[发明专利]风力涡轮机

说明书

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.$119(e)要求2009年6月22日提交的美国临时申请第61/269,183号的权益，该申请通过引用并入。

技术领域

本发明宽泛地涉及风力涡轮机，更具体地，涉及设计成利用牛顿第一直线运动定律从风提取更多能量的风力涡轮机，且甚至更具体地，涉及具有可旋转轮毂的风力涡轮机，其中外壳包围叶片的顶部并连接到叶片的顶部，所述叶片引起作为风的运动气团被驱出其运动路径，从而产生平稳地且有效地驱动涡轮机的力而湍流很少。

背景技术

很多世纪以来，人类已经利用各种类型的旋转设备来从风提取能量。所采用的类型的机构包括围绕中心轴线旋转的多叶片布置。该设备可配置有垂直轴线或水平轴线。水平轴线类型包括风力站和风力涡轮机两者。垂直轴线设备通常提供在轴线的一侧对风具有更大阻力而在另一半具有较少阻力使得风阻力的差异允许单元转动的方法，且结果导致其呈现明显低的效率。水平轴线风力站通常是敞开的叶片机构，比如例如老式的四叶片Dutch风力站，或者现代的具有三叶片的风力站，其在全世界大量生产。Dutch风力站有效地是一种依赖于风冲击成角度的叶片以引起力来转动转子的反作用类型的设备。其效率是非常低的，但是如果制造成足够大的话，则其能够提供一些有用功。

另一类型的风力设备是用来给农场主提供泵送水的装置的多叶片单元。该设备可能具有20、30或更多个叶片且形成足够的转矩来转动泵。该构型也是主要地通过风冲击成角度的叶片来驱动的反作用型风力站。该类型在宽阔的风力谱上是非常低效的且其噪音大且易损坏并需要在持续高的风的时间段期间被关闭。

三叶片风力站的使用在全世界已经变得非常突出。多个三叶片风力站通常布置成建立“风力农场”。大的风力农场可以由几十个至几百个单独的三叶片风力站组成，且可覆盖几百平方英里的广阔区域。风力农场所采用的风力站的尺寸很大，具有在约300英尺范围变化的叶片摆动直径。该风力站常常升高到300英尺至400英尺的高度且需要大量陆地。该风力站利用基于柏努利定理的力，因为其用于在机翼上产生升力。然而，三叶片涡轮机的叶片占叶片摆动面积的仅5％。因此，气团动能的95％穿过叶片之间且被损失。增加更多叶片也是不成功的，因为仅再多一个叶片引起效率变得更糟糕。这是因为围绕每个叶片的巨大湍流，因而引起与其他叶片的干扰。

三叶片风力站将风中的动能的少于1.4％转变成有用的电能；然而，三叶片风力站仍然被认为是从风中产生相当大的电力的目前可利用的最经济有效的方法。因为三叶片风力站是极其昂贵的同时是非常低效的，所以对于它们来说在没有政府辅助、拨款和减税的情况下从数学上不可能具有合理的投资回报或对于电力的千瓦小时的有竞争性的价格。而且，其巨大的尺寸高出于地平线使得它们是侵入的且由于闪动的阴影、TV干扰且有时是巨大的噪音而是令人讨厌的。其非常复杂的设计涉及成千上万的部件以及通常由昂贵的伺服机构驱动的可调节螺距的叶片。

美国专利第4,021,135号(Pedersen)和美国专利第4,140,433号(Eckel)公开了尝试通过利用围绕叶片外部的固定遮板以在叶片周围汇集更多空气来提高由三叶片风力站所利用的伯努利效果的设备。该方法促使一些气团围绕风力站会聚，因为其将通风筒感知为障碍物，从而引起可利用的动能的净损失。这些设备具有非常靠近非旋转的遮板的可旋转的叶片且作为结果将经历严重的拖曳和湍流并因此经历效率的损失。

尝试提供较高效率的可选择的配置在美国专利第4,611,125号(Stone Jr)中公开，其教导改进气流的概念，但是仍允许风中的大百分比的动能绕过不用的结构。在美国专利第7,396,207号(DeLong)中，除了与翼板的连续调节的复杂性、风暴的处理以及对付冰和雪相关联的实际问题之外，使用翼板提高捕获的风能的量是可推荐的。在美国专利第4,150,301号(Bergey)中，目的是以相当的费用针对效率来提供旋转速度调节。很少有证据证明这些方法中的任何改进效率、简单性或成本。

美国专利第7,214,029号(Richter)公开了一种开始气团的加速的设备并暗示通过使气团围绕前面的结构转向以使其集中并随其进入通风筒形状并然后到达很多个多叶片加速来增加动能。根据能量守恒定律，这当然不增加气团的动能。而且，该系统依赖于冲击成角度叶片的风气团的反作用力。这是从风中提取能量的低效方法。此外，风将放置在户外环境中的任何结构看作障碍物并使大百分比的该气团转向成围绕障碍物。这与放置在使空气被迫驱动通过的长管中的这种设计实质上是不同的。