或调制为所需形式的设备,子站和电网
接口,
燃料电池负载等。
[0060] 根据流动性质,例如漂浮悬浮、塔/
塔架、建筑集成、缆绳悬置等,上层结构可以通过多种方法和系统得到支撑。在实施例中,模块或阵列可以设有将其自身相对于流体流动定向的方式。例如,可以设置尾部用于构件的自定向,例如设置在将模块或阵列旋转至风向的旋转支撑轴上的尾部,或者喷嘴或阵列的结构可以用带来更多定向性质的方式构造。在实施例中,喷嘴的结构可以提供本发明的重要元件,例如2.75收缩的喷嘴产生6到7.5倍的功率增加等。
[0061] 上层结构可以被实施为包括承载和功率分配方法在内的独立模块支撑结构。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括收缩。例如,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为7∶1。在实施例中,喉管直径到入口直径的收缩比可以大于2并且其中喷嘴被用于喷嘴阵列中或者作为单独的喷嘴。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为9∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.75,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为11∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比可以大于1.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍。
[0062] 如图7和图8中所示,阵列的实施可以提供各种优点。在实施例中,钻孔可能是一个因素,其中
钻头可以从外侧穿透以增加来自外部环境空气的流量,或者用钻孔进行调校以引入环境空气并改变涡流。在实施例中,更加复杂的入口形状可能是一个因素,例如各种几何形状的组合,用多边形截取悬链曲面,采用二次曲面函数并将其用在椭圆表面上形成
通风良好的空
气动力学形状(例如鲨鱼鳞片形、
单层或多层凹陷、鲸须状等)。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有前缘以及在喷嘴的前缘和喉管之间的入口曲率;其中喷嘴的前缘和入口曲率适于聚焦入口区域内空气粒子的动量矢量以有利于喷嘴内的空气流动。在实施例中,喷嘴可以是串联的,例如在喉管中向后嵌套的喷嘴,其中喉管以内的喷嘴可以非常接近于理论增加水平,并且外部的喷嘴也可以达到其理论增加水平的90%。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有被设置用于根据入口区域内的动量矢量来优化气流的入口几何形状,其中动量矢量可以得自于和喷嘴前缘角度的相互作用,喷嘴可以被设置用于产生动量矢量以在与喷嘴前缘相互作用之后清理喷嘴的喉管等。
[0063] 在该系统中,作用在构件上的动态压力可以通过构件被平等地分配而不是像绝大多数水平轴机械那样聚集在
推进器底部或塔架上,由此增加了能够由机械宽度的每一个线性底座所
覆盖的总体扫掠面积。在实施例中,扩散器的几何形状可能是一个因素,例如出口角度,扩散器长度,将扩散器切分为两半、四分之一等,提高扩散器效率,扩散器形状,径向涡流等。
[0064] 某些阵列的几何形状,例如x,y轴平面内的矩形/正方形、三角形、梯形或者其组合或反向形状(例如反向的梯形或六边形)可以使得相对于成本的风面利用最大化。在实施例中,入口几何形状和扩散器几何形状之间的关系可以根据收缩率而改变。为了形成高质量吞吐量,随着收缩率的提高,入口和扩散器的几何形状可能会变得越来越重要。在实施例中,转子参数在本发明中可能很重要,例如叶片和表面的形状(可以在叶片的上下表面上形成涡流)。
[0065] 图9A和9B示出了串联阵列的侧视图902A和正视图902B。另外,上层结构可以被单独地或沿z轴串联地安装至平台。
[0066] 安装在上层结构内的模块可以包括喷嘴结构、单个或多个能量捕获设备、单个或多个流动增强表面结构等。上层结构中的模块和模块元件可以是“即插即用”设备,允许在线或离线地维修或重新装配阵列部件。
[0067] 模块喷嘴的几何形状可以根据唯一的入口-喉管的几何形状、出口的几何形状、体积比和流体动力学的修正理论进行优化以最大化平面利用、最小化前向和入口超压、生成并加速具有至少一个优化带的高百分比流动以使流动的建立最大化等。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子包括叶片上的复杂构形的涡流生成设备。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子可以包括相对于转子旋转平面的小角度。例如该角度小于大约4度。在实施例中,转子可以是可变惯量的转子,其中如果转子的质量被集中在毂周围,那么用于启动转子的惯量就较小。在实施例中,转子包括
弹簧上的叶片以在不同的转速下提供变化的惯量。在实施例中,转子可以利用可变叶片,例如开始具有六个叶片,并随后激活
致动器或基于压力的
开关以允许某些叶片收起,目的是为了减少有效叶片的总数量。在实施例中,模块的结构设置对于本发明可能是很重要的。例如,模块可以是独立地组装在一起的集成装置,其中上层结构元件被连接至模块,并随后将所有部分连接在一起。在实施例中,可以有野生
生物保护/防堵塞系统例如在上层结构上使用的相同
电极上的筛网,
鸟类和蝙蝠在此可能会带来问题。
[0068] 喷嘴另外还可以被实施为单级或多级结构,包括在模块内部或外部给流体流动再次加速或加压用于在能量生成中进一步利用。在实施例中,阵列参数可以包括模块的最优数量,其中参数可以包括切向风力负载、积
冰、惯量分量、制造转子的成本、
载荷、发电量、覆盖面积、喷嘴深度、高度和深度的折衷等。在实施例中,上层结构参数可能代表了本发明的重要应用,例如模块方式,应用于阵列上层结构的空间构架;与给定模块形状的集成;与功率结构的集成。
[0069] 模块能量转换可以包括多种动能转换设备,例如单叶片或多叶片转子或者用于动能转换的其他设备,与用于生成可用功率形式的设备例如发电机、变速箱和发电机、多级发电机以及可用形式的供电
电路等相连以控制负载参数,转换设备在这些负载参数下运行,然后将生成的功率通过可以想到的任何终端使用设备转换或调制为可用形式,例如局部电网、国家电网、蓄电站等。在实施例中,电力系统可能代表了本发明的重要应用,例如上层结构内的电力分配;动态
电压调制;高压处理等。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中电力负载管理设备可以被设置用于管理与阵列的不同发电部件相关联的可变电力负载。
[0070] 为了使得在大风速范围内相对于成本的能量生成最大化,可以使用可变叶片数量的转子作为动能(KE)转换的方法。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率转换元件、功率管理元件等。功率转换和管理元件被连接至工频转换机构和调制机构中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。工频转换机构和调制机构中的至少一种是由LVDC转换器、HVAC转换器、LVDC
频率转换器和HVAC频率转换器构成的组中的一种。功率管理是局部和全局当中的至少一种。功率转换和功率管理元件采用功率
二极管、晶闸管、晶体管、功率
场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于定速发电。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于变速发电。功率转换和功率管理由
电子设备执行。功率转换和功率管理由机械设备执行等。
[0071] 另外还介绍了“惯量”转子,其中可以调节叶片的旋转动量以改变转子的惯量。
[0072] 另外转子发电机关系可以被实施为HAWT风力涡轮机,其中一台或多台发电机从中
心轴直接地或者通过
齿轮传动设计接收其原动力作为完全集成的实施方式、作为集成部件等等。
[0073] 在完全集成的实施方式中,喷嘴自身即可构成发电机,其中转子叶片可以被加工成感应式、激励式、永磁转子,或者将磁性流体例如磁流变流体和定子集成到喷嘴模具内等。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中电力负载管理设备可以被设置用于管理与阵列的不同发电部件相关联的可变电力负载。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率控制。
[0074] 压力梯度(PG)增强设备/技术可以在所有模块和上层结构中使用以相对于通过模块和上层结构的流动执行局部和全局的梯度增强任务。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率转换元件、功率管理元件等。功率转换和管理元件被连接至工频转换机构和调制机构中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。工频转换机构和调制机构中的至少一种是由LVDC转换器、HVAC转换器、LVDC频率转换器和HVAC频率转换器构成的组中的一种。功率管理是局部和全局当中的至少一种。功率转换和功率管理元件采用功率二极管、晶闸管、晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于定速发电。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于变速发电。功率转换和功率管理由电子设备执行。功率转换和功率管理由机械设备执行等。
[0075] 由于喷嘴的尾流剖面,因此如本文中所述可以将它们以串联或者以比利用现有技术可以实现的模式更有效的模式置于风
电场阵列中。例如,填充式或二元棋盘模式可以使成本对收益以及地面用途最大化。另外,本文中还公开了一种有效存储能量以及集成
建筑物和阵列的方法。
[0076] 图9-22示出了本发明的各种应用。图9示出了串联阵列的侧视图902A和正视图902B。图10示出了具有定向尾部的非均匀阵列的侧视图1002A,顶视图1002B和正视图1002C。图11示出了具有喷嘴104的阵列124,包含三台集成发电机1120。图12示出了集成的发电机1102-模块1104的示例,其中喷嘴可以包括PM涡轮机叶片/转子和外部定子。
图13示出了具备存储1300的阵列,包括压力管路1302、流体涡轮机1304、流体容器1308,涡
流管1310、流动腔1312和涡轮
压缩机1314。图14示出了三角形上层结构104中的模块。
图15示出了示例性喷嘴104中的主要部件,包括入口滤网1502、入口1504、转子1508、变速箱/发电机1510、
支架1512、控制和管理1514、扩散器1518和出口筛网1520。图16示出了串联设置1602中的两个喷嘴104。图17示出了六边形喷嘴1700的正视图和侧视图的实施例。图18示出了具有圆形喉管和多边形出口的喷嘴1800的示例。在该示例中,具有圆形喉管的喷嘴可以插入从喉管处的1/r曲率到多边形出口处的0曲率。在实施例中,插入的多边形薄片可以是鲁洛多边形。图19示出了嵌套在一起的两个喷嘴104的示例1900。
图20示出了上层结构连接器2002A的正视图和上层结构连接器2002B的侧视图。图21示出了水平轴风力涡轮发电机的设置2100,具有模块保护网接口。图22示出了用于六边形模块的上层结构和模块装置2200。
[0077] 模块可以是本发明的一种重要应用,其中模块可以是被插入阵列内作为即插即用部件的集成元件。模块可以包括结构模块、喷嘴、转子、发电机、变速箱、功率管理部件等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以转速和负载管理设备,其中转速管理优化转子转速、功率转换和
空气动力学损失之间的关系。转速管理设备包括用于以变速或定速来操作机械的机构。转速机构可以是电子机构或机械机构。负载管理设备包括对加至转子或发电机的负载的电力负载管理或机械负载管理。电力负载管理可以利用供电电路进行。机械负载管理可以利用变速箱、齿轮箱、齿轮、CVT或外加场类型进行。
[0078] 在实施例中,模块可以具有为主喷嘴表面提供支撑的至少一个结构模块,包括用于功率部件的支撑和保护。在实施例中,本发明可以使用特定的喷嘴几何形状来将收缩下方的流动加速至其理论速度增加的高百分比。在实施例中,平面使用的优化可以通过基本的二次表面几何形状来实现,其中喷嘴入口和出口的几何形状通过(关于两坐标轴)不对称的旋转双曲面在垂直
正交或鲁洛多边形边界处截头而形成。
[0079] 在实施例中,惯量转子可以利用半径可变的配重系统来调节旋转动量以提供可变的转动惯量,其中转子叶片和毂可以包括单级或多级腔室。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括功率转换管理元件。功率转换管理元件可以被连接至工频转换机构、工频调制机构、LVDC到HVAC的转换器以及LVDC到HVAC的频率转换器中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。功率转换管理元件可以是局部的或全局的。功率转换管理元件采用功率二极管、晶闸管、晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。功率转换管理元件可以操作所述阵列用于定速发电、变速发电等。在实施例中,功率管理可以由机械设备进行。在实施例中,喷嘴结构的详细应用对本发明可能是很重要的,其中现有技术和本发明之间的不同可以包括对图中旋转体的多边形截取以形成下面的几何形状,前缘几何形状作为由入口长度、曲率和前缘角度相对于收缩而约束/确定,使用入口和约束参数来确定扩散器的几何形状等。
[0080] 在实施例中,模块的喷嘴部分在功率生成中可能是很重要的。在实施例中,本发明可以使用特定的喷嘴几何形状来将收缩下方的流动加速至其理论速度增加的高百分比。在实施例中,平面使用的优化可以通过基本的二次表面几何形状来实现,其中喷嘴入口和出口的几何形状通过(关于两坐标轴)不对称的旋转双曲面在垂直正交或鲁洛多边形边界处截头而形成。在实施例中,旋转双曲面的多边形截取可以允许喷嘴以可变的入口曲率来覆盖多边形的入口区域同时具有有效的动量聚焦在圆形结构上并且扩展至精确地类似于多边形出口区域。
[0081] 第二个特征可以是用于确定收缩区域要符合的曲率的径向函数。现有技术中用于径向喷嘴的最佳曲率可以是来自于圆形的弧形部分,例如在1.8到2d之间,其中d是喉管的直径。这样的曲率可以在入口区域造成很大一部分的可用质量的损失。
[0082] 在实施例中,根据喷嘴收缩的水平,不同类型的单弧和多弧曲率均可使用,例如专门用于低收缩率的单弧径向或椭圆形曲率,在低收缩率或中收缩率使用的两种径向函数的单弧交集,基于由本发明的方法部分中介绍的动量分布的矢量差值确定的弧形部分的单弧实现,用于较高收缩率的多弧和单体或多体托板等。该曲率还可以根据其相对于边界多边形和喉管中心的角坐标而改变。
[0083] 在实施例中,本发明结构中扩散的几何形状可以以入口对扩散部分的收缩率的比值为基础,该比值可得到收缩体积到扩散体积的体积比函数,其中体积比随着收缩率而增加。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴。喷嘴可以适合在风力发电涡轮机内使用,其中所述喷嘴入口的最优曲率在其最简形式中被二维地确定,在此2 .5
情况下,对于i=(.5(dI-dt))/(1/sinθ-(1/sinθ-1) )和i=(dt-.5(dI-dt))/(tanθ),径向弧由I的初始前缘角度值的收敛给出,并且其中θ是由初始前缘入射角得到的矢量,i是从前缘到喉管的入口长度,dI=入口直径,而dt=喉管直径。该优化可以被二维或三维地应用于
悬链线、径向、椭圆或截头径向、截头椭圆、函数或其组合
[0084] 在实施例中,可以提供阵列上层结构和阵列安装,其中阵列上层结构可以包括功率传输和管理以及控制部件、模块结构支撑元件、阵列支撑结构等。关于喷嘴的扩散部分,可以使用从喉管到出口的角度值来确定扩散长度对收缩长度的体积比。所述二次函数可以被限定边界以形成n种结构的表面例如鳞片或凹孔,或者能够作为褶皱或凹陷或向后截头的凹陷被全局地应用在表面上。
[0085] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括网络化或分布式的功率控制和传输。图23示出了用于正方形阵列的两种不同结构的立体构架2302A和2302B。图24示出了具有不同入口形状装有结构元件2402A和2402B的喷嘴多边形入口的示例。图25示出了正方形阵列内功率传输装置2502的示例。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴。喷嘴可以包括可变的壁部剖面,例如壁部剖面采用线性凹陷。喷嘴可以包括复杂的壁部构形。其中复杂的壁部构形提供最大化结构性质、最小化材料使用以及最小化材料重量中的至少一种。复杂的壁部构形可以具有均匀的圆形剖面和多边形剖面等。
[0086] 在实施例中,上层结构的结构可以基于特定的阵列实施方式。阵列实施方式可以遵循基于模块几何形状的任意多种几何形状,例如六边形、矩形、三角形、梯形等,其中阵列几何形状可以不取决于模块的几何形状。发现扩散长度及其函数主要取决于入口长度而不是像现有技术中那样取决于喉管直径,不过在较高的收缩率下这些数值都被几何形状和曲率限制迫使而彼此接近。发现最优的扩散角不同于现有技术中先前介绍的那些角度。还妨碍按最优范围的变窄与收缩率成反比。发现在相同规格的截头和未截头喷嘴之间没有明显的质量流量差异,这表明截头喷嘴可能会简单地基于其覆盖风面的几何形状而更加有效,并且因此是优选的。
[0087] 与安装有关地,可以设有能量存储。由于来源的可变性,因此可能希望具有用于风能机械的成本有效的能量存储方法。在实施例中,向着阵列的方向流动的流体可以优选地是自然或人工生成的差动流动,例如风、太阳能热气流、差动通道流动、或者是自然情况或人工情况下的类似情况,而且也可以是通过原动力产生的“尾流”流动或其反向流动,例如潮汐、旋转、流体、气体位移等。驱动设备和发电机可以与电力下层结构相连,电力下层结构包括导电介质例如导电金属、导电流体等例如磁流变液、铁磁流体、超导体等或者导电气体,可以与阵列的上层结构集成在一起或相连,以使得来自模块的能量可以被送至外部能量处理设备,并且可选地送至局部或全局的能量存储设备,例如飞轮、压缩空气、重力存储(克服高度差异向上泵抽液体、气体或固体)、电池、多块电池等,类似地送至能量转换设备例如电解氢气和氧气的生产设备,或者传输、终端使用、存储设备等的某种组合。
[0088] 在其最简单的形式中,存储/恢复设备可以包括加压优选介质的方法,用于存储压缩介质的压力容器,用于回收通过用控制到涡轮机的流量的方法压缩而释放的热能的辅助外部压力容器,用于根据电网要求在主容器内释放加压介质的
控制阀,至少一个涡流管,流体腔,用于将热流和冷流的热性质传导或输送至流体腔内的设备,流体腔内用于增加流体中的动能比例的多个嵌入式喷嘴,用于控制和管理源于压力系统的功率的设备,用于收集得到的所有动能并将功率传送至电网的设备等。
[0089] 在实施例中,本发明可以包括多种加工和功能部件,例如定向阵列,用于使空气加速进入阵列元件内的喷嘴,将流体动能转换为机械能的转子电机,用于将机械能转换为可用速率或控制加至设备进行动能转换的负载以允许在最优范围内进行能量转换过程的齿轮箱,将机械能转换为电能的发电机,能量存储,用于将产生的能量转换或调制为所需形式的设备,子站和电网接口,燃料电池负载等。安装在上层结构内的模块可以包括喷嘴结构、单个或多个能量捕获设备、单个或多个流动增强表面结构等。上层结构中的模块和模块元件可以是“即插即用”设备,允许在线或离线地维修或重新装配阵列部件。模块喷嘴的几何形状可以根据唯一的入口-喉管的几何形状、出口的几何形状、体积比和流体动力学的修正理论进行优化以最大化平面利用、最小化前向和入口超压、生成并加速具有至少一个优化带的高百分比流动以使流动的建立最大化等。
[0090] 在实施例中,模块或阵列可以设有将其自身相对于流体流动定向的方式。例如,可以设置尾部用于构件的自定向,例如设置在将模块或阵列旋转至风向的旋转支撑轴上的尾部,或者喷嘴或阵列的结构可以用带来更多定向性质的方式构造。在该系统中,作用在构件上的动态压力可以通过构件被平等地分配而不是像绝大多数水平轴机械那样聚集在推进器底部或塔架上,由此增加了能够由机械宽度的每一个线性底座所覆盖的总体扫掠面积。某些阵列的几何形状,例如x,y轴平面内的矩形/正方形、三角形、梯形或者其组合或反向形状(例如反向的梯形或六边形)可以使得相对于成本的风面利用最大化。
[0091] 在实施例中,喷嘴的结构可以提供本发明的重要元件,例如2.75收缩的喷嘴产生6到7.5倍的功率增加等。模块能量转换可以包括多种动能转换设备,例如单叶片或多叶片转子或者用于动能转换的其他设备,与用于生成可用功率形式的设备例如发电机、变速箱和发电机、多级发电机以及可用形式的供电电路等相连以控制负载参数,转换设备在这些负载参数下运行,然后将生成的功率通过可以想到的任何终端使用设备转换或调制为可用形式,例如局部电网、国家电网、蓄电站等。
[0092] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括收缩。例如,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为7∶1。在实施例中,喉管直径到入口直径的收缩比可以大于2并且其中喷嘴被用于喷嘴阵列中或者作为单独的喷嘴。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为9∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.75,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为
11∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比可以大于1.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍。在实施例中,模块可以具有为主喷嘴表面提供支撑的至少一个结构模块,包括用于功率部件的支撑和保护。在实施例中,惯量转子可以利用半径可变的配重系统来调节旋转动量以提供可变的转动惯量,其中转子叶片和毂可以包括单级或多级腔室。
[0093] 喷嘴入口的几何形状也可以在本发明中扮演重要角色,例如前缘的几何形状、曲率、入口长度、出口的几何形状等。在实施例中,模块的喷嘴部分在功率生成中可能是很重要的。第二个特征可以是用于确定收缩区域要符合的曲率的径向函数。现有技术中用于径向喷嘴的最佳曲率可以是来自于圆形的弧形部分,例如在1.8到2d之间,其中d是喉管的直径。这样的曲率可以在入口区域造成很大一部分的可用质量的损失。在实施例中,根据喷嘴收缩的水平,不同类型的单弧和多弧曲率均可使用,例如专门用于低收缩率的单孤径向或椭圆形曲率,在低收缩率或中收缩率使用的两种径向函数的单弧交集,基于由本发明的方法部分中介绍的动量分布的矢量差值确定的弧形部分的单弧实现,用于较高收缩率的多弧和单体或多体托板等。该曲率还可以根据其相对于边界多边形和喉管中心的角坐标而改变。
[0094] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,例如被优化用于前缘的几何形状、用于曲率等。在实施例中,本发明结构中扩散的几何形状可以以入口对扩散部分的收缩率的比值为基础,该比值可得到收缩体积到扩散体积的体积比函数,其中体积比随着收缩率而增加。在实施例中,可以提供阵列上层结构和阵列安装,其中阵列上层结构可以包括功率传输和管理以及控制部件、模块结构支撑元件、阵列支撑结构等。在实施例中,入口前缘具有不超过1.1*.5*θ的入射角。其中tanθ=(.5(DI-Dt)+Dt)/I1,其中DI是入口处的喷嘴直径,Dt是喉管直径,而I1是入口长度。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括网络化或分布式的功率控制和传输。喷嘴入口的最优曲率在其最简形式中被二维地确定,在此情况下,对于i=(.5(d1-dt))/
2 .5
(1/sinθ-(1/sinθ-1) )和i=(dt-.5(dI-dt))/(tanθ),径向弧由I的初始前缘角度值的收敛给出,并且其中θ是由初始前缘入射角得到的矢量,i是从前缘到喉管的入口长度,dI=入口直径,而dt=喉管直径。该优化可以被二维或三维地应用于悬链线、径向、椭圆或截头径向、截头椭圆、函数或其组合。
[0095] 在实施例中,初始入口动量矢量可以被示意性地表示。图26示出了初始入口动量矢量的示意图。模块可以是本发明的一种重要应用,其中模块可以是被插入阵列内作为即插即用部件的集成元件。模块可以包括结构模块、喷嘴、转子、发电机、变速箱、功率管理部件等。
[0096] 在实施例中,入口几何形状的设计可以造成具有相对较短扩散器的非理想角度。在实施例中,根据喷嘴收缩的水平,不同类型的单弧和多弧曲率均可使用,例如专门用于低收缩率的单弧径向或椭圆形曲率,在低收缩率或中收缩率使用的两种径向函数的单弧交集,基于由本发明的方法部分中介绍的动量分布的矢量差值确定的弧形部分的单弧实现,用于较高收缩率的多弧和单体或多体托板等。该曲率还可以根据其相对于边界多边形和喉管中心的角坐标而改变。在实施例中,本发明结构中扩散的几何形状可以以入口对扩散部分的收缩率的比值为基础,该比值可得到收缩体积到扩散体积的体积比函数,其中体积比随着收缩率而增加。在实施例中,可以提供阵列上层结构和阵列安装,其中阵列上层结构可以包括功率传输和管理以及控制部件、模块结构支撑元件、阵列支撑结构等。
[0097] 在实施例中,用于喷嘴的低成本材料可能是一个因素,其中如果存在有效的通过,那么整个过程即可自身定向(作用就像风筝上的长引线一样)。其中所述配重生成部件通过
滚塑、喷塑、注塑、热成形、层叠、
真空模塑和长丝缠绕中的至少一种方法来进行制造。利用从包括丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚
碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚对苯二
甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPO)、聚砜(PSU)、聚醚(PEK)、聚醚醚
酮(PEEK)、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚甲基
丙烯酸甲酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯的材料组中选出的至少一种材料来制造所述配重生成部件。利用从包括丙烯酸、芳香族聚酰胺、twaron、Kevlar、tecnnora、高熔点芳香族聚酰胺、碳、tenax、微
纤维、尼龙、链烯
烃、聚酯、聚乙烯、dyneema、spectra、人造纤维、tencel、维尼龙、zylon、
石棉、
玄武岩、
矿棉、
玻璃棉、复合
泡沫材料、碳泡沫材料、聚
氨酯泡沫材料、聚苯乙烯泡沫材料和
金属泡沫材料的材料组中选出的至少一种材料来制造所述配重生成部件。配重生成部件被设计用于增强喷嘴的结构性质以提供降低材料成本、降低使用材料的重量、最小化组装时间和最小化运输成本中的至少一种。
[0098] 在实施例中,钻孔可能是一个因素,其中钻头可以从外侧穿透以增加来自外部环境空气的流量,或者用钻孔进行调校以引入环境空气并改变涡流。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括通孔以有助于空气流动。
[0099] 在实施例中,更加复杂的入口形状可能是一个因素,例如各种几何形状的组合,用多边形截取悬链曲面,采用二次曲面函数并将其用在椭圆表面上形成通风良好的
空气动力学形状(例如鲨鱼鳞片形、单层或多层凹陷、鲸须状等)。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括网络化或分布式的功率控制和传输。
[0100] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有前缘以及在喷嘴的前缘和喉管之间的入口曲率;其中喷嘴的前缘和入口曲率适于聚焦入口区域内空气粒子的动量矢量以有利于喷嘴内的空气流动。在实施例中,上层结构的结构可以基于特定的阵列实施方式。阵列实施方式可以遵循基于模块几何形状的任意多种几何形状,例如六边形、矩形、三角形、梯形等,其中阵列几何形状可以不取决于模块的几何形状。与安装有关地,可以设有能量存储。由于来源的可变性,因此可能希望具有用于风能机械的成本有效的能量存储方法。在其最简单的形式中,存储/恢复设备可以包括加压优选介质的方法,用于存储压缩介质的压力容器,用于回收通过用控制到涡轮机的流量的方法压缩而释放的热能的辅助外部压力容器,用于根据电网要求在主容器内释放加压介质的控制阀,至少一个涡流管,流体腔,用于将热流和冷流的热性质传导或输送至流体腔内的设备,流体腔内用于增加流体中的动能比例的多个嵌入式喷嘴,用于控制和管理源于压力系统的功率的设备,用于收集得到的所有动能并将功率传送至电网的设备等。
[0101] 在实施例中,喷嘴可以是串联的,例如在喉管中向后嵌套的喷嘴,其中喉管以内的喷嘴可以非常接近于理论增加水平,并且外部的喷嘴也可以达到其理论增加水平的90%。在实施例中,本发明可以包括多种加工和功能部件,例如定向阵列,用于使空气加速进入阵列元件内的喷嘴,将流体动能转换为机械能的转子电机,用于将机械能转换为可用速率或控制加至设备进行动能转换的负载以允许在最优范围内进行能量转换过程的齿轮箱,将机械能转换为电能的发电机,能量存储,用于将产生的能量转换或调制为所需形式的设备,子站和电网接口,燃料电池负载等。
[0102] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有被设置用于根据入口区域内的动量矢量来优化气流的入口几何形状,其中动量矢量可以得自于和喷嘴前缘角度的相互作用,喷嘴可以被设置用于产生动量矢量以在与喷嘴前缘相互作用之后清理喷嘴的喉管等。在实施例中,模块或阵列可以设有将其自身相对于流体流动定向的方式。例如,可以设置尾部用于构件的自定向,例如设置在将模块或阵列旋转至风向的旋转支撑轴上的尾部,或者喷嘴或阵列的结构可以用带来更多定向性质的方式构造。在实施例中,喷嘴的结构可以提供本发明的重要元件,例如2.75收缩的喷嘴产生6到7.5倍的功率增加等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括收缩。
[0103] 在实施例中,扩散器的几何形状可能是一个因素,例如出口角度,扩散器长度,将扩散器切分为两半、四分之一等,提高扩散器效率,扩散器形状,径向涡流等。例如,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为7∶1。在实施例中,喉管直径到入口直径的收缩比可以大于2并且其中喷嘴被用于喷嘴阵列中或者作为单独的喷嘴。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为9∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.75,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为11∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比可以大于1.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍。喷嘴入口的几何形状也可以在本发明中扮演重要角色,例如前缘的几何形状、曲率、入口长度、出口的几何形状等。
[0104] 在实施例中,入口几何形状和扩散器几何形状之间的关系可以根据收缩率而改变。为了形成高质量吞吐量,随着收缩率的提高,入口和扩散器的几何形状可能会变得越来越重要。
[0105] 在实施例中,转子参数在本发明中可能很重要,例如叶片和表面的形状(可以在叶片的上下表面上形成涡流)。在实施例中,钻孔可能是一个因素,其中钻头可以从外侧穿透以增加来自外部环境空气的流量,或者用钻孔进行调校以引入环境空气并改变涡流。在实施例中,更加复杂的入口形状可能是一个因素,例如各种几何形状的组合,用多边形截取悬链曲面,采用二次曲面函数并将其用在椭圆表面上形成通风良好的空气动力学形状(例如鲨鱼鳞片形、单层或多层凹陷、鲸须状等)。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有前缘以及在喷嘴的前缘和喉管之间的入口曲率;其中喷嘴的前缘和入口曲率适于聚焦入口区域内空气粒子的动量矢量以有利于喷嘴内的空气流动。
[0106] 在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子包括叶片上的复杂构形的涡流生成设备。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子可以包括相对于转子旋转平面的小角度。例如该角度小于大约4度。
[0107] 在实施例中,转子可以是可变惯量的转子,其中如果转子的质量被集中在毂周围,那么用于启动转子的惯量就较小。在实施例中,转子包括弹簧上的叶片以在不同的转速下提供变化的惯量。在实施例中,扩散器的几何形状可能是一个因素,例如出口角度,扩散器长度,将扩散器切分为两半、四分之一等,提高扩散器效率,扩散器形状,径向涡流等。在实施例中,入口几何形状和扩散器几何形状之间的关系可以根据收缩率而改变。为了形成高质量吞吐量,随着收缩率的提高,入口和扩散器的几何形状可能会变得越来越重要。
[0108] 在实施例中,转子可以利用可变叶片,例如开始具有六个叶片,并随后激活致动器或基于压力的开关以允许某些叶片收起,目的是为了减少有效叶片的总数量。安装在上层结构内的模块可以包括喷嘴结构、单个或多个能量捕获设备、单个或多个流动增强表面结构等。上层结构中的模块和模块元件可以是“即插即用”设备,允许在线或离线地维修或重新装配阵列部件。模块喷嘴的几何形状可以根据唯一的入口-喉管的几何形状、出口的几何形状、体积比和流体动力学的修正理论进行优化以最大化平面利用、最小化前向和入口超压、生成并加速具有至少一个优化带的高百分比流动以使流动的建立最大化等。
[0109] 在实施例中,模块的结构设置对于本发明可能是很重要的。例如,模块可以是独立地组装在一起的集成装置,其中上层结构元件被连接至模块,并随后将所有部分连接在一起。喷嘴另外还可以被实施为单级或多级结构,包括在模块内部或外部给流体流动再次加速或加压用于在能量生成中进一步利用。模块能量转换可以包括多种动能转换设备,例如单叶片或多叶片转子或者用于动能转换的其他设备,与用于生成可用功率形式的设备例如发电机、变速箱和发电机、多级发电机以及可用形式的供电电路等相连以控制负载参数,转换设备在这些负载参数下运行,然后将生成的功率通过可以想到的任何终端使用设备转换或调制为可用形式,例如局部电网、国家电网、蓄电站等。
[0110] 在实施例中,可以有野生生物保护/防堵塞系统例如在上层结构上使用的相同电极上的筛网,鸟类和蝙蝠在此可能会带来问题。模块可以是本发明的一种重要应用,其中模块可以是被插入阵列内作为即插即用部件的集成元件。模块可以包括结构模块、喷嘴、转子、发电机、变速箱、功率管理部件等。在实施例中,模块可以具有为主喷嘴表面提供支撑的至少一个结构模块,包括用于功率部件的支撑和保护。在实施例中,惯量转子可以利用半径可变的配重系统来调节旋转动量以提供可变的转动惯量,其中转子叶片和毂可以包括单级或多级腔室。在实施例中,模块的喷嘴部分在功率生成中可能是很重要的。
[0111] 在实施例中,喷嘴阵列和阵列设置可能是本发明的重要应用,其中在阵列结构中可能是有利的。在实施例中,根据喷嘴收缩的水平,不同类型的单弧和多弧曲率均可使用,例如专门用于低收缩率的单弧径向或椭圆形曲率,在低收缩率或中收缩率使用的两种径向函数的单弧交集,基于由本发明的方法部分中介绍的动量分布的矢量差值确定的弧形部分的单弧实现,用于较高收缩率的多弧和单体或多体托板等。该曲率还可以根据其相对于边界多边形和喉管中心的角坐标而改变。
[0112] 在实施例中,模块可以被设置在阵列内以覆盖阵列平面的绝大部分。在实施例中,本发明结构中扩散的几何形状可以以入口对扩散部分的收缩率的比值为基础,该比值可得到收缩体积到扩散体积的体积比函数,其中体积比随着收缩率而增加。在实施例中,可以提供阵列上层结构和阵列安装,其中阵列上层结构可以包括功率传输和管理以及控制部件、模块结构支撑元件、阵列支撑结构等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括网络化或分布式的功率控制和传输。
[0113] 在实施例中,阵列参数可以包括模块的最优数量,其中参数可以包括切向风力负载、积冰、惯量分量、制造转子的成本、载荷、发电量、覆盖面积、喷嘴深度、高度和深度的折衷等。与安装有关地,可以设有能量存储。由于来源的可变性,因此可能希望具有用于风能机械的成本有效的能量存储方法。在其最简单的形式中,存储/恢复设备可以包括加压优选介质的方法,用于存储压缩介质的压力容器,用于回收通过用控制到涡轮机的流量的方法压缩而释放的热能的辅助外部压力容器,用于根据电网要求在主容器内释放加压介质的控制阀,至少一个涡流管,流体腔,用于将热流和冷流的热性质传导或输送至流体腔内的设备,流体腔内用于增加流体中的动能比例的多个嵌入式喷嘴,用于控制和管理源于压力系统的功率的设备,用于收集得到的所有动能并将功率传送至电网的设备等。
[0114] 在实施例中,上层结构参数可能代表了本发明的重要应用,例如模块方式,应用于阵列上层结构的空间构架;与给定模块形状的集成;与功率结构的集成。喷嘴入口的几何形状也可以在本发明中扮演重要角色,例如前缘的几何形状、曲率、入口长度、出口的几何形状等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,例如被优化用于前缘的几何形状、用于曲率等。在实施例中,初始入口动量矢量可以被示意性地表示。在实施例中,入口几何形状的设计可以造成具有相对较短扩散器的非理想角度。
[0115] 在实施例中,电力系统可能代表了本发明的重要应用,例如上层结构内的电力分配;动态电压调制;高压处理等。在实施例中,本发明可以包括多种加工和功能部件,例如定向阵列,用于使空气加速进入阵列元件内的喷嘴,将流体动能转换为机械能的转子电机,用于将机械能转换为可用速率或控制加至设备进行动能转换的负载以允许在最优范围内进行能量转换过程的齿轮箱,将机械能转换为电能的发电机,能量存储,用于将产生的能量转换或调制为所需形式的设备,子站和电网接口,燃料电池负载等。在实施例中,模块或阵列可以设有将其自身相对于流体流动定向的方式。例如,可以设置尾部用于构件的自定向,例如设置在将模块或阵列旋转至风向的旋转支撑轴上的尾部,或者喷嘴或阵列的结构可以用带来更多定向性质的方式构造。
[0116] 在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中电力负载管理设备可以被设置用于管理与阵列的不同发电部件相关联的可变电力负载。
[0117] 在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率控制。在实施例中,钻孔可能是一个因素,其中钻头可以从外侧穿透以增加来自外部环境空气的流量,或者用钻孔进行调校以引入环境空气并改变涡流。在实施例中,更加复杂的入口形状可能是一个因素,例如各种几何形状的组合,用多边形截取悬链曲面,采用二次曲面函数并将其用在椭圆表面上形成通风良好的空气动力学形状(例如鲨鱼鳞片形、单层或多层凹陷、鲸须状等)。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有前缘以及在喷嘴的前缘和喉管之间的入口曲率;其中喷嘴的前缘和入口曲率适于聚焦入口区域内空气粒子的动量矢量以有利于喷嘴内的空气流动。
[0118] 在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率转换元件、功率管理元件等。功率转换和管理元件被连接至工频转换机构和调制机构中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。工频转换机构和调制机构中的至少一种是由LVDC转换器、HVAC转换器、LVDC频率转换器和HVAC频率转换器构成的组中的一种。功率管理是局部和全局当中的至少一种。功率转换和功率管理元件采用功率二极管、晶闸管、晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于定速发电。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于变速发电。功率转换和功率管理由电子设备执行。功率转换和功率管理由机械设备执行等。
[0119] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以将来自风的动能转换为电能和机械能中的至少一种。在实施例中,用转换机构进行所述转换,转换机构包括DC
直接驱动旋转机械、AC直接驱动旋转机械、飞轮、发电机、变速箱/齿轮箱、同步单输入DC旋转机械、同步单输入AC旋转机械、异步单输入DC机械、异步单输入AC机械、异步双输入DC机械、异步双输入AC机械、感应式单输入DC机械、感应式单输入AC机械、感应式双输入DC机械、感应式双输入AC机械、MHD DC旋转机械、MHD AC旋转机械、磁悬浮DC旋转机械、磁悬浮AC旋转机械、低速DC旋转机械、低速AC旋转机械、中速DC旋转机械、中速AC旋转机械、高速DC旋转机械、高速AC旋转机械、变速DC旋转机械、变速AC旋转机械、定速DC旋转机械、定速AC旋转机械、变频DC旋转机械、变频AC旋转机械、定频DC旋转机械、定频AC旋转机械、鼠笼绕组式DC旋转机械、鼠笼绕组式AC旋转机械、永磁DC旋转机械、永磁AC旋转机械、自激励DC旋转机械、自激励AC旋转机械、超导DC或AC旋转机械、超导AC旋转机械、1-n相的DC旋转机械、1-n相的AC旋转机械、无芯的DC旋转机械、无芯的AC旋转机械、振动机构和基于
势能的机构中的至少一种。转换机构由电子或机械式功率控制管理设备中的至少一种进行控制。
[0120] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以转速和负载管理设备,其中转速管理优化转子转速、功率转换和空气动力学损失之间的关系。转速管理设备包括用于以变速或定速来操作机械的机构。转速机构可以是电子机构或机械机构。负载管理设备包括对加至转子或发电机的负载的电力负载管理或机械负载管理。电力负载管理可以利用供电电路进行。机械负载管理可以利用变速箱、齿轮箱、齿轮、CVT或外加场类型进行。
[0121] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括功率转换管理元件。功率转换管理元件可以被连接至工频转换机构、工频调制机构、LVDC到HVAC的转换器以及LVDC到HVAC的频率转换器中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。功率转换管理元件可以是局部的或全局的。功率转换管理元件采用功率二极管、晶闸管、晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。功率转换管理元件可以操作所述阵列用于定速发电、变速发电等。在实施例中,功率管理可以由机械设备进行。
[0122] 在实施例中,喷嘴结构的详细应用对本发明可能是很重要的,其中现有技术和本发明之间的不同可以包括对图中旋转体的多边形截取以形成下面的几何形状,前缘(LE)几何形状作为由入口长度、曲率和前缘角度相对于收缩而约束/确定,使用入口和约束参数来确定扩散器的几何形状等。
[0123] 在实施例中,本发明可以使用特定的喷嘴几何形状来将收缩下方的流动加速至其理论速度增加的高百分比。在实施例中,喷嘴可以是串联的,例如在喉管中向后嵌套的喷嘴,其中喉管以内的喷嘴可以非常接近于理论增加水平。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有被设置用于根据入口区域内的动量矢量来优化气流的入口几何形状,其中动量矢量可以得自于和喷嘴前缘角度的相互作用,喷嘴可以被设置用于产生动量矢量以在与喷嘴前缘相互作用之后清理喷嘴的喉管等。
[0124] 在实施例中,平面使用的优化可以通过基本的二次表面几何形状来实现,其中喷嘴入口和出口的几何形状通过(关于两坐标轴)不对称的旋转双曲面在垂直正交或鲁洛多边形边界处截头而形成。在实施例中,扩散器的几何形状可能是一个因素,例如出口角度,扩散器长度,将扩散器切分为两半、四分之一等,提高扩散器效率,扩散器形状,径向涡流等。在实施例中,入口几何形状和扩散器几何形状之间的关系可以根据收缩率而改变。为了形成高质量吞吐量,随着收缩率的提高,入口和扩散器的几何形状可能会变得越来越重要。在实施例中,转子参数在本发明中可能很重要,例如叶片和表面的形状(可以在叶片的上下表面上形成涡流)。
[0125] 在实施例中,旋转双曲面的多边形截取可以允许喷嘴以可变的入口曲率来覆盖多边形的入口区域同时具有有效的动量聚焦在圆形结构上并且扩展至精确地类似于多边形出口区域。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子包括叶片上的复杂构形的涡流生成设备。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子可以包括相对于转子旋转平面的小角度。例如该角度小于大约4度。在实施例中,转子可以是可变惯量的转子,其中如果转子的质量被集中在毂周围,那么用于启动转子的惯量就较小。在实施例中,转子包括弹簧上的叶片以在不同的转速下提供变化的惯量。
[0126] 关于出口,它可以通过截取不对称的悬链曲面或线性元件而成形。在实施例中,转子可以利用可变叶片,例如开始具有六个叶片,并随后激活致动器或基于压力的开关以允许某些叶片收起,目的是为了减少有效叶片的总数量。在实施例中,模块的结构设置对于本发明可能是很重要的。例如,模块可以是独立地组装在一起的集成装置,其中上层结构元件被连接至模块,并随后将所有部分连接在一起。在这方面,全局(例如用于整个喷嘴和喷嘴内的边界区域)收缩率以及由此所得的正多边形截头参数由以下公式给出:
[0127] r=Ai/At,
[0128] 或者 或
[0129] 其中n是侧面编号,s是侧面长度,r是收缩率,而dt是所需的喉管直径。
[0130] 所得的几何形状可以由以下参数约束,目的是为了确保通
过喷嘴的高质量流量。用于收缩区域曲率的径向或悬链线函数的初始角度LE值通过利用径向弧方法就能够以其最简单形式被二维地确定并且通过以下公式中i的收敛而得到,
[0131] 和
[0132]
[0133] 其中:
[0134] θ=由初始前缘入射角得到的矢量
[0135] i=从前缘到喉管的入口长度
[0136] dI=入口直径
[0137] dt=喉管直径
[0138] 根据收缩率的值y,这可能是悬链线、径向、椭圆或截头径向、截头椭圆或其组合的收缩/收敛部分。
[0139] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴。喷嘴可以适合在风力发电涡轮机内使用,其中所述喷嘴入口的最优曲率在其最简形式中被二维地确2 .5
定,在此情况下,对于i=(.5(dI-dt))/(1/sinθ-(1/sinθ-1) )和i=(dt-.5(dI-dt))/(tanθ),径向弧由I的初始前缘角度值的收敛给出,并且其中θ是由初始前缘入射角得到的矢量,i是从前缘到喉管的入口长度,dI=入口直径,而dt=喉管直径。该优化可以被二维或三维地应用于悬链线、径向、椭圆或截头径向、截头椭圆、函数或其组合。
[0140] i值收敛的几何形状可以全局地应用在得自i边界最大值或某种较低的i边界值的入口上。在实施例中,阵列参数可以包括模块的最优数量,其中参数可以包括切向风力负载、积冰、惯量分量、制造转子的成本、载荷、发电量、覆盖面积、喷嘴深度、高度和深度的折衷等。在实施例中,上层结构参数可能代表了本发明的重要应用,例如模块方式,应用于阵列上层结构的空间构架;与给定模块形状的集成;与功率结构的集成。在实施例中,电力系统可能代表了本发明的重要应用,例如上层结构内的电力分配;动态电压调制;高压处理等。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中电力负载管理设备可以被设置用于管理与阵列的不同发电部件相关联的可变电力负载。
[0141] 在加压状态下研究出的现有“最优”入口曲率表明用于径向喷嘴的最佳曲率无论收缩率如何都是来自于圆形的在1.8到2d之间的弧形部分,其中d是喉管的直径。这样的曲率可以在入口区域造成很大一部分的可用质量的损失。
[0142] 关于喷嘴的扩散部分,可以使用从喉管到出口的角度值来确定扩散长度对收缩长度的体积比。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率转换元件、功率管理元件等。功率转换和管理元件被连接至工频转换机构和调制机构中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。工频转换机构和调制机构中的至少一种是由LVDC转换器、HVAC转换器、LVDC频率转换器和HVAC频率转换器构成的组中的一种。功率管理是局部和全局当中的至少一种。功率转换和功率管理元件采用功率二极管、晶闸管、晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。
[0143] 所述二次函数可以被限定边界以形成n种结构的表面例如鳞片或凹孔,或者能够作为褶皱或凹陷或向后截头的凹陷被全局地应用在表面上。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以转速和负载管理设备,其中转速管理优化转子转速、功率转换和空气动力学损失之间的关系。转速管理设备包括用于以变速或定速来操作机械的机构。转速机构可以是电子机构或机械机构。负载管理设备包括对加至转子或发电机的负载的电力负载管理或机械负载管理。电力负载管理可以利用供电电路进行。机械负载管理可以利用变速箱、齿轮箱、齿轮、CVT或外加场类型进行。
[0144] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴。喷嘴可以包括可变的壁部剖面,例如壁部剖面采用线性凹陷。喷嘴可以包括复杂的壁部构形。其中复杂的壁部构形提供最大化结构性质、最小化材料使用以及最小化材料重量中的至少一种。复杂的壁部构形可以具有均匀的圆形剖面和多边形剖面等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括功率转换管理元件。功率转换管理元件可以被连接至工频转换机构、工频调制机构、LVDC到HVAC的转换器以及LVDC到HVAC的频率转换器中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。
[0145] 在实施例中,可以提供性能特征。在实施例中,喷嘴结构的详细应用对本发明可能是很重要的,其中现有技术和本发明之间的不同可以包括对图中旋转体的多边形截取以形成下面的几何形状,前缘几何形状作为由入口长度、曲率和前缘角度相对于收缩而约束/确定,使用入口和约束参数来确定扩散器的几何形状等。在实施例中,本发明可以使用特定的喷嘴几何形状来将收缩下方的流动加速至其理论速度增加的高百分比。
[0146] 现有技术中公知的伯努利方程介绍了流体流过收缩区的连续的压力-速度关系,其中收缩率导致问题中由KE(u)和内部能量(p)限定的质量有相等的加速度改变。在实施例中,平面使用的优化可以通过基本的二次表面几何形状来实现,其中喷嘴入口和出口的几何形状通过(关于两坐标轴)不对称的旋转双曲面在垂直正交或鲁洛多边形边界处截头而形成。在实施例中,旋转双曲面的多边形截取可以允许喷嘴以可变的入口曲率来覆盖多边形的入口区域同时具有有效的动量聚焦在圆形结构上并且扩展至精确地类似于多边形出口区域。关于出口,它可以通过截取不对称的悬链曲面或线性元件而成形。
[0147] 对于喷嘴外部的质量损失会因此而在基于以下情况的速度测量中显而易见,其中最大质量流速是Mdotmax=puIA1,而Mdotactual=puaA2,喉管处的质量损失%=uaA2/uIA1=Mdotactual/Mdotmax,由此喷嘴的质量效率能够根据实际的速度测量值进行判断。
[0148] 而喷嘴质量流量可以被表示为功率的函数。因此相同的质量损失率能够在速度情况中加以确定。所得的几何形状可以由以下参数约束,目的是为了确保通过喷嘴的高质量流量。用于收缩区域曲率的径向或悬链线函数的初始角度LE值通过利用径向弧方法就能够以其最简单形式被二维地确定并且通过i的收敛而得到。
[0149] 关于以上介绍的用于该喷嘴类型的最优质量流量性能范围的结构参数,详细地列举在下表中:
[0150] 用于质量产量和测量值范围可变的构件的最优参数表
[0151]
[0152] 发现扩散长度及其函数主要取决于入口长度而不是像现有技术中那样取决于喉管直径,不过在较高的收缩率下这些数值都被几何形状和曲率限制迫使而彼此接近。nxm的模块阵列302可以包括可伸缩的模块网络上层结构,为至少一个模块和用于功率控制、管理的设备提供支撑并从各个模块收集功率,然后将所述功率转换并传输至多个存储单元、网络或其组合。在实施例中,模块的喷嘴部分在功率生成中可能是很重要的。第二个特征可以是用于确定收缩区域要符合的曲率的径向函数。现有技术中用于径向喷嘴的最佳曲率可以是来自于圆形的弧形部分,例如在1.8到2d之间,其中d是喉管的直径。
[0153] 发现最优的扩散角不同于现有技术中先前介绍的那些角度。还妨碍按最优范围的变窄与收缩率成反比。这样的曲率可以在入口区域造成很大一部分的可用质量的损失。在实施例中,根据喷嘴收缩的水平,不同类型的单弧和多弧曲率均可使用,例如专门用于低收缩率的单弧径向或椭圆形曲率,在低收缩率或中收缩率使用的两种径向函数的单弧交集,基于由本发明的方法部分中介绍的动量分布的矢量差值确定的弧形部分的单弧实现,用于较高收缩率的多弧和单体或多体托板等。
[0154] 发现在相同规格的截头和未截头喷嘴之间没有明显的质量流量差异,这表明截头喷嘴可能会简单地基于其覆盖风面的几何形状而更加有效,并且因此是优选的。在实施例中,可以提供阵列上层结构和阵列安装,其中阵列上层结构可以包括功率传输和管理以及控制部件、模块结构支撑元件、阵列支撑结构等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括网络化或分布式的功率控制和传输。
[0155] 在实施例中,上层结构的结构可以基于特定的阵列实施方式。阵列实施方式可以遵循基于模块几何形状的任意多种几何形状,例如六边形、矩形、三角形、梯形等,其中阵列几何形状可以不取决于模块的几何形状。与安装有关地,可以设有能量存储。由于来源的可变性,因此可能希望具有用于风能机械的成本有效的能量存储方法。上层结构可以是(例如由于喷嘴的形状而)自定向的并且可以包括用于机械地或者以其他方式控制阵列或模块在阵列内相对于固定不变的流体流动方向的定向的方法和系统。在其最简单的形式中,存储/恢复设备可以包括加压优选介质的方法,用于存储压缩介质的压力容器,用于回收通过用控制到涡轮机的流量的方法压缩而释放的热能的辅助外部压力容器,用于根据电网要求在主容器内释放加压介质的控制阀,至少一个涡流管,流体腔,用于将热流和冷流的热性质传导或输送至流体腔内的设备,流体腔内用于增加流体中的动能比例的多个嵌入式喷嘴,用于控制和管理源于压力系统的功率的设备,用于收集得到的所有动能并将功率传送至电网的设备等。
[0156] 在实施例中,本发明可以包括多种加工和功能部件,例如定向阵列,用于使空气加速进入阵列元件内的喷嘴,将流体动能转换为机械能的转子电机,用于将机械能转换为可用速率或控制加至设备进行动能转换的负载以允许在最优范围内进行能量转换过程的齿轮箱,将机械能转换为电能的发电机,能量存储,用于将产生的能量转换或调制为所需形式的设备,子站和电网接口,燃料电池负载等。公式例如为线性差值压力梯度作用力(PGF)公式:
[0157]
[0158] 根据流动性质,例如漂浮悬浮、塔/塔架、建筑集成、缆绳悬置等,上层结构可以通过多种方法和系统得到支撑。在实施例中,模块或阵列可以设有将其自身相对于流体流动定向的方式。
[0159] 上层结构可以被实施为包括承载和功率分配方法在内的独立模块支撑结构。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括收缩。例如,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为7∶1。在实施例中,喉管直径到入口直径的收缩比可以大于2并且其中喷嘴被用于喷嘴阵列中或者作为单独的喷嘴。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为9∶1。
[0160] 在实施例中,钻孔可能是一个因素,其中钻头可以从外侧穿透以增加来自外部环境空气的流量,或者用钻孔进行调校以引入环境空气并改变涡流。在实施例中,更加复杂的入口形状可能是一个因素,例如各种几何形状的组合,用多边形截取悬链曲面,采用二次曲面函数并将其用在椭圆表面上形成通风良好的空气动力学形状(例如鲨鱼鳞片形、单层或多层凹陷、鲸须状等)。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有前缘以及在喷嘴的前缘和喉管之间的入口曲率;其中喷嘴的前缘和入口曲率适于聚焦入口区域内空气粒子的动量矢量以有利于喷嘴内的空气流动。在实施例中,喷嘴可以是串联的,例如在喉管中向后嵌套的喷嘴,其中喉管以内的喷嘴可以非常接近于理论增加水平,并且外部的喷嘴也可以达到其理论增加水平的90%。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有被设置用于根据入口区域内的动量矢量来优化气流的入口几何形状,其中动量矢量可以得自于和喷嘴前缘角度的相互作用,喷嘴可以被设置用于产生动量矢量以在与喷嘴前缘相互作用之后清理喷嘴的喉管等。
[0161] 在该系统中,作用在构件上的动态压力可以通过构件被平等地分配而不是像绝大多数水平轴机械那样聚集在推进器底部或塔架上,由此增加了能够由机械宽度的每一个线性底座所覆盖的总体扫掠面积。在实施例中,扩散器的几何形状可能是一个因素,例如出口角度,扩散器长度,将扩散器切分为两半、四分之一等,提高扩散器效率,扩散器形状,径向涡流等。
[0162] 某些阵列的几何形状,例如x,y轴平面内的矩形/正方形、三角形、梯形或者其组合或反向形状(例如反向的梯形或六边形)可以使得相对于成本的风面利用最大化。在实施例中,入口几何形状和扩散器几何形状之间的关系可以根据收缩率而改变。为了形成高质量吞吐量,随着收缩率的提高,入口和扩散器的几何形状可能会变得越来越重要。在实施例中,转子参数在本发明中可能很重要,例如叶片和表面的形状(可以在叶片的上下表面上形成涡流)。
[0163] 模块喷嘴的几何形状可以根据唯一的入口-喉管的几何形状、出口的几何形状、体积比和流体动力学的修正理论进行优化以最大化平面利用、最小化前向和入口超压、生成并加速具有至少一个优化带的高百分比流动以使流动的建立最大化等。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子包括叶片上的复杂构形的涡流生成设备。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子可以包括相对于转子旋转平面的小角度。例如该角度小于大约4度。在实施例中,转子可以是可变惯量的转子,其中如果转子的质量被集中在毂周围,那么用于启动转子的惯量就较小。在实施例中,转子包括弹簧上的叶片以在不同的转速下提供变化的惯量。在实施例中,转子可以利用可变叶片,例如开始具有六个叶片,并随后激活致动器或基于压力的开关以允许某些叶片收起,目的是为了减少有效叶片的总数量。在实施例中,模块的结构设置对于本发明可能是很重要的。例如,模块可以是独立地组装在一起的集成装置,其中上层结构元件被连接至模块,并随后将所有部分连接在一起。在实施例中,可以有野生生物保护/防堵塞系统例如在上层结构上使用的相同电极上的筛网,鸟类和蝙蝠在此可能会带来问题。
[0164] 喷嘴另外还可以被实施为单级或多级结构,包括在模块内部或外部给流体流动再次加速或加压用于在能量生成中进一步利用。在实施例中,阵列参数可以包括模块的最优数量,其中参数可以包括切向风力负载、积冰、惯量分量、制造转子的成本、载荷、发电量、覆盖面积、喷嘴深度、高度和深度的折衷等。在实施例中,上层结构参数可能代表了本发明的重要应用,例如模块方式,应用于阵列上层结构的空间构架;与给定模块形状的集成;与功率结构的集成。
[0165] 模块能量转换可以包括多种动能转换设备,例如单叶片或多叶片转子或者用于动能转换的其他设备,与用于生成可用功率形式的设备例如发电机、变速箱和发电机、多级发电机以及可用形式的供电电路等相连以控制负载参数,转换设备在这些负载参数下运行,然后将生成的功率通过可以想到的任何终端使用设备转换或调制为可用形式,例如局部电网、国家电网、蓄电站等。在实施例中,电力系统可能代表了本发明的重要应用,例如上层结构内的电力分配;动态电压调制;高压处理等。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中电力负载管理设备可以被设置用于管理与阵列的不同发电部件相关联的可变电力负载。
[0166] 为了使得在大风速范围内相对于成本的能量生成最大化,可以使用可变叶片数量的转子作为动能(KE)转换的方法。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率转换元件、功率管理元件等。功率转换和管理元件被连接至工频转换机构和调制机构中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。工频转换机构和调制机构中的至少一种是由LVDC转换器、HVAC转换器、LVDC频率转换器和HVAC频率转换器构成的组中的一种。功率管理是局部和全局当中的至少一种。功率转换和功率管理元件采用功率二极管、晶闸管、晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于定速发电。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于变速发电。功率转换和功率管理由电子设备执行。功率转换和功率管理由机械设备执行等。
[0167] 在完全集成的实施方式中,喷嘴自身即可构成发电机,其中转子叶片可以被加工成感应式、激励式、永磁转子,或者将磁性流体例如磁流变流体和定子集成到喷嘴模具内等。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中电力负载管理设备可以被设置用于管理与阵列的不同发电部件相关联的可变电力负载。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率控制。
[0168] 压力梯度(PG)增强设备/技术可以在所有模块和上层结构中使用以相对于通过模块和上层结构的流动执行局部和全局的梯度增强任务。在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列,其中阵列可以包括功率转换元件、功率管理元件等。功率转换和管理元件被连接至工频转换机构和调制机构中的至少一种,将生成的功率准备好用于存储、传输和使用中的至少一种。工频转换机构和调制机构中的至少一种是由LVDC转换器、HVAC转换器、LVDC频率转换器和HVAC频率转换器构成的组中的一种。功率管理是局部和全局当中的至少一种。功率转换和功率管理元件采用功率二极管、晶闸管、晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管中的至少一种。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于定速发电。功率转换和功率管理元件操作所述阵列用于变速发电。功率转换和功率管理由电子设备执行。功率转换和功率管理由机械设备执行等。
[0169] 由于喷嘴的尾流剖面,因此如本文中所述可以将它们以串联或者以比利用现有技术可以实现的模式更有效的模式置于风电场阵列中。例如,填充式或二元棋盘模式可以使成本对收益以及地面用途最大化。另外,本文中还公开了一种有效存储能量以及集成建筑物和阵列的方法。
[0170] 模块可以是本发明的一种重要应用,其中模块可以是被插入阵列内作为即插即用部件的集成元件。模块可以包括结构模块、喷嘴、转子、发电机、变速箱、功率管理部件等。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴,其中喷嘴可以转速和负载管理设备,其中转速管理优化转子转速、功率转换和空气动力学损失之间的关系。转速管理设备包括用于以变速或定速来操作机械的机构。转速机构可以是电子机构或机械机构。负载管理设备包括对加至转子或发电机的负载的电力负载管理或机械负载管理。电力负载管理可以利用供电电路进行。机械负载管理可以利用变速箱、齿轮箱、齿轮、CVT或外加场类型进行。
[0171] 功率管理可以由机械设备进行。在实施例中,喷嘴结构的详细应用对本发明可能是很重要的,其中现有技术和本发明之间的不同可以包括对图中旋转体的多边形截取以形成下面的几何形状,前缘几何形状作为由入口长度、曲率和前缘角度相对于收缩而约束/确定,使用入口和约束参数来确定扩散器的几何形状等。
[0172] 在实施例中,模块的喷嘴部分在功率生成中可能是很重要的。在实施例中,本发明可以使用特定的喷嘴几何形状来将收缩下方的流动加速至其理论速度增加的高百分比。在实施例中,平面使用的优化可以通过基本的二次表面几何形状来实现,其中喷嘴入口和出口的几何形状通过(关于两坐标轴)不对称的旋转双曲面在垂直正交或鲁洛多边形边界处截头而形成。在实施例中,旋转双曲面的多边形截取可以允许喷嘴以可变的入口曲率来覆盖多边形的入口区域同时具有有效的动量聚焦在圆形结构上并且扩展至精确地类似于多边形出口区域。
[0173] 在实施例中,根据喷嘴收缩的水平,不同类型的单弧和多弧曲率均可使用,例如专门用于低收缩率的单弧径向或椭圆形曲率,在低收缩率或中收缩率使用的两种径向函数的单弧交集,基于由本发明的方法部分中介绍的动量分布的矢量差值确定的弧形部分的单弧实现,用于较高收缩率的多弧和单体或多体托板等。该曲率还可以根据其相对于边界多边形和喉管中心的角坐标而改变。
[0174] 在实施例中,可以提供阵列上层结构和阵列安装,其中阵列上层结构可以包括功率传输和管理以及控制部件、模块结构支撑元件、阵列支撑结构等。关于喷嘴的扩散部分,可以使用从喉管到出口的角度值来确定扩散长度对收缩长度的体积比。所述二次函数可以被限定边界以形成n种结构的表面例如鳞片或凹孔,或者能够作为褶皱或凹陷或向后截头的凹陷被全局地应用在表面上。
[0175] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括网络化或分布式的功率控制和传输。图23示出了用于正方形阵列的两种不同结构的立体构架2302A和2302B。图24示出了具有不同入口形状装有结构元件2402A和2402B的喷嘴多边形入口的示例。图25示出了正方形阵列内功率传输装置2502的示例。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴。喷嘴可以包括可变的壁部剖面,例如壁部剖面采用线性凹陷。喷嘴可以包括复杂的壁部构形。其中复杂的壁部构形提供最大化结构性质、最小化材料使用以及最小化材料重量中的至少一种。复杂的壁部构形可以具有均匀的圆形剖面和多边形剖面等。
[0176] 在实施例中,上层结构的结构可以基于特定的阵列实施方式。阵列实施方式可以遵循基于模块几何形状的任意多种几何形状,例如六边形、矩形、三角形、梯形等,其中阵列几何形状可以不取决于模块的几何形状。发现扩散长度及其函数主要取决于入口长度而不是像现有技术中那样取决于喉管直径,不过在较高的收缩率下这些数值都被几何形状和曲率限制迫使而彼此接近。发现最优的扩散角不同于现有技术中先前介绍的那些角度。还妨碍按最优范围的变窄与收缩率成反比。发现在相同规格的截头和未截头喷嘴之间没有明显的质量流量差异,这表明截头喷嘴可能会简单地基于其覆盖风面的几何形状而更加有效,并且因此是优选的。
[0177] 在其最简单的形式中,存储/恢复设备可以包括加压优选介质的方法,用于存储压缩介质的压力容器,用于回收通过用控制到涡轮机的流量的方法压缩而释放的热能的辅助外部压力容器,用于根据电网要求在主容器内释放加压介质的控制阀,至少一个涡流管,流体腔,用于将热流和冷流的热性质传导或输送至流体腔内的设备,流体腔内用于增加流体中的动能比例的多个嵌入式喷嘴,用于控制和管理源于压力系统的功率的设备,用于收集得到的所有动能并将功率传送至电网的设备等。
[0178] 在实施例中,本发明可以包括多种加工和功能部件,例如定向阵列,用于使空气加速进入阵列元件内的喷嘴,将流体动能转换为机械能的转子电机,用于将机械能转换为可用速率或控制加至设备进行动能转换的负载以允许在最优范围内进行能量转换过程的齿轮箱,将机械能转换为电能的发电机,能量存储,用于将产生的能量转换或调制为所需形式的设备,子站和电网接口,燃料电池负载等。安装在上层结构内的模块可以包括喷嘴结构、单个或多个能量捕获设备、单个或多个流动增强表面结构等。上层结构中的模块和模块元件可以是“即插即用”设备,允许在线或离线地维修或重新装配阵列部件。模块喷嘴的几何形状可以根据唯一的入口-喉管的几何形状、出口的几何形状、体积比和流体动力学的修正理论进行优化以最大化平面利用、最小化前向和入口超压、生成并加速具有至少一个优化带的高百分比流动以使流动的建立最大化等。
[0179] 在实施例中,模块或阵列可以设有将其自身相对于流体流动定向的方式。例如,可以设置尾部用于构件的自定向,例如设置在将模块或阵列旋转至风向的旋转支撑轴上的尾部,或者喷嘴或阵列的结构可以用带来更多定向性质的方式构造。在该系统中,作用在构件上的动态压力可以通过构件被平等地分配而不是像绝大多数水平轴机械那样聚集在推进器底部或塔架上,由此增加了能够由机械宽度的每一个线性底座所覆盖的总体扫掠面积。某些阵列的几何形状,例如x,y轴平面内的矩形/正方形、三角形、梯形或者其组合或反向形状(例如反向的梯形或六边形)可以使得相对于成本的风面利用最大化。
[0180] 在实施例中,喷嘴的结构可以提供本发明的重要元件,例如2.75收缩的喷嘴产生6到7.5倍的功率增加等。模块能量转换可以包括多种动能转换设备,例如单叶片或多叶片转子或者用于动能转换的其他设备,与用于生成可用功率形式的设备例如发电机、变速箱和发电机、多级发电机以及可用形式的供电电路等相连以控制负载参数,转换设备在这些负载参数下运行,然后将生成的功率通过可以想到的任何终端使用设备转换或调制为可用形式,例如局部电网、国家电网、蓄电站等。
[0181] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴,其中喷嘴可以包括收缩。例如,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为7∶1。在实施例中,喉管直径到入口直径的收缩比可以大于2并且其中喷嘴被用于喷嘴阵列中或者作为单独的喷嘴。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为9∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比大约为2.75,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍,并且其中扩散器长度和入口长度比大约为
11∶1。在另一种情况下,喷嘴可以包括的喉管直径到入口直径的收缩比可以大于1.5,并且其中扩散器的长度大于入口长度的五倍。在实施例中,模块可以具有为主喷嘴表面提供支撑的至少一个结构模块,包括用于功率部件的支撑和保护。在实施例中,惯量转子可以利用半径可变的配重系统来调节旋转动量以提供可变的转动惯量,其中转子叶片和毂可以包括单级或多级腔室。
[0182] 在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有被设置用于根据入口区域内的动量矢量来优化气流的入口几何形状,其中动量矢量可以得自于和喷嘴前缘角度的相互作用,喷嘴可以被设置用于产生动量矢量以在与喷嘴前缘相互作用之后清理喷嘴的喉管等。图30示出了六叶片的开放结构3002,示出了主叶片3004和第二叶片3008,以及压力机构的主毂3010和第二毂3012。关于喷嘴的扩散部分,可以使用从喉管到出口的角度值来确定扩散长度对收缩长度的体积比。所述二次函数可以被限定边界以形成n种结构的表面例如鳞片或凹孔,或者能够作为褶皱或凹陷或向后截头的凹陷被全局地应用在表面上。
[0183] 图31示出了3-叶片的转子效率曲线。可以提供适于在风力发电涡轮机内使用的喷嘴。喷嘴可以包括可变的壁部剖面,例如壁部剖面采用线性凹陷。喷嘴可以包括复杂的壁部构形。其中复杂的壁部构形提供最大化结构性质、最小化材料使用以及最小化材料重量中的至少一种。复杂的壁部构形可以具有均匀的圆形剖面和多边形剖面等。
[0184] 图32示出了每年的速度分布曲线。对于喷嘴外部的质量损失会因此而在基于以下情况的速度测量中显而易见,其中最大质量流速是Mdotmax=puIA1,而Mdotactual=puaA2,喉管处的质量损失%=uaA2/uIA1=Mdotactual/Mdotmax,由此喷嘴的质量效率能够根据实际的速度测量值进行判断。而喷嘴质量流量可以被表示为功率的函数。因此相同的质量损失率能够在速度情况中加以确定。
[0185] 在实施例中,模块或阵列可以设有将其自身相对于流体流动定向的方式。例如,可以设置尾部用于构件的自定向,例如设置在将模块或阵列旋转至风向的旋转支撑轴上的尾部,或者喷嘴或阵列的结构可以用带来更多定向性质的方式构造。
[0186] 在实施例中,扩散器的几何形状可能是一个因素,例如出口角度,扩散器长度,将扩散器切分为两半、四分之一等,提高扩散器效率,扩散器形状,径向涡流等。在实施例中,入口几何形状和扩散器几何形状之间的关系可以根据收缩率而改变。为了形成高质量吞吐量,随着收缩率的提高,入口和扩散器的几何形状可能会变得越来越重要。
[0187] 在实施例中,转子参数在本发明中可能很重要,例如叶片和表面的形状(可以在叶片的上下表面上形成涡流)。在实施例中,钻孔可能是一个因素,其中钻头可以从外侧穿透以增加来自外部环境空气的流量,或者用钻孔进行调校以引入环境空气并改变涡流。
[0188] 在实施例中,更加复杂的入口形状可能是一个因素,例如各种几何形状的组合,用多边形截取悬链曲面,采用二次曲面函数并将其用在椭圆表面上形成通风良好的空气动力学形状(例如鲨鱼鳞片形、单层或多层凹陷、鲸须状等)。在实施例中,本发明可以提供适于在风力发电涡轮机中使用的喷嘴。喷嘴可以具有前缘以及在喷嘴的前缘和喉管之间的入口曲率;其中喷嘴的前缘和入口曲率适于聚焦入口区域内空气粒子的动量矢量以有利于喷嘴内的空气流动。
[0189] 在实施例中,本发明可以提供适于由空气流动产生电力的喷嘴阵列。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子包括叶片上的复杂构形的涡流生成设备。转子可以被设置用于在风力发电涡轮机内运行,其中转子可以包括相对于转子旋转平面的小角度。例如该角度小于大约4度。
[0190] 在实施例中,惯量转子可以在动态变化的条件下通过增强旋转
稳定性来提供优点,其中向外的旋转
离心力被用于增强旋转主体的惯量以作为可变半径的质量分配系统。材料可以允许根据离心动作向旋转主体的外径方向移动。这样就可以借助能够在离心力作用下控制其平衡的任何材料来完成。所述材料也可以由致动器控制。
[0191] 在实施例中,惯量转子可以包括单个或多个刚性或半刚性的主体,对称或不对称地以连续或非连续的方式围绕旋转中心连接,其中存在设备用于控制一个或多个旋转平面内的质量分配并由此以有利的方式控制所述旋转的惯量特征。
[0192] 在实施例中,本发明可以包括可旋转主体302,如图39中所示,具有中心配重容器3904,用于控制所述配重的设备3908和外部配重容器3904。
[0193] 在实施例中,在转子半径内控制配重可以通过可变质量的挠性结构例如重物/弹簧或记忆塑料/泡沫塑料或其他现有技术中已知的适当材料实现,其中挠性结构和结构的外部元件被容纳在通过单个或多个固体轴向延伸的壳体腔室内,外部元件具有比内部元件更大的质量。
[0194] 在实施例中,连续物质被容纳在转子装置的单个或多个中间部分内,其中有通道通过单个或多个连接至所述中心毂的主体轴向延伸。
[0195] 在实施例中,流体可以被允许通过单条或多条轴向通道循环。所述流体可以是标准密度流体或者可以是具有特定性质的流体例如磁流变流体。
[0196] 图28-31示出了与本文中所介绍的惯量转子应用相关的实施例,图40示出了增重结构的初始位置4000,图41示出了增重结构的后续位置4100,图42示出了运动中的3叶片结构4200,而图43示出了具有配重控制通道4302和中心配重容器4304的3叶片结构4300。
[0197] 尽管已经结合某些优选实施例介绍了本发明,但是其他的实施例本领域技术人员应该也能够理解并且也被涵盖在本文中。
[0198] 在此以参见的方式引入本文中提及的所有文献。