维拉诺瓦超高效立式风机系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请与2018年10月10日提交的美国临时专利申请第62/744,074号有关并要求该美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的全部内容通过引用合并于此。

发明背景

下面包括在理解本公开时可能有用的信息。不承认本文提供的任何信息是现有技术，也不承认其是目前描述或要求保护的发明的实质，也不承认任何具体或隐含引用的出版物或文献是现有技术。

技术领域

本发明总体上涉及存在技术的原动机动力设备的领域，并且更具体地涉及风力原动机动力设备。

背景技术

标准风机使用在取向上类似于常规风扇的卧轴和竖直定向的叶片来构造。尽管该风机产生可持续能量，但在这种传统设计中，风的动能可能利用不足。由于风向的突然变化，风可能会利用不足。此外，当没有风吹来时，以角动量形式储存的动能可能会显著降低，并且风机的叶片会产生更大的空气阻碍/阻力，而不是产生能量。需要合适的方案。

乔纳森·哈尔(Jonathan Haar)的美国专利第8,648,483号涉及立轴风力涡轮机系统。所描述的立轴风力涡轮机系统包括可操作地连接至第一电动机/发电机的较低风速的立轴风力涡轮机以及可操作地连接至至少一个第二电动机/发电机的较高风速的立轴风力涡轮机。来自第一电动机/发电机的电力被引导到至少一个第二电动机/发电机和磁悬浮系统，以使较高风速的涡轮机开始转动。还提供了启动辅助子系统，其像局部风加速器一样起作用并产生正转矩以辅助立轴风力涡轮机的启动。

发明内容

鉴于已知的风力原动机动力设备技术固有的前述缺点，本公开提供了一种新型的超高效立式风机系统。随后将更详细地描述的本公开的总体目的是提供一种高效且有效的立式风机系统。

本文公开了一种立式风机系统，在优选的实施方式中，该系统包括：主立轴；至少一个框架；多个立式风机鳍板组件，每个立式风机鳍板组件包括立轴(具有第一端部；第二端部；以及长度)；多个盘(每个盘具有外径部；带有槽口的半径范围；以及内径部)；至少一个板；以及轴承(以提供平稳的旋转)。按照设计，立式风机系统包括：上述主立轴；上述至少一个框架；以及以功能组合形式提供高效的发电的上述多个立式风机鳍板组件。

立轴的第一端部和第二端部均包括锥形尖端；其中每个锥形尖端包括铁磁材料。至少一个框架是空气动力学的，并且每个框架包括多个磁体；其中包括铁磁材料的每个锥形尖端与多个磁体中的对应的一个磁体接合；多个磁体使摩擦最小化。

多个框架周向地围绕主立轴安装；其中至少一个框架是拱式的，并且主立轴定向在竖直轴线上，并且根据主导的相关风向围绕竖直轴线沿顺时针方向旋转和交替地沿逆时针方向旋转。至少一个板能够旋转最多最大90度的角度(这在行程上可以通过止动件来限制)。多个盘垂直地安装到立轴上(在优选的实施方式中，多个盘包括每个立轴上的正好四个盘)。多个盘中的每个盘被形成(制造)为使得槽口包括在内径部和外径部之间移动(移除)的负容积体。至少一个板沿着立轴的长度的一部分位于两个顶部盘和两个底部盘之间，至少一个板的质量小于盘的质量；至少一个板的质量等于不存在的负槽口容积体的总质量以使质心适当地分布。本文还公开了一种方法。

为了概述本发明，本文描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解，根据本发明的任何一个特定实施方式，不一定可以实现所有这些优点。因此，本发明可以以实现或优化本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施或实现，而不一定实现本文可能教导或启示的其他优点。在说明书的结论部分中特别指出并明确要求保护被认为具有新颖性的本发明的特征。参照以下附图和详细描述，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。

附图说明

本说明书的书面部分所附的附图示出了根据本公开的教导构造和操作的本公开即立式风机系统的实施方式和使用方法。

图1是根据本公开的实施方式的立式风机系统的立体图。

图2是根据本公开的实施方式的图1的立式风机系统的立体图。

图3是根据本公开的实施方式的图1的立式风机系统的立体图。

图4是根据本公开的实施方式的图1的立式风机系统的立体图。

图5是根据本公开的实施方式的图1的立式风机系统的另一个立体图。

在下文中将结合附图描述本发明的各种实施方式，其中相同的标号表示相同的元件。

具体实施方式

如上所述，本公开的实施方式涉及原动机动力设备，并且更具体地涉及用于提高风力发电效率的立式风机系统。

总的来说，维拉诺瓦(Villanova)超高效立式风机是用于在风速降低的情况下不会使发电机减速而使能量产生最大化的风机。与三叶片卧轴风机的最常见类型中的水平旋转不同，立轴竖直旋转(在竖直轴线上)。它可以包括多个(例如，设想6到12个或更多个或更少个)“叶片”。每个“叶片”是弯曲的框架结构，具有顶部和底部弯曲的平坦/空气动力学表面。每个这样的叶片包含多个“鳍板”。每个这样的“鳍板”在构造上是相同的，并对机器的最终效率做出贡献。设计的成功在很大程度上取决于“鳍板”的成功生产。

鳍板设计细节：“鳍板”由末端为锥形的逐渐变细的部位/枢轴的、具有半径'r'('r'>＝'t'/2)的细的立轴构成，该锥形的逐渐变细的部位/枢轴可在“叶片”框架的顶表面和底表面上的“插槽”中轻松地滑动/旋转。这些锥形末端优选具有磁性材料，以用于降低“叶片的”的底部插槽中的摩擦(在“叶片”的顶表面上使用永磁体以降低“鳍板”的有效重量)。它还包括具有均匀密度'raw2'的偶数'N'(N＝2、4、6等；示出N＝4)个小(相对较重)的盘，每个盘的厚度为't'，外部半径为'R'。还附接有尺寸为't'×'H'×('R'-'r')的具有均匀密度'raw1'的更轻的矩形“板”。盘隔开距离(2×'B')，其中'B'为约(3×'t')。'N'/2个“盘”位于“板”的一侧，而其他'N'/2个“盘”位于其另一侧。在一侧(称为“向上”配置)，最近的“盘的中心”距“板侧”为2×'B'个单位远。在另一侧(称为“向下”配置)，最近的“盘的中心”距“板侧”仅为'B'个单位远。“板的”高度'H'与其宽度w＝('R'-'r')的比优选为约10∶1(即，'H'/{'R'-'r'}＝～10)。但是，这可以根据需要进行调整。厚度't'应尽可能小。此外，“盘”不是连续的，而是具有与“板”完全对准的厚度为't'的“槽口”。构思是，“板”的重量应等于所有('N'个)盘的缺失的'N'个“槽口”部分的相结合的总重量。这样，质心位于鳍板的竖直轴线上，这对于本发明的正确操作具有重要意义。质心必须位于“鳍板”的竖直轴线上。“板”材料和“盘”材料的密度之间的关系由以下公式表示：'raw2'＝('rawl'×'H')/('N'×'t)。例如，对于H＝50cm，t＝1cm，N＝4，'raw2'/'raw1'＝50/(4×1)＝12.5。立轴的总高度(不包括锥形的端部部分)可以表示为：'H'+('N'+1)×(2×'B')。

叶片设计细节：“叶片”由多个“鳍板”组成。每个相邻的“鳍板”优选在它们的竖直轴线之间隔开距离('R'+'r'+'t')。没有任何限制地，鳍板可以围绕其竖直轴线旋转整个360度。然而，应该有某种方式来限制它们的移动，以使它们只能旋转最多90度，从而仅形成两个极限位置，即“打开”和“关闭”。将旋转限制为仅90度的方法可以通过任何合适的止动件机构来完成。所有奇数编号的“鳍板”都处于“向上”位置(例如fl、f3、f5等)。所有偶数编号的“鳍板”都应处于“向下”位置。“叶片”的上框架/表面优选具有磁体，以从顶部“拉动”“鳍板”(的磁性锥形部分)，从而减小底部轴承/枢轴/插槽处的摩擦。当“鳍板”处于“关闭”位置时，它们吸收风的动能以产生风机的运动。当“鳍板”处于“打开”位置时，它们通过对风提供最小的阻力来使风通过叶片。

更具体地，现在更详细地通过附图标记参照附图，在图1至图5中示出了立式风机系统100的各种视图。

图1至图5示出了根据本公开的实施方式的立式风机系统100的各种视图。在此，立式风机系统100可有利于用户用来产生高效的风能收集和电力产生以供使用。更具体地，图1示出了具有12个鳍板的单个叶片部分及其部件的3D图像，图2示出了单个“鳍板”的正投影，图3示出了单个“鳍板”的等距(3D)投影。图4示出了附接有多个鳍板的单个完整叶片的3D图像。图5示出了在立轴上附接有8个叶片的风机的最终结构的3D图像。

如图所示，立式风机系统100可以包括：主立轴110；至少一个框架120；多个立式风机鳍板组件130，每个立式风机鳍板组件包括立轴132(该立轴具有第一端部134；第二端部136；以及长度138)、多个盘140(每个盘140具有外径部142、带有槽口146的半径范围144、内径部148)、至少一个板150；这样，立式风机系统100包括：主立轴110；至少一个框架120；以及以功能组合形式提供发电的多个立式风机鳍板组件130。

现在参照立轴132的第一端部134和第二端部136；立式风机系统100的立轴132的第一端部134和第二端部136各自包括锥形尖端135；其中每个锥形尖端135优选包括铁磁材料。多个磁体122使摩擦最小化，并且包括铁磁材料的每个锥形尖端135与多个磁体122中的对应的一个磁体接合。至少一个框架120是空气动力学的，并且每个框架包括多个磁体122；并且多个框架120各自周向地围绕主立轴110安装。如图所示，至少一个框架120是拱式的。根据设计，主立轴110能够根据主导的相关风向沿顺时针方向旋转，并且主立轴110也能够根据主导的相关风向沿逆时针方向旋转(从而提高利用效率)。主立轴110定向在竖直轴线上并且围绕该竖直轴线旋转。

在如图所示的优选的实施方式中，由于由止动件限制的可能的行程范围，至少一个板150能够旋转最多最大90度的角度。从关系上讲，多个盘140垂直地安装到立轴132上；其中多个盘140优选包括位于每个立轴132上的正好四个盘140；盘140垂直于立轴132定向。如图所示，至少一个板150沿着立轴132的长度138的一部分位于两个顶部盘140和两个底部盘140之间。至少一个板150的质量小于盘140的质量；至少一个板150的质量等于不存在的负槽口容积体(negative-slot-volume-mass)的“总质量”，以使质心适当地分布，从而使装置在平衡状态下运行。在本发明内使用轴承或其他使摩擦最小化的合适装置以提供平稳而高效的旋转。

根据一个实施方式，立式风机系统100可以设置为套件。特别地，立式风机系统100还可以包括一组指令。指令可以详细说明与立式风机系统100的结构有关的功能关系，从而使立式风机系统100可以以优选的方式来安装、使用、维护等。

立式风机系统100的使用方法可以包括如上所述的立式风机系统100的一个或多个部件或特征。如图所示，使用立式风机系统100的方法可包括以下步骤：步骤一，提供本文所公开的立式风机系统；步骤二，安装立式风机系统；步骤三，由收集到的通过竖直旋转产生的能量来发电；其中立式风机系统能够沿顺时针方向和逆时针方向旋转。

还应注意，使用方法中描述的步骤可以根据用户的偏好以许多不同的顺序执行。“……的步骤”的使用在本文的权利要求书中不应解释为“用于……的步骤”，并且无意援引(invoke)35U.S.C.§112(f)的规定。还应注意，在适当情况下，考虑到诸如设计偏好、用户偏好、市场偏好、成本、结构要求、可用材料、技术进步等问题，本文教导了立式风机系统100的其他安装、使用和维修方法。

本文描述的本发明的实施方式是示例性的，并且可以容易地想到用于实现基本等同的结果的许多修改、变化和重新布置，所有这些都旨在被包括在本发明的精神和范围内。此外，前述摘要的目的是使美国专利商标局和广大公众、尤其是不熟悉专利或法律术语或用语的本领域的科学家、工程师和从业人员能够根据粗略检查来快速地确定本申请的技术公开的本质和实质。

要求保护的内容是新的并且专利权书要保护的内容在所附权利要求书中提出。