專利名稱：空浮穩(wěn)定的風力渦輪機系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及用于發(fā)電的風力渦輪機系統(tǒng)，且更特定地涉及用于發(fā)電的且為空浮(airborne)的風力渦輪機系統(tǒng)，且包括在共同的空浮結構上的渦輪機和發(fā)電機。
背景技術：
風能是包括太陽能、水能、地熱能的可再生能源的最容易利用的形式之一，且因此風能通常用于發(fā)電。按照每平方米瓦數(shù)算，風能的密度是可再生能源的各形式中最高的其中一種?，F(xiàn)有的用于利用風能來發(fā)電的系統(tǒng)具有一定的缺點。例如，因為風速一般隨高度增加，且高風速對于最優(yōu)化風基發(fā)電是關鍵的，所以必須建造高塔以將風力渦輪機升到一個較高的運行高度以最大化用風發(fā)電的潛能。然而，高塔的建造是昂貴的，并且一旦建成會受到運行中的強烈振動。此外，鑒于多個已知因素，包括獲得成本、環(huán)境影響和區(qū)域問題，用于建造高塔以支承這樣的風力渦輪機的土地是受限制的。雖然離岸風即在水體上方的風比陸地上方的風更強，但用于水體上方的風力渦輪機的支承結構的建造是昂貴的，盡管對用于在這樣的水體上方建造支承結構的空間限制明顯較少。最值得注意的限制是用于風力渦輪機的支承結構的構造被限制于水體的一定深度?？紤]到在陸地或水體上方安裝風基發(fā)電系統(tǒng)的問題，已開發(fā)了空中風力機。一般地，這樣的空中風力機不要求連接到陸地或以其它方式錨定在水體上方的昂貴的支承結構。一個這樣的空中風力機是已知的馬根(Magerm)系統(tǒng)，所述馬根系統(tǒng)比空氣輕且利用馬格努斯效應。該現(xiàn)有技術的缺點是其發(fā)電非常有限且不很有效。另一個當前在開發(fā)中的空中風力機是Sky Wind Power公司開發(fā)的空中發(fā)電機。此系統(tǒng)比空氣重且試圖利用大氣層上層的風。其缺點是構建昂貴，包括復雜的機械零件并且不非常實際。因此，希望提供空浮風力渦輪機、發(fā)電系統(tǒng)，其克服了以上所述的系統(tǒng)的缺點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目標是提供用于在不同的高度用風發(fā)電的新的改進的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的目標是提供在空浮時角度穩(wěn)定的系統(tǒng)。為實現(xiàn)這些目標和可能的其它目標，根據(jù)本發(fā)明的用于用風產(chǎn)生電力的系統(tǒng)包括軸，包括至少一個當受風時可相對于軸旋轉的風力渦輪機的渦輪機部分；至少一個布置為將風力渦輪機的旋轉轉化為電力的發(fā)電機。系統(tǒng)也包括提升部分，所述提升部分連接到渦輪機部分以用于生成使得系統(tǒng)可在希望的高度浮在空中的提升力。系統(tǒng)通過系索連接到錨定部分。由發(fā)電機生成的電力通過錨定系統(tǒng)傳導到使用處或儲能裝置。錨定系統(tǒng)可包括絞盤，所述絞盤可控制系統(tǒng)的運行高度?？捎杀景l(fā)明的系統(tǒng)產(chǎn)生的功率的量與風力渦輪機在系統(tǒng)上導致的轉矩和渦輪機的角速度的乘積成比例；功率=轉矩X角速度。因為高功率風力渦輪機的直徑非常大，所以渦輪機的角速度相對較低，且因此，渦輪機通過發(fā)電機在系統(tǒng)上導致的轉矩非常高。為保持系統(tǒng)的角度穩(wěn)定性，需要提供平衡轉矩，所述平衡轉矩將平衡由風力渦輪機在運行時在系統(tǒng)上導致的轉矩，此平衡轉矩必須等于風力渦輪機的轉矩且處于相反的方向上。若無平衡轉矩，整個系統(tǒng)將在風力渦輪機旋轉的方向上角度地滾動且不能發(fā)電。本發(fā)明的系統(tǒng)的主要目的是為空浮風力渦輪機系統(tǒng)提供平衡轉矩。為繼續(xù)本發(fā)明的此描述，將定義兩個表達靜止漂浮體的重心和提升中心；體的重心定義為體內或體附近的如下位置，即在該位置處，體的重力勢能等于處于相同點處的相同質量(與體相同)的單個點的重力勢能，且通過所述點，體的組成點上的重力的合力起作用。換言之，重心是這樣一個點，如果體的所有質量元素將集中在所述點上，則體將導致體的相同的物理狀態(tài)。靜止漂浮體的提升中心定義為體內或體附近的點，如果作用在漂浮體上的所有的部分提升力將集中在此點上，則將導致體的相同的物理狀態(tài)。在本發(fā)明的一個情形中，渦輪機部分(包括主軸、發(fā)電機和變速器)被附接到兩個比空氣輕的膨脹體，一個膨脹體在渦輪機部分前方且第二膨脹體在渦輪機部分后方。在本發(fā)明的此情形中，渦輪機的軸和發(fā)電機位于比空氣輕的膨脹體的中心下方，其方式使得系統(tǒng)的重心低于系統(tǒng)的提升中心。當渦輪機不旋轉時，系統(tǒng)將自身定位，其方式使得重心在豎直方向位于系統(tǒng)的提升中心下方(類似于鐘擺)，當渦輪機開始旋轉時，將在系統(tǒng)上導致轉矩，并且系統(tǒng)將開始在與渦輪機相同的方向上旋轉；通過此旋轉，將改變重心的角度位置，且將在連接重心點和提升中心點的線與豎直方向之間張開一定角度；此所述角度將稱為Alpha。返回轉矩將作用在系統(tǒng)上(如同作用在鐘擺上的返回轉矩)。返回轉矩將稱為 RT。RT = HigXdXsin(Alpha) ；m是系統(tǒng)的質量；g是重力加速度；d是重心和提升中心之間的距離；最大返回轉矩=RTmax = mgXdX l(sin(90) = 1)。風力渦輪機在系統(tǒng)上導致的轉矩將稱為WT ；如果WT < mgXd，則在0 <角度Alpha < 90時，系統(tǒng)將達到平衡。在本發(fā)明的另一個情形中，渦輪機部分的一端通過系索連接到提升部分；且渦輪機部分的另一端通過另一個系索連接到錨定部分。渦輪機部分的被連接到這兩個系索的兩個點之間的線將被稱為拉伸線。系統(tǒng)構造為使得系統(tǒng)的重心低于拉伸線。當風力渦輪機不旋轉時，系統(tǒng)將自身處于重心將相對于拉伸線在豎直方向上處于最低可能位置的位置處 (類似于鐘擺)。當風吹過渦輪機時，渦輪機將旋轉且將在系統(tǒng)上導致旋轉轉矩，系統(tǒng)將開始旋轉到渦輪機的相同的方向；通過系統(tǒng)的所述轉動，重心的角度位置將改變；且將在將重心點與拉伸線連接的平面和與拉伸線相交的豎直平面之間張開一定角度。此所述角度將稱為Alpha。返回轉矩將作用在系統(tǒng)上(如同作用在鐘擺上的返回轉矩)。此返回轉矩又將稱為RT，計算與以上所述情況相同；差異僅在于，d將是重心點和拉伸線之間的距離。RT = mgXdX sin (Alpha) ；RTmax = mgX dX 1 ；且如果 WT < mgX d，則在 0〈角度 Alpha < 90時，系統(tǒng)將達到平衡。在本發(fā)明的另一個情形中，渦輪機部分將包括超過一個的風力渦輪機，這些所述風力渦輪機構造為使得當風吹過它時所述風力渦輪機時它們將在相反的方向上旋轉；因此，所述風力渦輪機的每一個將在系統(tǒng)上導致相反方向上的旋轉轉矩。這些所述的相反的
6旋轉轉矩將相互平衡；但為避免整個系統(tǒng)的旋轉，作用在系統(tǒng)上的轉矩的總和必須為零，從而實現(xiàn)零轉矩總和，這要求非常精確和復雜的角度控制器；此角度控制器應連續(xù)地控制風力渦輪機葉片的迎角、由系統(tǒng)的發(fā)電機產(chǎn)生的功率和可能影響每個風力渦輪機在系統(tǒng)上導致的轉矩的大小的其它因素。對此復雜的角度控制器可替代的是以與上述方式相同的方式利用本發(fā)明的原理的系統(tǒng)。在具有超過一個風力渦輪機的該類型的系統(tǒng)內，差別僅在于要求的返回轉矩RT僅需平衡尚未由相反的旋轉的渦輪機平衡的不平衡的差異轉矩。且這可通過使用本發(fā)明的原理以低成本且簡單并可靠的方式實現(xiàn)。本發(fā)明的其它和另外的目標、優(yōu)點和特征將通過結合附圖參考如下說明書被理解，其中相同的部分被賦予相同的附圖標記。


本發(fā)明及其另外的目標和優(yōu)點一起可通過結合附圖參考如下描述被最好地理解， 其中類似的附圖標記指示類似的元件，且其中圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)在其風力渦輪機不旋轉時的部分橫截面的示意性正視圖。圖2是在風力渦輪機旋轉時處于平衡狀態(tài)的圖1的系統(tǒng)。圖3是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機的第一實施例的部分橫截面的側視圖。圖4是當系統(tǒng)具有兩個渦輪機時的圖3中示出的系統(tǒng)的渦輪機部分的部分橫截面的細節(jié)視圖。圖5是當系統(tǒng)具有一個渦輪機時的圖3中示出的系統(tǒng)的渦輪機部分的部分橫截面的細節(jié)視圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機系統(tǒng)的第二實施例的部分橫截面的側視圖。圖7是當系統(tǒng)包括一個渦輪機時的圖6中示出的系統(tǒng)的渦輪機部分的部分橫截面的詳細視圖。圖8是當系統(tǒng)包括兩個渦輪機時的圖6中示出的系統(tǒng)的渦輪機部分的部分橫截面的詳細視圖。圖9是沿圖8的線9-9截取的橫截面視圖，所述橫截面視圖示出了圖8中示出的兩個渦輪機的葉片的相對的迎角。圖10是根據(jù)本發(fā)明的空浮風力渦輪機系統(tǒng)的另一個實施例的部分橫截面的側視圖。圖11是根據(jù)本發(fā)明的風力渦輪機系統(tǒng)的提升部分的詳細視圖。
具體實施例方式參考附圖，圖1和圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖，許多細節(jié)在這些附圖中未示出且將在后文中示出和解釋，這些簡單附圖的目的是解釋本發(fā)明的系統(tǒng)的基本原理。19是密封的柱體；19填充有比空氣輕的氣體20，例如氦或氫；系統(tǒng)具有兩個類似的體19，它們的其中一個在附圖中未示出。兩個體19比空氣輕且生成提升力14(14 = L)，所述提升力導致系統(tǒng)在大氣中浮在空中。兩個體19通過軸12 相互剛性地連接；軸12放置在兩個體19的對稱中心的下方；風力渦輪機13以可旋轉的方式安裝到軸12，其方式允許渦輪機13相對于軸12旋轉。渦輪機13通過傳動系統(tǒng)連接到發(fā)電機(發(fā)電機在此附圖中未示出)，發(fā)電機剛性地安裝且固定到軸12。浮動系統(tǒng)的總重 15等于mg。m是系統(tǒng)的總質量，且g是重力加速度。系統(tǒng)的提升中心為10，且系統(tǒng)的重心為11 (提升中心和重心如上所定義)。提升力14 > 15(15是系統(tǒng)的重量)，在此附圖中未示出的系索控制了系統(tǒng)的高度。 當渦輪機13不旋轉時，系統(tǒng)將自身定位為使得重心11將在豎直方向上位于提升中心10下方，(和鐘擺一樣)。點10和11之間的距離為21 Ql = d)。此位置在圖1中示出。當風通吹過渦輪機13時，渦輪機的葉片將開始在方向16上旋轉，如在圖2中示出；渦輪機13將把旋轉運動傳遞到發(fā)電機，所述發(fā)電機在發(fā)電時將抵抗傳遞來的旋轉運動，且因為發(fā)電機剛性安裝到軸12，所以渦輪機13的旋轉轉矩將通過軸12傳遞到整個系統(tǒng)。系統(tǒng)將開始在與渦輪機13相同的旋轉方向上角度地滾動，且將在將點10連接到點11 的直線和豎直方向之間張開一定角度18(18 = Alpha)。返回轉矩將作用在系統(tǒng)上，此轉矩將是RT ；重心點11和通過提升中心點10的豎直線之間的距離為17(17 = d X sin (Alpha)).因此RT = mgXdX sin (Alpha) ；RT max = mgX dX 1 (sin (90) =1)；渦輪機 13 在系統(tǒng)上導致的轉矩為WT。如果WT < RT max,則在0 < Alpha < 90時，系統(tǒng)將達到平衡； 如果WT > RT max，則系統(tǒng)將保持角度旋轉且不能產(chǎn)生電力。圖3是本發(fā)明的第一實施例的部分橫截面的側視圖；圖4和圖5是此第一實施例的兩個情形。在圖3中，114是密封的可膨脹前側漂浮體；此體填充有比空氣輕的氣體115，此氣體可以是氦、氫、熱空氣或任何比空氣輕的氣體；134是也填充有氣體115的后側可膨脹漂浮體；這兩個漂浮體生成組合提升力109 ； (109 = L)；組合提升力109可被認為是通過提升中心點110作用在系統(tǒng)上；提升中心點在上文中已描述。系統(tǒng)的總重為112(112 = mg)；系統(tǒng)的總重可被認為是通過重心點111作用；重心點在上文中已描述；當系統(tǒng)的渦輪機處于靜止狀態(tài)時，Iio和111之間的豎直距離是132， (132 = d)。系統(tǒng)漂浮在空氣中，因此109 > 112 (L > mg)，可獲得的提升力通過系索1 和 125進行平衡；系索1 通過絞盤127連接到錨定基部128 ；絞盤127可調整系統(tǒng)的運行高度。122是對體114進行支承并且連接系統(tǒng)到系索125和126的結構梁；122也剛性地連接到支承壁119 ；另一個支承壁119剛性地連接到后結構梁123，所述后結構梁123支承了后側漂浮體134。軸121剛性地安裝且固定在兩個支承壁119之間；軸121豎直地位于支承壁119的中心下方。軸121將前側體114連接到后側體134。一個或多個風力渦輪機113圍繞軸121 以可旋轉的方式安裝；圖4示出了包括兩個風力渦輪機的此實施例的情形的橫截面細節(jié)側視圖；(在本發(fā)明的此實施例中可包括超過兩個渦輪機)。圖5示出了包括一個風力渦輪機的此實施例的情形的橫截面細節(jié)側視圖；潤輪機 113圍繞軸121通過軸承131組裝；軸承131允許渦輪機圍繞軸121旋轉。發(fā)電機118安裝到支承壁119 ；發(fā)電機118通過剛性地安裝到發(fā)電機軸的齒輪117 和剛性地安裝到渦輪機113的齒輪116連接到渦輪機113 ；由發(fā)電機在旋轉時產(chǎn)生的電力借助導線130通過中空的軸121通向變換單元129，且從變換單元1 通向系索126，且附接到系索126到錨定基部128以用于使用或能量存儲。除了如在圖3中示出的，系索125 和1 至少部分地相互并排且導向錨定基部128，替代地，系索1 可以是導體或是多個導體，它們將電力從發(fā)電機118傳導到利用裝置以用于使用，和/或傳導到儲能裝置以用于存儲能量，并且是完全分離的且與將系統(tǒng)錨定到錨定基部128的系索125分開。利用裝置和 /或儲能系統(tǒng)可以布置在錨定基部1 上或布置在不同的位置處。變換單元1 的作用是收集來自所有發(fā)電機118的電力且將其統(tǒng)一為處于期望電壓的一個輸出。在系統(tǒng)包括一個渦輪機的情況下，可使用一個或超過一個的發(fā)電機，此情形在圖5中示出。當系統(tǒng)的渦輪機不旋轉時，系統(tǒng)將自身定位，其方式使得111(重心)在豎直方向上大致位于110(提升中心)下方。當此實施例的渦輪機113受風時，空浮系統(tǒng)將向下風處飄動，其方式使得軸121 將大體上平行于風向。在圖3和圖4中示出的情形中，兩個渦輪機將開始相對于軸121旋轉；每個渦輪機將旋轉到與另一個渦輪機相對的方向，因為它們的葉片具有相對于風向相反的迎角；每個渦輪機將通過發(fā)電機在系統(tǒng)上導致旋轉轉矩。此轉矩將為WTl和WT2，這兩個轉矩將在相反的方向上作用在系統(tǒng)上且因此它們將相互平衡；兩個轉矩之間的差異將是 WT3 ； (WT1-WT2 = WT3)；整個系統(tǒng)將開始在WT3的方向上旋轉；將在豎直方向和110與111 之間的直線之間張開一定角度Alpha ；如在上文中所解釋，返回轉矩將在與WT3相反的方向上作用在系統(tǒng)上；(和鐘擺中一樣)。如果訂3<11^\(1;(1^= 112 ；d= 132)，則在0<角度Alpha < 90時，系統(tǒng)將達到平衡。如果此實施例的情形包括一個渦輪機，如在圖5中示出，則通過一個渦輪機在系統(tǒng)上導致的轉矩將為WT，且在此情況中，只要WT <mgXd ;(mg = 112 ；d = 132)，系統(tǒng)可達到平衡。圖6是本發(fā)明的系統(tǒng)的第二實施例的部分橫截面?zhèn)纫晥D；圖7和圖8是此第二實施例的兩個部分橫截面細節(jié)側視圖；圖9是圖8中示出的渦輪機葉片的細節(jié)橫截面。在本發(fā)明的此第二實施例中，風力渦輪機部分包括至少一個風力渦輪機，但可包括很少的這樣的風力渦輪機，即其一部分將旋轉到與其余的風力渦輪機反向的方向。此實施例的渦輪機部分通過系索連接到提升部分，且通過另一個系索連接到錨定部分。提升部分214是填充有比空氣輕的氣體215的提升體，例如氦、氫、熱空氣或任何其它比空氣輕的氣體。提升體具有空氣動力學形狀，使得當風240吹過214時另外的提升力作用在214上。體214通過系索225連接到系統(tǒng)的渦輪機部分。在渦輪機部分中，221是主軸，此主軸優(yōu)選地是柱形空心管，它給渦輪機部分賦予了結構強度；其優(yōu)選地由復合材料或由其它輕型結構材料制成。渦輪機213通過軸承組件 231以可旋轉的方式圍繞221安裝，其方式使得渦輪機213可圍繞主軸221旋轉。梁222剛性地且與221的后端成直角地安裝且固定到221的后端；222的另一端連接到系索225且通過系索225連接到提升體214 ；220是剛性地安裝且固定到主軸221的后支承元件；219是剛性地安裝且固定到主軸221的前支承元件；在這兩個支承元件上安裝了兩個發(fā)電機218 ； 發(fā)電機218通過傳動輪217和216連接到渦輪機213，所述傳動輪217剛性地安裝到發(fā)電機軸而傳動輪216剛性地安裝到渦輪機213 ；當渦輪機213旋轉時，旋轉通過傳動輪傳遞到發(fā)電機218(可使用任何其它傳動類型，例如傳動帶，以將渦輪機213的旋轉傳遞到發(fā)電機 218)。2 是221前端處的連接元件；系索2 將渦輪機部分通過絞盤227連接到錨定基部228，所述絞盤227可控制系統(tǒng)的運行高度；導線230附接到系索226，所述導線230將由發(fā)電機218產(chǎn)生的電力傳導且通過變換單元229 ；變換單元219的作用是收集由所有發(fā)電機218產(chǎn)生的電力且將其統(tǒng)一為處于期望電壓的一個電輸出。渦輪機部分的重心為211 ；由提升部分產(chǎn)生的提升為209 ；拉伸線210是將渦輪機部分連接到系索2 和225的兩個點之間的連線，(重心和拉伸線在上文中已描述)。211 和線210之間的距離為232，(232 = d)。當渦輪機213不旋轉時，系統(tǒng)將自身定位，其方式使得重心211將在豎直方向大致位于拉伸線210的下方(像鐘擺一樣)。當渦輪機213受風214時，系統(tǒng)將向下風處飄動，并且渦輪機213將開始旋轉。在圖6和圖8中示出的實施例的情形中，兩個渦輪機將反向旋轉，因為兩個渦輪機的葉片具有相對于風向240相反的迎角，這在圖9中示出，此時前渦輪機將旋轉到方向241且后渦輪機將旋轉到方向M2。每個渦輪機將通過發(fā)電機218在軸221上導致旋轉轉矩；這些轉矩將為WTl和 WT2 ；這兩個轉矩在相互相反的方向上作用且因此它們部分地相互平衡；相反轉矩的差異將是WT3如前文所解釋，渦輪機部分將開始圍繞線210角度地滾動；將在通過線210的豎直平面和通過點211(重心)和線210的平面之間張開一定角度Alpha;返回轉矩將以與WT3的方向相反的方向作用在系統(tǒng)的渦輪機部分上；此返回轉矩將是RT，等于RT = mgXdX sin (Alpha), (mg = 212 ；d = 232)；如果 WT3 < mgX dX 1 (sin (90) = 1)，則在 0 < Alpha < 90時，系統(tǒng)將達到平衡。如果WT3 > mgXd，則不能實現(xiàn)平衡，并且系統(tǒng)將保持角度地滾動，并且不能產(chǎn)生電力。重要的是理解到渦輪機部分可包括任何數(shù)量的渦輪機，并且如果在轉矩相互平衡后，合轉矩將為WT3，則以上計算是正確的。圖7示出了本發(fā)明的此實施例的情形，其中渦輪機部分包括一個風力渦輪機；此渦輪機通過發(fā)電機218在軸221上導致的轉矩為WT。如上文所解釋，如果WT < mgX dX 1，則在0 < Alpha < 90時，可實現(xiàn)平衡；如果 WT > mgXd，則不可實現(xiàn)平衡，并且系統(tǒng)將圍繞線210保持角度地滾動；在此情況中不能由系統(tǒng)產(chǎn)生電力。為使得以上描述更清楚，這里是對于圖8中示出的實施例的情形的一些計算。在如下的示例中，前渦輪機113具有1. 5兆瓦的輸出，且后渦輪機113具有1. 25 兆瓦的輸出，(系統(tǒng)的總輸出為2. 75兆瓦)。渦輪機以IOrpm的速度旋轉。渦輪機部分的總重量是10公噸；距離232為5米(d = 5米)，因此渦輪機的角速度為10X2X3. 14/60 = 1. 047弧度/秒。前渦輪機在軸221上導致的轉矩為WT1，因為轉矩X角速度=功率；所以WTl = 1. 5兆瓦/1. 047 = 1. 43兆牛X米。后渦輪機113在軸上導致的轉矩為WT2 ；WT2 = 1. 25 兆瓦/1. 047 = 1. 19兆牛X米。當兩個轉矩在相反的方向上作用時，作用在軸221上的合轉矩為 WT3。WT3 = WT1-WT2 = (1. 43-1. 19)兆牛 X 米=0. 24 兆牛 X 米。當此轉矩作用在軸221上時，本發(fā)明的此情形的渦輪機部分將在轉矩方向上旋轉，將在通過線210的豎直平面和通過點211和線210的平面之間張開一定角度Alpha， 從而導致返回轉矩；此返回轉矩將為RT ； RT = mgXdX sin (Alpha) ；mg = 10000X9.8 =
1098000,并且d = 5米。在平衡位置處，WT3 = RT = 0. 24兆牛X米=240000兆牛X米。因此，在渦輪機部分的平衡位置處的sin(Alpha)將為sin(Alpha)(在平衡處)=RT/mgXd =WT3 = 240000/490000 = 0. 49。因此，系統(tǒng)將達到平衡處的角度將大致為30度；(sin (30) = 0. 5)。圖10是本發(fā)明的第三實施例的部分橫截面?zhèn)纫晥D。在此實施例中存在通過系索226以串聯(lián)形式連接的多個渦輪機部分；上渦輪機部分連接到提升部分，并且下渦輪機部分優(yōu)選地通過絞盤227連接到錨定基部228，所述絞盤 227可控制多個渦輪機部分的運行高度。每個渦輪機部分、提升部分和錨定基部與圖6、圖8和圖7中所示的類似。此實施例的優(yōu)點是通過相同的系統(tǒng)利用多個高度上的風能，電力輸出的成本將更低。缺點是系統(tǒng)的控制和維護更復雜。圖11示出了本發(fā)明的不同實施例中的可能的提升部分，所述提升部分可為空浮系統(tǒng)生成提升力。327是空氣薄膜提升器風箏；314是可膨脹的密封的氣球，315是填充氣球314的比空氣輕的氣體。氣球和風箏的組合提升力生成通過系索326的用于本發(fā)明的系統(tǒng)的渦輪機部分的提升力；僅使用風箏作為系統(tǒng)的提升力源或僅使用比空氣輕的氣球作為系統(tǒng)的提升力源是可能的。類似于在圖11中示出的組合提升部分的優(yōu)點是它將更好地在所有的風速水平下運行。當風速低時，氣球將生成主提升力，當風速更高時，氣球將更強地向下風處飄動且系統(tǒng)可能失去高度，但空氣薄膜風箏將在高風速下生成更大的提升力并且將控制系統(tǒng)的高度，且系索326的角度更可控。包括風箏的空氣動力學特性與比空氣輕的氣球的漂浮特性的統(tǒng)一體是可能的，且在圖6中示出為物體214。以上所述的任何系統(tǒng)可構造為在陸地上方運行或在水體上方離岸運行。此外，系統(tǒng)可容易地在不同的高度運行以使系統(tǒng)最大化地受到高速風。系統(tǒng)安裝到水體上的漂浮架的離岸運行可能比現(xiàn)有的安裝在塔上的離岸風基發(fā)電系統(tǒng)更廉價且更容易地實施，這是因為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)僅要求海底或漂浮架上的錨定點，而不要求其它構造。應理解的是本發(fā)明不限制于以上所述的實施例，而是包括所附的權利要求書的范圍內的任何的和所有的實施例。雖然本發(fā)明已在上文中相對于特定設備和特定實施進行了描述，但應清楚的是可進行各種修改和改變，且在本發(fā)明的范圍內，一個實施例的各種特征能夠包括在其它實施例中。
權利要求
1.一種用于從風能產(chǎn)生電力的空動系統(tǒng)，包括 渦輪機部分，所述渦輪機部分包括軸，至少一個渦輪機，所述渦輪機以可旋轉的方式安裝到所述軸且布置用以當受風時旋轉；和連接到所述至少一個渦輪機的至少一個發(fā)電機，且所述發(fā)電機布置用以將所述至少一個渦輪機的旋轉轉化為電力；連接到所述渦輪機部分的一部分的提升部分，所述提升部分用于生成提升力以使所述渦輪機部分在希望的高度上浮在空中；和通過系索連接到所述渦輪機部分的另一個部分的錨定部分，以將所述渦輪機部分錨定到相對于地面的基部；且其中將所述錨定部分連接到所述渦輪機部分的所述系索包括 連接到所述渦輪機部分的導體，以傳導由所述至少一個發(fā)電機產(chǎn)生的電力，用于使用或能量存儲；其中所述渦輪機部分構造為使得，在所述至少一個渦輪機靜止的同時，所述渦輪機部分的重心大致處于相對于一大致直線的最低可能位置，所述大致直線處于所述渦輪機部分的連接到所述提升部分的一部分和所述渦輪機部分的連接到所述錨定部分的另一個部分之間；其中受風的所述至少一個渦輪機旋轉且造成在所述渦輪機部分上產(chǎn)生旋轉轉矩，這導致重心離最低可能位置的角度偏移；其中重心的所述角度偏移導致隨所述角度偏移的增加而增加的返回轉矩；且其中所述返回轉矩作用在所述渦輪機部分上，導致所述渦輪機部分達到穩(wěn)定的角度位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述渦輪機部分包括至少兩個風力渦輪機，所述風力渦輪機在受到相同的風時在相反的方向上旋轉；且其中受風且在相反的方向上旋轉的所述渦輪機導致所述渦輪機部分上的相反的旋轉轉矩；其中在所述渦輪機部分上導致源自所述至少兩個渦輪機的相反旋轉轉矩的差異轉矩， 導致所述渦輪機部分離靜止角度位置的角度偏移；其中所述角度偏移導致隨所述角度偏移的增加而增加的返回轉矩；和其中所述返回轉矩平衡了所導致的差異轉矩，且導致所述渦輪機部分處于角度穩(wěn)定， 同時所述系統(tǒng)的發(fā)電機旋轉且產(chǎn)生電力，所述電力被傳導以用于使用或能量存儲。
3.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述提升部分包括至少一個填充有比空氣輕的氣體的密封的可膨脹體。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述比空氣輕的氣體是氦。
5.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述比空氣輕的氣體是氫。
6.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系索由復合材料制成。
7.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述提升部分包括至少一個空氣動力學風箏，所述空氣動力學風箏生成導致所述系統(tǒng)在希望的高度處浮在空中的提升力。
8.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述提升部分包括至少一個填充有比空氣輕的氣體的可膨脹體、和至少一個風箏。
9.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括通過系索以串聯(lián)形式相互連接的多個渦輪機部分，且所述多個渦輪機部分布置用以捕獲多個高度處的風能。
10.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述導體至少部分地與所述系索并排布置。
11.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述導體至少部分地與所述系索分開布置。
12.一種用于從風能產(chǎn)生電力的空浮系統(tǒng)，包括 渦輪機部分，所述渦輪機部分包括軸；至少一個渦輪機，所述渦輪機以可旋轉的方式安裝到所述軸以當受風時相對于所述軸旋轉；連接到所述至少一個渦輪機的至少一個發(fā)電機，且所述發(fā)電機布置用以將所述至少一個渦輪機的旋轉轉化為電力；其中所述至少一個發(fā)電機安裝為相對于所述軸固定； 提升部分，包括至少一個含有比空氣輕的氣體的密封的可膨脹體且所述可膨脹體被聯(lián)接到所述渦輪機部分，其中所述至少一個密封的可膨脹體生成提升力，所述提升力導致所述空浮系統(tǒng)在希望的高度處浮在空中；其中所述渦輪機部分和所述提升部分構造為使得，所述空浮系統(tǒng)的重心在豎直方向上低于所述空浮系統(tǒng)的提升中心，且其中所述空浮系統(tǒng)自身角度定位，使得在所述至少一個渦輪機不旋轉的同時，所述空浮系統(tǒng)的重心大致處于相對于所述提升中心的最低可能點；將所述空浮系統(tǒng)連接到錨定基部以將所述空浮系統(tǒng)相對于地面錨定的錨定部分，其中所述錨定部分包括系索；和連接到所述渦輪機部分以傳導由所述至少一個發(fā)電機生成的電力以用于使用或能量存儲的導體；其中當所述至少一個渦輪機受風時，所述渦輪機旋轉且在所述渦輪機部分上產(chǎn)生旋轉轉矩，所述旋轉轉矩導致所述空浮系統(tǒng)從重心處于相對于提升中心的所述最低可能點的位置角度偏移，且在所述渦輪機部分上作用有返回轉矩；其中當所述系統(tǒng)的角度偏移增加時，所述返回轉矩增加，直至所述返回轉矩大體上等于由所述至少一個渦輪機在所述軸上產(chǎn)生的轉矩，并且所述空浮系統(tǒng)變成角度穩(wěn)定。
13.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述渦輪機部分包括以可旋轉的方式安裝到所述軸的至少兩個渦輪機，且所述至少兩個渦輪機在受到相同的風時在相反的方向上相對于彼此自由旋轉；其中當所述至少兩個渦輪機處于靜止位置時，所述系統(tǒng)的重心處于相對于所述系統(tǒng)的提升中心的所述最低可能位置，且其中當所述至少兩個渦輪機受風且在相反方向上旋轉時，它們在所述空浮系統(tǒng)的所述軸上產(chǎn)生相反方向上的旋轉轉矩，且所述相反的轉矩相互平衡；且其中當所述空浮系統(tǒng)通過兩個相反轉矩的差異的作用而角度地滾動時，和其中所述系統(tǒng)離所述靜止位置的角度偏移導致隨離所述靜止位置的角度偏移的增加而增加的返回轉矩，直至所述返回轉矩平衡所述差異轉矩，且所述空浮系統(tǒng)變成角度穩(wěn)定。
14.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述空浮系統(tǒng)的所述提升部分包括至少兩個含有比空氣輕的氣體的密封的可膨脹體，且所述至少兩個可膨脹體安裝到所述渦輪機部分， 一個安裝在所述渦輪機部分的前側且另一個安裝在所述渦輪機部分的后側，導致所述空浮系統(tǒng)在希望的高度處浮在空中。
15.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述錨定部分包括安裝到所述錨定基部的絞盤且所述絞盤控制所述系索的長度，因此控制所述空浮系統(tǒng)的運行高度。
16.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，進一步包括電力轉換單元，所述電力轉換單元收集由所述至少一個發(fā)電機生成的電力，并且將收集到的電力統(tǒng)一為處于期望電壓的一個輸出ο
17.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述提升部分具有空氣動力學構造，除由所述比空氣輕的氣體所生成的提升力之外，所述空氣動力學構造當受風時生成提升力。
18.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述導體至少部分地與所述系索并排布置。
19.根據(jù)權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述導體至少部分地與所述系索分開布置。
全文摘要
一種用于從風能產(chǎn)生電力的空浮系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括軸(12、121、221)，以可旋轉的方式安裝到所述軸(12、121、221)且當受到相同的風時獨立地在相反的方向上旋轉的風力渦輪機(13、113、213)，和布置用以將渦輪機(13、113、213)的旋轉轉化為電力的發(fā)電機。提升部分包括風箏(214)和比空氣輕的氣球(19、114)，其生成導致所述系統(tǒng)浮在空中的提升力(14、109、209)。所述系統(tǒng)的重心低于所述系統(tǒng)的提升中心；當渦輪機(13、113、213)開始旋轉時，在軸(12、121、221)上導致轉矩，且所述轉矩相互平衡，而剩余的差異轉矩通過返回轉矩進行平衡，所述返回轉矩通過重心離其最低位置的角度偏移而生成，所述返回轉矩的大小一直增加直至所述系統(tǒng)達到角度穩(wěn)定；生成電力，且引導電力以用于使用或能量存儲。
文檔編號F03D11/00GK102177335SQ200980136795
公開日2011年9月7日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權日2008年9月18日
發(fā)明者摩西·梅勒 申請人:摩西·梅勒