多电源风力涡轮机的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年9月28日提交的美国临时申请第62/564722号的权益。

背景技术：

风力涡轮机是由风能产生电力的结构。风力涡轮机包括叶片，该叶片在风吹动时捕捉风以使转子旋转并产生能量，该能量通过发电机从旋转能转换为电能。叶片捕捉风并驱动转子，从而将风中的能量转换为旋转能。发电机连接到涡轮机转子，以将旋转能转换为电能。在围绕风力涡轮机周围的区域内吹动的风量决定了风力涡轮机产生的能量。

附图说明

从以下给出的详细描述以及本实施例的各个实施例的附图将更充分地理解本描述，其不是为了将本实施例限制为特定实施例，而是为了解释和理解。

图1a示出了根据实施例的具有包括太阳能电池的叶片的风力涡轮机的侧视展示图。

图1b示出了根据实施例的具有外部转子系统的风力涡轮机的侧视展示图。

图2a示出了根据实施例的图1中的风力涡轮机的叶片的顶部透视图。

图2b示出了根据实施例的图2a中的叶片的侧视展示图。

图2c示出了根据实施例的叶片的顶部透视图。

图3a示出了根据实施例的被构造为附接到图1中的第一轴的转子系统。

图3b示出了根据实施例的被构造为附接到图1中的第一轴的转子系统。

具体实施方式

通过结合附图阅读以下详细描述，将更好地理解所公开的多电源风力涡轮机。详细描述和附图仅提供本文描述的各种发明的示例。本领域技术人员将理解，在不脱离本文描述的发明的范围的情况下，可以变化、修改和改变所公开的示例。对于不同的应用和设计考虑，可以预期许多变化；然而，为了简洁起见，在下面的详细描述中没有单独描述每个所预期的变化。

在下面的详细描述中，提供了多种多电源风力涡轮机示例。示例中的相关特征在不同示例中可以相同、相似或不相似。为了简洁起见，在每个示例中将不再赘述相关特征。而是，相关特征名称的使用将提示读者：具有相关特征名称的特征可能与先前说明的示例中的相关特征相似。给定示例所特有的特征将在该特定示例中进行描述。读者应该理解，给定特征不必与任何给定的附图或示例中的相关特征的特定描述相同或相似。

风力涡轮机是将来自风的动能转换成电的设备。传统的风力涡轮机包括附接到转子的一个或多个叶片。叶片被构造为在风吹动时捕捉风并转动转子。通常，风力涡轮机的叶片在13转每分钟(rpm)与20转每分钟之间转动，其中转子的rmp随风速而变化。当风以更大的速度吹动时，叶片会捕捉更多的风，并以增加的rpm旋转。当叶片以增加的rpm旋转时，转子以很高的速度转动，将增加的动能量转换为旋转能。通常，转子连接到发电机，该发电机将旋转能转换为电能，该电能可以供应到电网中或存储在蓄电装置中。随着对电力需求的增加以支持个人和企业不断增长的电力消耗，风力涡轮机可能成为理想的电力源。然而，传统的风力涡轮机取决于在风力涡轮机周围的区域中吹动的风量。当在该周围区域内几乎没有风时，风力涡轮机不发电，并且在此期间可能会变得相对无用。尽管传统的风力涡轮机可以包括增加在低风条件下产生的rpm的机构和/或包括适于低速的发电机，但是传统的风力涡轮机仍然需要阈值量的风以产生电能。例如，传统的风力涡轮机的由于低风条件和无风条件的停机时间约为风力涡轮机潜在运行时间的30％。

本公开的实施方式通过提供一种方法、系统、装置和/或设备来解决上述缺陷和其他缺陷，以在风速不足时产生电能和/或还产生除了由风的动能产生的能量外的能量。该方法、系统、装置或设备可以利用安装在风力涡轮机上的太阳能电池来产生太阳能。在一个示例中，太阳能电池可以被安装到叶片、风力涡轮机的外部主体和/或风力涡轮机的暴露于太阳的其他表面。将太阳能电池集成到风力涡轮机中的一个优点可以是，在风力涡轮机停机期间产生太阳能。将太阳能电池集成到风力涡轮机中的另一个优点是，当风力涡轮机处于工作状态时产生额外的电力。

图1示出了根据实施例的具有包括太阳能电池104的叶片102的风力涡轮机100的侧视图。风力涡轮机100可以被构造为将来自太阳来自风能的动能转换为电能。风力涡轮机100可包括一个或多个叶片102和第一轴112。叶片102可以连接到第一轴112。当风吹过叶片102时，叶片102可以升起并旋转，从而引起第一轴112转动。在一个实施例中，风力涡轮机100可以包括单个叶片102。在另一实施例中，风力涡轮机100可以包括多个叶片102，例如两个叶片102或三个叶片102。风力涡轮机100还可以包括旋转器106，该旋转器可以附接到风力涡轮机的前部或鼻部，以保护风力涡轮机的内部部件，并且还向叶片102施加额外的风。旋转器106可以是风力涡轮机100的壳体的一部分，该壳体包括腔，该腔存储毂108的一部分、第一轴112的至少一部分以及转子系统113。

在另一实施例中，叶片102可以包括集成到叶片102的表面中的太阳能电池104。在一个实施例中，太阳能电池104可以被附接到叶片102的外表面。在一个示例中，太阳能电池104可以是可以粘附至叶片102的外表面的膜。在另一示例中，太阳能电池104可以是可以固定到叶片102的外表面的基板，例如瓷砖或晶片。膜和/或基板可以通过粘合剂、螺栓、钩、紧固件等附接到叶片102。

在另一实施例中，太阳能电池104可以被集成到叶片102的表面中。在一个示例中，叶片102的外表面可以是用于吸收太阳能的材料。在另一示例中，可将用于太阳能电池104的一种或多种材料直接施加到叶片102的外表面。在一个实施例中，一旦将太阳能电池材料施加到叶片102的表面上，便可以在太阳能电池材料上施加保护材料以保护太阳能电池材料免受损害，例如风的损害、灰尘的损害、水的损害、冲击损害等。

太阳能电池材料可以包括硅材料、有机玻璃材料、碲化镉材料、聚光光伏(pc)材料、硒化铜铟镓材料、晶体硅材料、砷化镓锗材料、发光材料、单晶材料、有机材料、纳米晶体材料、钙钛矿材料、光电化学材料、等离激元材料、多晶材料、量子点材料、固态材料、膜材料、水基晶体材料等。保护材料可以包括玻璃材料、有机玻璃材料、塑料材料、树脂材料、玻璃纤维材料、蓝宝石材料、陶瓷材料，或者允许太阳能穿过保护材料到达太阳能电池材料的其他类型的透明材料或半透明材料。

叶片102可以收集多种类型的能量以转换成电能。例如，当风使叶片102旋转时，叶片102可以收集来自风的动能，该动能被转换成电能，如下所述。在另一个示例中，叶片102的太阳能电池104可以收集来自太阳的太阳能，该太阳能也被转换成电能，如下所述。

叶片102可以通过毂108连接到第一轴112。毂108将叶片102连接到第一轴112和风力涡轮机100的传动系。毂108可以在轴上旋转或与其一起旋转，叶片102从该轴辐射。当叶片102捕捉风时，叶片102可以旋转，这又使得毂108和第一轴112旋转。

一个或多个转子系统113可以附接到毂108。在一个实施例中，转子系统113可以包括连接到风力涡轮机100的主体或壳体的环，并且可以在第一轴112旋转时保持固定和静止。当太阳能电池104经由压靠在转子系统113上的电线110将电流传递到滑环时，转子系统113可以保持静止。在一个示例中，电线110可以包括电刷或触头，诸如静止的石墨或金属触头，其与转子系统113的环的外径接触或摩擦。在一个示例中，为了连接叶片102的太阳能电池104，一条或多条电线110可以从太阳能电池104或太阳能电池的互连阵列延伸到转子系统113。在一个实施例中，太阳能电池104可以通过单线110或多线110连接到转子系统113。在一个示例中，电线110的第一端可以连接至太阳能电池104。电线110可以经由毂108中的一个或多个孔从太阳能电池104延伸到旋转器106中。在一个实施例中，可以使(一个或多个)孔平滑以保持风力涡轮机100的空气动力学构造。

电线110可以包括与转子系统113形成正电源连接(+ve)的电刷和与转子系统113形成负电源连接(–ve)的电刷。电线110的电刷可以径向地位于转子系统113的不同位置处并且沿着转子系统113的相同平面。在一个实施例中，电刷可以保持与转子系统113的环恒定或连续的接触，以在电线和电刷旋转时传递电力。

转子系统113可以允许叶片102和毂108围绕第一轴112旋转，同时保持与太阳能电池104的电连接。第一轴112可以连接到轴承114，该轴承114将第一轴112相对于风力涡轮机100的主体保持在适当的位置，同时允许第一轴112围绕轴线旋转。齿轮箱116也可以附接到第一轴112。齿轮箱116可以将第一轴112连接到第二轴120。第一轴112可以是低速轴，而第二轴120可以是高速轴。在一个实施例中，第一轴112和第二轴120可以是在齿轮箱116处连接的单独的轴。在另一实施例中，轴可以是单轴，其中第一轴112可以是第一子轴(即，轴的第一部分)，而第二轴120可以是第二子轴(即，轴的第二部分)。齿轮箱116可将第一轴112的旋转速度从低速(例如30-60转每分钟)转换为第二轴120的高速(例如1000-1800转每分钟)。在一个实施例中，旋转速度可以从低速转换为高速，以产生用于发电机118发电的阈值旋转速度。在另一实施例中，风力涡轮机100可以包括能够以低速运行的直接驱动发电机118，使得第一轴112和第二轴120是直接连接到发电机118而无需齿轮箱116的单轴。在另一实施例中，第一轴112可以延伸或延长以容纳电刷和环。

风力涡轮机100可以包括机舱122，其可存储第一轴112的一部分、第二轴120、轴承114、齿轮箱116和发电机118。风力涡轮机100还可以包括塔架124以支撑风力涡轮机100的上部，该上部包括旋转器106、机舱122和风力涡轮机100的其他结构。在一个示例中，塔架124可以是管状钢、混凝土、钢格板等。

风力涡轮机100可以包括电线126和电线128，以将电力从风力涡轮机100传导到另一电源。在一个示例中，电线126可以是可以连接到发电机118的交流(ac)电力线。电线126可以将ac电力从发电机118传导到电源。在另一示例中，电线128可以是可以连接至转子系统113的直流(dc)电力线。电线128可以将dc电力从转子系统113传导至电源。电源可以是电池、电网等。

图1b示出了根据实施例的具有外部转子系统的风力涡轮机的侧视展示图。除非另外明确说明，否则图1b中的一些特征与图1a中的由相同的附图标记表示的一些特征相同或相似。在如上所述的一个实施例中，转子系统113可以位于旋转器106的腔中。在另一实施例中，转子系统113可以附接到旋转器106的外表面和/或叶片102。例如，当转子系统113包括无线电力系统或滑环系统时，如下所述，第一转子系统113的第一部分可以连接至一个或多个叶片102，且转子系统113的第二部分可以连接至旋转器106的外表面。

图2a示出了根据实施例的图1中的风力涡轮机100的叶片200的顶部透视图。如上所述，叶片200可以连接至图1中的风力涡轮机100的毂108。叶片200可以是翼型件。该翼型件可以是具有弯曲表面的结构，该弯曲表面成形为捕捉风。在一个实施例中，叶片200可包括顶表面202、太阳能电池204、底表面206、前缘208、后缘210和开口212。在一个示例中，前缘208可以是圆形的，并且后缘可以逐渐变窄成为尖锐的边缘。在另一个示例中，顶表面202和底表面206可以是弯曲的。在一个实施例中，顶表面202和底表面206的曲率可以是对称的或基本对称的。

在一个实施例中，太阳能电池204可以通过紧固件附接到顶表面202和/或底表面206。紧固件可以是螺栓、粘合剂、钩、铆钉等。在另一实施例中，太阳能电池204可以被集成到顶表面202和/或底表面206中。例如，太阳能电池204可以是固定地结合到叶片200的暴露表面(包括顶表面202和/或底表面206)的太阳能电池膜。太阳能电池204被附接和/或集成到叶片200中的位置并非旨在限制。例如，太阳能电池204可以被附接或集成到叶片200的不是叶片200的移动部件的任何表面中。

在一个实施例中，太阳能电池204可以是包括太阳能电池的薄膜模块。可以通过以下方式将薄膜模块安装到叶片200：在诸如玻璃、塑料或金属的基板上沉积光伏材料的一层或多层薄层或薄膜(tf)；在玻璃基板或覆板上形成晶体-非晶硅(c-si)电池和原晶硅(pc-si)，并通过单片集成形成电连接；以及形成在柔性基板上沉积光敏层和/或其他层的柔性薄膜电池和模块。在一个示例中，太阳能电池204的玻璃基板或覆板可以具有阈值光学透明度，以允许太阳能电池204接收太阳光。在另一示例中，通过将太阳能电池204层压到基板(通常为etfe或fep)的第一侧面上的透明无色含氟聚合物上并将适合于结合至叶片200的聚合物层压到基板的第二侧面上，来将太阳能电池204组装成模块。

在一个实施例中，叶片200可以包括开口212，以将叶片200连接至图1中的毂108。例如，轮毂108可以包括从毂108延伸并且成形为装配在开口212内以将叶片200连接到毂108的臂。

图2b示出了根据实施例的图2a中的叶片200的侧视展示图。除非另外明确说明，否则图2b中的一些特征与图2a中的由相同的附图标记表示的一些特征相同或相似。叶片200可包括位于叶片200的内部空腔处的支撑结构214。例如，叶片200可以是中空的，以减轻叶片200的重量。支撑结构214可以支撑叶片200的外部主体。

支撑结构214可以包括第一臂216，其在第一位置处从叶片200的底部延伸到叶片200的顶部。支撑结构214可以包括第二臂218，其在第二位置处从叶片200的底部延伸到叶片200的顶部。支撑结构214可以包括在第一臂216和第二臂218之间延伸的横杆220。

图2c示出了根据实施例的叶片250的顶部透视图。叶片250可以是具有弯曲主体的翼型件。叶片250可包括前缘襟翼252、涡流发生器254、扰流板256、后缘襟翼258、叶片250的外表面以及太阳能电池262。在一个实施例中，前缘襟翼252可以是附接到叶片250前部的第一襟翼。后缘襟翼258可以是附接到叶片250的后部的第二襟翼。前缘襟翼252和后缘边缘襟翼258可被构造为减少或消除风的流动分离并提高叶片性能。涡流发生器254可以是一个或多个小的翅片(相对于叶片250的尺寸)，其被构造为还减小风的流动分离并提高叶片250的升力。扰流板256可以是附接到叶片250的前部和/或后部的襟翼。在一个实施例中，扰流板256可以相对于叶片250的顶部或底部表面向上或向下延伸，以产生阻力并降低叶片250的速度。在另一实施例中，扰流板256可以在处于升高的位置时将气流从叶片250的表面分离，以最小化叶片250的阻力，这增加了叶片250的动力。

在一个实施例中，太阳能电池262可以通过紧固件附接到叶片250的外表面260。紧固件可以是螺栓、粘合剂、钩、铆钉等。在另一实施例中，太阳能电池262可以集成到叶片250的外表面260中。例如，太阳能电池262可以是固定地结合到叶片200的外表面260的太阳能电池膜。太阳能电池262附接和/或集成到叶片250中的位置不旨在限制。例如，太阳能电池262可以被附接或集成到叶片250的不是叶片250的移动部件的任何表面中。

图2a-2c中的叶片200和叶片250的设计、形状和/或构造并非旨在进行限制。例如，图1a中的风力涡轮机100的叶片的设计、形状和/或构造可基于风力涡轮机100的空气动力学和机械成形而变化。叶片200和叶片250是可以附接到风力涡轮机100的示例性叶片。

图3a示出了根据实施例的被构造为附接到图1中的第一轴112的转子系统300。在一个实施例中，转子系统300可以是如图1所示的转子系统113。转子系统300可以包括第一轴112、第一感应线圈302和第二感应线圈304。转子系统300可以是感应系统，以在第一感应线圈302和第二感应线圈304之间没有任何物理接触的情况下，在第一感应线圈302和第二感应线圈304之间传递电力。感应充电(也称为无线充电或无绳充电)使用电磁场306在第一感应线圈302和第二感应线圈304之间传递能量。

在一个实施例中，第二感应线圈304可以通过电线110电连接到太阳能电池104。当太阳能电池104接收来自太阳的能量时，太阳能电池104可以经由电线110将能量传递到第二感应线圈304。当第二感应线圈304接收到能量时，第二感应线圈304可以感应电磁场306。电磁场306可以在第一感应线圈302处感应出电流。然后，如上所述，该电流然后可以经由电线128被传递到电源。如上所述，叶片102可引起图1中的旋转器106、毂108和/或第一轴112旋转。第一感应线圈302与第二感应线圈304之间的电力的无接触传递可以允许从图1中的太阳能电池104中传递电力，而不会在叶片102、旋转器106、毂108和/或第一轴112旋转而风力涡轮机100的其余部分保持固定和静止时使电线110和/或128变得缠结、缠绕或断裂。

图3b示出了根据实施例的被构造为附接到图1中的第一轴112的转子系统350。在一个实施例中，转子系统350可以是如图1所示的转子系统113。转子系统350可以包括第一轴112、环352、第一电刷358和第二电刷362。环352可以连接到第一轴112。环352可以包括第一接触环354和第二接触环356。第一接触环354可以与第一电刷358的位置相对应，使得第一电刷358可以接触第一接触环354的一部分。第二接触环356可以与第二电刷362的位置相对应，使得第二电刷362可以接触第二电接触环356的一部分。在一个实施例中，第一电刷358、第二电刷362、第一接触环354和/或第二接触环356可以包括一种或多种导电的材料。这些材料可以包括金属(例如铜)、电解质、超导体、半导体、等离子体、非金属导体(例如石墨)、导电聚合物等。

第一电刷358和第二电刷362可以通过图1中的电线110连接到风力涡轮机100的太阳能电池104。在一个示例中，电线110可以包括传导正电流并连接到第一电刷358的第一电线。在另一示例中，电线110可以包括传导负电流并连接到第二电刷362的第二导线。当叶片102、旋转器106、毂108和/或第一轴112旋转时，第一电刷358可以围绕第一接触环354旋转，第二电刷362可以围绕第二接触环356旋转，而环352保持固定和静止。电流可以通过第一接触环354和第二接触环356从第一电刷358和第二电刷362传递到电线128。如上所述，电流可以沿着电线128传递到电源。

如上所述，叶片102可以使图1中的旋转器106、毂108和/或第一轴112旋转。用于在第一电刷358和第一接触环354以及第二电刷362和第二接触环356之间传递电力的转子系统350可以允许从图1中的太阳能电池104中传递电力，而不会在叶片102、旋转器106、毂108和/或第一轴112旋转而风力涡轮机100的其余部分保持固定和静止时电线110和/或电线128变得缠结、缠绕或断裂。在一个实施例中，环352与第一轴112绝缘。

图3a和3b中的转子系统300和350中的感应线圈、电刷和/或接触环的数量并非旨在进行限制。在一个示例中，图1中的风力涡轮机100可以包括转子系统300和转子系统350。在另一示例中，转子系统300可以包括的感应线圈的数量和/或转子系统350可以包括的电刷和接触环的数量可以基于图1的太阳能电池104可以产生的能量而变化。在该示例中，当太阳能电池104产生的能量的增加时，转子系统300可以包括的感应线圈的数量和/或转子系统350可以包括的电刷和接触环的数量可以增加。

以上公开内容涵盖具有独立效用的多个不同的实施例。尽管已经以特定形式公开了这些实施例，但是由于可以进行多种变化，因此以上公开和示出的特定实施例不应被认为是限制性的。这些实施例的主题包括以上公开的并且与这些实施例相关的本领域技术人员固有的各种元件、特征、功能和/或特性的新颖且非显而易见的组合和子组合。在本公开或随后提交的权利要求叙述“一个”元件、“第一”元件或任何这样的等同术语的情况下，本公开或权利要求将被理解为并入一个或多个这样的元件，而不要求也不排除两个或更多个这样的元件。

申请人保留提交涉及被认为是新颖的和非显而易见的所公开的实施例的组合和子组合的权利要求的权利。可以通过修改权利要求或在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护在特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合中体现出的实施例。无论这些修改的或新的权利要求是针对相同的实施例还是不同的实施例，并且无论它们在范围上与原始权利要求是不同、更宽、更窄还是相同，其都被认为是在本文所述的实施例的主题之内。