风力发电机

技术领域

本发明涉及一种用于发电的集成风力光伏系统。更具体地，本发明涉及一种用于发电的系统，该系统集成了利用风能的风力机和利用太阳辐射能的光伏板。

背景技术

具有半垂直轴，即，配备有具有基本垂直的旋转轴的转子以及与所述转子的底座相关联并被定向成“V”形构造的多个风力叶片，以形成从所述转子的底座开始朝着顶部延伸的发散角的风力发电机在发电领域是已知的。在该技术领域的最新进展是已能够制造越来越多的用于将风能转换为电能的高效机器。还是关于发电领域，光伏板发电机也是已知的。在该技术领域，最新的技术进展是制造出厚度减小且电能转换效率要比传统的第一代非晶硅板高250％的光伏板。

迄今为止，已知的发电机，无论是风力发电机还是光伏发电机，仍然需要大量投资来进行安装。而且，为了证明制造风力发电机或光伏板所需的经济投资的合理性，仍然有必要提供大型风力发电机，或者提供大面积的可以由光伏板覆盖的区域。

在发电领域中，例如，集成的风力-光伏系统是已知的，其包括配备有垂直轴转子和与该转子相关联的叶片的风力发电机并配备有光伏板。例如在文献US2008/047270A1和JPWO2014181585A1中公开了此类系统。

然而，已知的集成式风力光伏系统具有许多缺点，包括安装此类系统的复杂性以及较高的生产成本。

如今，在所谓的可再生能源的发电领域中，强烈需要创建即使在经济投资减少的情况下也能被有利地采用的、越来越高效且紧凑的系统。

因此，本发明的主要目的在于提供一种紧凑且能够产生大量电能的发电系统。

本发明的另一个目的是提供一种可在许多使用领域中找到应用的发电系统。

最新一代光伏板以柔性光伏板为代表，即，即使不是完全平坦也能够适应表面。此外，现在可提供厚度减小的柔性光伏板，其厚度通常为毫米量级，例如，厚度约为1.5-2.0mm。众所周知，这些最新一代的柔性薄光伏板具有很高的电转换效率，但其缺陷在于当暴露于太阳辐射时会受到相当大的加热。特别是当为了提高比功率而通过利用透镜系统将太阳辐射集中在面板上时，会发生发热现象。

然而，由于使用最新技术制造的光伏板的效率至少是传统板的两倍，因此，显然使用此类板以及解决上述发热问题的技术方案是非常可取和有益的。

因此，本发明还旨在通过开发适当的技术方案来克服用于制造光伏板新技术的这些不良影响。

发明内容

本发明的用于发电的集成风力-光伏系统包括风力发电机，该风力发电机配备有具有半垂直轴的转子，且该转子上设有风力叶片，其中，此类风力叶片的空气动力学轮廓的背面，至少在背面表面的一部分，设置有由柔性光伏板组成的覆盖物。优选的是，风力叶片相对于转子的垂直轴倾斜。此外，所述叶片包括主体，其中限定了靠近并限制转子轮毂的第一下端，以及远离所述转子轮毂的第二上端或顶部。

因此，有利的是，本发明的系统将半垂直风力发电机和太阳辐射集热器的双重功能集成在单个紧凑型机器中。

根据本发明的优选实施方式，由柔性光伏板组成的覆盖物覆盖了风力叶片背面的大的纵向区域。更优选地，由柔性光伏板组成的覆盖物覆盖了风力叶片的背面上限定的可用表面积的大部分或甚至更优选的是整个可用表面区域。另外，光伏板优选沿着叶片本身的空气动力学轮廓连接。

在本发明的集成系统中，风力叶片以半垂直的、“V”形构造布置，以便形成大致的截头圆锥形，其小的底部相对于转子的基本垂直的旋转轴设置在下方。

有利地，根据本发明，通过使用具有聚光的特殊的光学结构或光学系统来聚集太阳辐射，该光学结构或光学系统由连接在风力发电机的叶片的最顶端区域的多个优选是共面的聚焦透镜组成。

有利地，用于将太阳光聚集并聚焦在光伏板上的光学系统由沿着转子的垂直旋转轴垂直连续地布置的几个聚光菲涅耳透镜平面组成。优选地，所述光学系统的聚光菲涅耳透镜相互间隔开并彼此连接，并与附接到风力叶片的上端的拉杆网相关联。

具有在垂直方向上连续的聚光菲涅耳透镜的结构配置，利用透镜的多次折射，能够确保光伏板在一天中以及由于风推力的影响而产生的发电机旋转过程中，在整个太阳光源位置的大角度范围内的聚焦和辐照。

在本发明的一优选实施方式中，在垂直于旋转轴线的至少一个平面中设置具有太阳辐射聚光的光学系统。甚至更优选地，本发明提供了该光学系统被布置在彼此隔开的两个独立的平行平面中，以使得这些平面之间的距离与转子的最大直径，即在通过叶片的上端或顶部的圆周处测得的直径之间的比率在1/10至1/2之间，优选为1/5。

根据本发明的更优选实施方式，光学系统包括同心多边形矩阵，该同心多边形矩阵优选地由张紧在与风力发电机的转子的基本垂直的旋转轴同轴设置的中心环以及设置在风力叶片的上端或顶部的相应的连接支架之间的高强度带组成。该矩阵限定了用于附接多个聚光菲涅耳透镜的基本平坦的上部结构，这些聚光菲涅耳透镜限定了所述光学系统的相应的第一或上平面。根据本发明，优选地，所述聚光菲涅耳透镜具有光照强度的平均值系数。光照强度的该系数优选为40-60X。

还是根据本发明，聚光菲涅耳透镜包括具有接收入射辐射的大角度β的棱镜模块，β优选高达25°。

聚光菲涅尔透镜优选具有由聚甲基丙烯酸甲酯聚合物制成的上层，其定义了透镜的上表面，该上表面是暴露于太阳辐射的面；以及由聚碳酸酯制成并具有多棱镜构造的下层，其定义了相对的下表面。这些透镜还具有高的辐射透射系数，优选大于90％。

根据本发明的优选实施例，由柔性光伏板组成的覆盖物覆盖了风力叶片的背面的大片的纵向区域。另外，光伏板沿着叶片本身的空气动力学轮廓连接。

特别适合于本发明目的的一种光伏板类型包括柔性多结光伏板，其具有用于高温的氮化镓(GaN)–氮化铟镓(InGaN)。对于400-1000nm波长之间的光谱，这些板通常具有高于45％的较高的电转换效率。

根据本发明的优选实施方式，具有柔性光伏板的风力叶片由铝合金制成，以便于即使是在长期使用的情况下，促进由这些板相应地产生的热量的散发并提高电转换的量。最新一代的光伏板的柔性有利地实现了与风力叶片的优选弯曲背面的完美结合和集成，而不会影响风力叶片自身轮廓的空气动力学性能。

为了克服由于光伏板的发热而导致的能量转换效率下降的缺陷，根据本发明，该板已经被集成到风轮机叶片的背面。有利的是，所述叶片也由具有空心部分的铝合金制成，因此，叶片本身也执行散热功能。风力叶片还优选包括两端开口的细长中空体，且在该细长中空体的上端或顶部设置有喷嘴，以排出通过所述叶片的气流。

铝制叶片的中空轮廓有利地允许气流从叶片的装配中心内部区域流向风力发电机转子的轮毂，并朝着外围周边区域通过，从而确保了集成在叶片背面的板的热量的充分散发，进而可将工作温度保持在保证最大能量转换效率的温度附近。

根据本发明，离开风力叶片的上周缘的热空气流是通过位于叶片的上远端的喷嘴适当地导向的，以便于有效地利用由该气流速度的增加而产生的推力，与入口气流相比，该热空气流是由于气流从转子的中心穿过叶片到达边缘时带走了光伏板上的热量而导致的空气加热所造成的。该喷嘴特别具有大致“L”形的形状，该形状可以使经过其中的气流执行基本上为90°的路径。

本发明的发电系统提供了由光伏板产生的电能优选借助于布置在风力发电机的转子与轮毂的支撑件之间的电刷集电器系统被传送到逆变器。所述逆变器也可以电连接到系统控制板。

在一优选实施方式中，电刷-集电器系统包括与风力转子相关联的旋转集流环，光伏板的电缆和与固定结构或底座集成一体的固定电刷可旋转地支撑所述风力转子，例如通过特殊的套管或轴承进行连接。

还是根据本发明，由风力发电机产生的电能优选地被输送到逆变器中，在该逆变器中，由光伏板产生的电能也被输送到其中。

附图说明

参考附图，以非限制性实施例的方式提供本发明的一些优选实施方式，其中：

图1根据本发明的优选实施方式，示出了系统的局部侧视图；

图2A示出了支撑光学系统的透镜的多边形矩阵的俯视图；

图2B示出了图2A中的透镜的俯视图；

图2C示出了沿图2B中的透镜的横截面截取的截面图；

图3A示出了图1的风力发电机的转子的叶片的主视图；

图3B示出了从上方观察的图3A的风力叶片的喷嘴的示意图；

图3C示出了图3B中的喷嘴的侧视图；

图3D示出了图3A中的风力叶片的截面图；

图3E示出了设置在图3A中风力叶片的顶部的连接支架的局部截面图；

图4示出了本发明的系统的整体侧视图。

具体实施方式

参考图1，其示出了本发明的用于发电的集成风力-光伏系统的装置。所述用于发电的风力-光伏系统包括风力发电机100，该风力发电机包括具有半垂直轴Y-Y的转子110，并且转子110上还设置有风力叶片2。所述风力叶片2包括主体，其具有靠近转子110的转子轮毂1并受其约束的第一下端，以及远离转子110的轮毂1的第二上端或顶部。这些风力叶片2的数量优选2和7，并优选相对于风力发电机100的转子110的垂直轴Y-Y以30°-60°的角度α倾斜。在所示的实施例中，风力叶片2以大致“V”形的构造布置，从而形成大致圆锥形的结构，其小底座相对于转子110的垂直旋转轴Y-Y布置在下方。叶片2的下部被约束在转子110的轮毂1上，而其上部则包括连接支架3。

有利地，本发明的风力光伏系统将半垂直风力发电机和太阳能辐射集热器的双重功能集成在单个机器中。为此，本发明的系统包括覆盖层，该覆盖层由光伏板8组成并且覆盖叶片2的空气动力学轮廓的背面2'的至少一部分表面。所述光伏板8也沿着叶片本身的空气动力学轮廓连接。所述光伏板8包括柔性光伏板。这些光伏板8的柔性有利地使得其与叶片2的通常为曲线的背面2'完美地结合。

特别适合于本发明目的的一种光伏板类型包括柔性多结光伏面板，其具有用于高温的氮化镓(GaN)-氮化铟镓(InGaN)。这些板对于400-1000nm波长之间的光谱通常具有高于45％的较高的电转换效率。

有利地，根据本发明，通过使用具有聚光的特殊光学系统或光学结构来聚集太阳辐射hv。该光学系统包括连接在风力发电器100的叶片2的最顶部区域的多个共面透镜5。

有利地，用于将光hv聚集和聚焦在光伏板2上的光学系统包括沿着转子110的旋转轴Y-Y垂直排列的几个聚光菲涅耳透镜5的平面6、6'。另外，光学系统包括同心多边形矩阵112，其优选由张紧在与转子110的垂直旋转轴Y-Y同轴设置的中心环以及设置在叶片2的顶端的连接支架之间的高强度带4组成。所述带4优选由基于特殊的凯夫拉(Kevlar)29+尼龙纤维的材料制成。由带4构成的多边形矩阵112限定了基本平坦的柔性网状结构12，所述聚光菲涅尔透镜5通过适当的支撑附接于其上。在所示的实施方式中，由带4构成的多边形矩阵限定了两个分离且彼此基本平行的平面6、6′，它们彼此适当地间隔开并且基本垂直于转子110的垂直旋转轴Y-Y。根据本发明，选择两个平面6、6'之间的距离，以使得这两个平面6、6'之间的距离与转子110的最大直径，即通过风力叶片2的上端或顶部的圆周处测得的直径之间的比值为1/10-1/2，优选为1/5。第一端平面6被定位成与所述风力叶片2的上部区域对应，而第二平面6'以距离“d”位于第一平面6的下方，根据转子110的直径适当地旋转该距离“d”，在所示实施例中，该距离优选为0.2-1.0米。在其他实施方式中，可供两个以上的聚光菲涅耳透镜平面，或仅提供一个。

现参考图2A，2B和2C，其示出了形成终端共面结构6的带4和透镜支撑件112的系统。在图2B和2C中，其示出了用来制造光学系统的菲涅耳透镜5，其具有大致矩形形状，并且优选具有小于长度“b”的宽度“a”。优选地，这些聚光菲涅耳透镜5具有聚集日照hv的平均值系数，更优选地在40至60X之间。还是根据本发明，聚光菲涅耳透镜5包括具有接收入射辐射hv的大角度β的棱镜模块，β优选高达25°。

具有高发电效率的柔性光伏板8在叶片的朝向共面结构6e6'定向的背部区域附接至每个叶片2。

参照图3A-3E，其详细地示出了叶片2，所示叶片2的背面2'附接有光伏板8。所述叶片2包括两端开口并限定了内部腔体2b的细长主体。有利的是，所述叶片2由高导热率的铝合金制成，从而使得叶片2具有散发在太阳辐射hv期间由相应的光伏板6产生的热量的散热功能。在所示的实施例中，所述光伏板8沿所述风力叶片2的整个长度lb延伸覆盖一长度lp。但是，在其他实施方式中，光伏板可以覆盖风力叶片的大部分后表面，或者甚至是覆盖风力叶片的整个表面。

所述叶片2的内腔2b允许空气在叶片内部通过，从而使得通过叶片2的主体的空气可以冷却集成在叶片2的背面2'上的光伏板8。

通过每个叶片2的中空部分9内部的热空气流在室温下被吸住通过靠近风力发电机的轮毂1附近的、叶片2的下端开口2a，并在通过叶片2的内部腔体2b后从叶片2的顶部排出，在所述叶片2的该顶部对应设置有位于与叶片的轴yb基本正交的位置处的合适喷嘴13。

参照图4，其示出了将由本发明的集成风力-光伏系统产生的电能输送到配电板19的电路图。

光伏板8产生的电能通过电缆从板8传出并朝向每个叶片2的下端传输，并连接到包括双极旋转集电器16的设备，该双极旋转集电器16设置有与轮毂1集成的环，以及固定到支撑结构20上的电刷17。

中央旋转轮毂1连接到发电机10的转子，该发电机10连接到逆变器18，来自光伏板8的电能也通过电刷17传送到逆变器18。

如所描述和所示出了的本发明易于进行多种变化和修改，所有这些变化和修改都落入与本发明相同的发明原理内。