CN101010505A - 垂直轴风轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种垂直轴风轮机，包括固定有大致垂直的叶片的中心回转杆塔，所述叶片可以相对中心杆塔旋转并且径向移动，基于叶片所处环境条件独立地控制每个叶片的移动，从而优化风轮机的整体性能。

Description

垂直轴风轮机

技术领域

本发明涉及一种垂直轴风轮机，其设计经过优化从而可在任何天气条件下工作，同时还具有更优的性能，可极大地减小能耗。设计者的构思也使其具有相当可靠的结构，从而为这种类型的系统提供了新颖的结构和维护手段。

背景技术

根据本发明，传统上风轮机包括固定着叶片的中心回转杆塔，并且其主要特征在于所述叶片可相对于中心杆塔快速转动并移动，每个叶片的移动是依据其通常耐受的环境条件单独受到指令控制的，以便优化风轮机的整体性能。这种特性作为本发明的这种系统的基础，必须使风轮机在大多数气象条件下都可用。

在某些文献(例如专利US6370915以及专利DE19544400)中，提出了通过计算机来管理叶片的角位置的风轮机。然而，在两种方案中，因为是由程序预先根据有限数量的风力模型来设计每个叶片的角位置的，因此不能总是完全独立地控制叶片。

发明内容

本发明的结构提供几个调节叶片的自由度；提供自由度便于优选地定位这些叶片，特别是便于相对于风，彼此独立地优选地定位这些叶片，以便确保总是获得很高的操作性能，以及可根据需要在风速特别大的时候(例如暴风雨天气下)折叠地定位叶片。在这种情况下，叶片定位成不再提供动态捕风能力，并且为了安全起见使风轮机停动。

更具体地，叶片的每个转动轴的至少一端可相对于中心杆塔径向滑动。在每个轴仅一端径向可动的情况下，优选可动的为下端。

然而，可使每个叶片转动轴的两个端部沿径向彼此独立地移动。选择一个端部径向可动或两个端部均径向可动是取决于应用、风轮机的安装区域等因素的。

实践中，径向可动是由于叶片转动轴的端部被连接到从中心回转杆塔径向伸出的支撑臂上，这些支撑臂设置有依据支撑臂轴展开的导槽。

与现有的风轮机不同，本发明的叶片因此在所有情况下具有两个固定点，这使得将叶片制成更大的表面从而可获得更大的能量，特别是在风的条件合适的时候。

在本发明的第一实施例中，叶片是刚性的。因此它们通常使用在面向风时能够保持表面形状的材料制成。

可选地，叶片的横截面为细长的S形。

这种弯曲的外表面还具有优化风对叶片的冲击同时更好地管理这些表面附近的空气流动和湍流的目的。这种外形便于更好地向每个叶片的外边缘引导上述空气流动，从而减少湍流并且更好地利用风力。此外，S形使得增加运动中叶片的空气动力学性能成为可能。

可选地，叶片可由几个可组装的部件组成。对于大尺寸的叶片来说，这样的方案便于运输以及更容易地就地组装。

另外可选地，叶片可以用柔性材料制成，例如帆上使用的材料。

这不仅仅有利于节省成本，由于这种叶片的制造成本大大小于刚性叶片，这些叶片可应用于某些领域而表现出双重功能：例如，在船或者帆船上使用，通过将叶片保持在固定的位置，它们可以具有与帆船上的帆相同的功能。

在此情况下，安装在船上的具有柔性叶十片的风轮机在不能通过帆来航行时，可作为发电机来驱动船的马达，或者在不需要使用马达时作为常规的帆使用。

在此配置中，叶片可在下支撑件内滚动或者沿着它滚动，并在与上支撑件协同工作的缆绳的帮助下展开。即，可通过滚动来收放每个叶片。

为了避免振动，特别是避免帆摆动时的振动，至少在上支撑件上设置减振装置。

无论是刚性叶片还是柔性叶片，变化时，叶片的纵向横截面可以是梯形。在这种帆中，可选地，帆的基部在它的上边缘更长。

即使叶片的表面很大，也必须可以正确快速地在任意时刻依据风来引导它们以优化系统的性能，或者当风暴条件显现时收拢它们。这些操作还必须通过持续测量气象参数并将上述测量结果立即反应到叶片的有效位置来尽可能快地完成。这就是叶片旋转轴的径向位置以及角度位置优选地通过至少一台计算机来管理的原因，所述计算机与测量风轮机环境气象参数的传感器相连并管理驱动叶片的马达装置。这种特征，虽然不是非常必要的，但依然在大量应用中存在。

实际计算每个叶片的转动的计算机能够加速或减速叶片，从而相对于风的条件来优化叶片的位置，以此提高风轮机的整体性能。

在此情况下，每个叶片总是在最优的位置来捕捉风。

具体地，计算机计算所使用的参数是：

通过气象风向标和风力计测得的风的速度和方向；

叶片的位置；

风轮机的速度和能耗；

叶片的损耗；

气温以及风轮机组件的温度。

这些不同的参数特别地取决于所安装的传感器的数量和种类、执行计算机程序的致动器、以及使单元运行的软件。在此方面，应当注意的是，这些计算机可以特别地由外部计算机提供参数，以改变某个数据，或者甚至整个地升级或更新管理软件。

在这些发动机中，所述的马达装置优选地是电动机。

总而言之，每个叶片的运动由计算机来控制，在设计的一个或多个软件程序的帮助之下，将该系统的物理要素，即特别是叶片的结构和尺寸以及风轮机的结构和尺寸与所测得的气象参数相关联。在此情况下，叶片的位置总是符合气象和气候条件，系统对所测得参数也几乎立即响应。

例如，当风速突然增加时，叶片被系统移动而更靠近回转杆塔，并取向为不使整个表面接收风力。相反地，在风减弱的情况下，叶片展开从而露出更大的表面，从而在最佳的条件下获取能量。

依据已定的气候条件，总是独立地相对中心杆塔控制每个叶片的角度和径向位置，使得在每一时刻获取最大系统性能成为可能，从而持续地产生最多的能量。

可选地，传感器被放置在叶片上方，该区域的测量结果(特别是速度和风力)最有效。

此外，这些传感器以及所有的测量装置不会因为叶片经过而被扰动。

另外，本发明的风轮机结构是将用于转换能量的装置(特别是发电机)放置在风轮机的基部，中心回转杆塔之下。

特别是对于现有的结构，这种配置有着特殊的优点，因为它可以实现优秀的风轮机稳定性并且极大地减少意外危险。这种风轮机的制造和维护因为这种设计也更为容易。

在此风轮机中，发电机和所有相关设备通常都放置在立杆的上部，靠近这些叶片。这特别适用于具有水平叶片的风轮机。若特别考虑到北欧国家的能源供应和安装的相应尺寸的风轮机，可以想象与这种配置直接相关的制造和维护的困难以及安装的所有风险。例如，运输和建造离地几十米高的高能发电机不是个小任务。

依据本发明，风轮机的回转杆塔围绕着固定杆塔，该固定杆塔优选地顶部设有一上部工作舱，并且设置有连接到上述工作舱的装置。

实际上，这些用于连接工作舱的装置可由楼梯和/或升降机组成。

例如，该工作舱可被用于发信号和用于实现各种测量装置。相对于现有技术，本发明的风轮机的上部包括更轻的结构，因为它不包括任意用于产生和/或传送能量的机械部件。上工作舱是非常有用的，因为它将测量仪器集合在一起，因此它能够从该结构的顶部等地方实现控制。

优选地，依据本发明，固定立杆由伸缩部件组成。这使得在一个操作内运装风轮机的整个内杆成为可能。在高能风轮机的情况下，考虑到需要移动的部件的尺寸，这种构造非常有用。根据目前利用卡车将水泥或者灰泥竖井运输到工地的方法，用于运输的拖车可将该立杆竖立在安装位置上。

另一方面，卡车也可以设置有移动液压系统，在工作过程中，该液压系统会被定位到固定立杆内，使得它能够竖立。完成后，液压系统会被重新装载到卡车上，并准备在另一工地使用。

中心立杆竖立并被完全固定后，将会作为一个吊架来安装外杆和各种部件。此安装的原则可以避免像在北欧国家使用的风轮机组件的现有情况一样使用多个吊架，这当然会减少开支。

或者，回转立杆由轻的或透孔部件构成，这可以减少它的重量，以便保持最大的扭曲阻力。

本发明的风轮机还可利用撑杆固定在地面上，这些撑杆优选地固定在上述工作舱上。由于本发明的具体结构特别是可收放的垂直支撑叶片构造才可实现这种加撑结构，反之，由于在常规风轮机中会造成与叶片发生位置干扰，因此不可能实现这种加撑结构。这种撑杆的存在使得可以将依据本发明的风轮机安装在由于恶劣的气候条件使竖立结构产生很多问题而以前不可能安装的地方。

如上所述，本发明的一个主要优点在于安装在用于产生能量的所有技术结构的风车的下部，特别地，它极大地提高了稳定性。这与撑杆相结合使得固定该结构非常有效。

风轮机的基部还可作为技术室，其中布置机器室和计算机控制室。

总而言之，本发明的风轮机被设计在任何位置工作，特别是在极端的气候条件下，在那些目前为止限制使用它们的地方，同时还提供了非常高的技术可靠性。为此，一方面，本发明的结构保持每个叶片相对于风持续最优地定位，这使得可以依据外界条件持续产生最大能量。本发明的这种配置因此获得长期的不可否认的经济优势，因为产生上述能量的成本低于现有的各种系统。

本发明的风轮机同样允许依据安装的区域和条件约束做出各种改变。尽管如此，它们的结构成本低于建设常规风轮机时的预期成本。在以前不能安装的区域来安装本发明的风轮机的情况包括：除了极端气候条件的问题，由于常规风轮机导致噪声污染与人类居住不相容而受限制的某些区域。

在这方面，本发明相比后来的技术有着极大的声音舒适性，因为叶片的特殊配置以及它们对风的持续适应能力。在这方面，本发明的系统还与船上的帆类似，因为两者均寻找相对风向持续适应的位置。

由于机械阻力的原因，常规风轮机不能被安装在非常冷的区域，因为叶片相对风轮机主轴旋转的速度为了抵消低性能通常会非常大，导致子段冷却，特别是有时候在叶片的端部形成冰块，这会非常危险。这对水平叶片系统来说尤其危险。

在本发明中，为了产生更大的能量，旋转速度相对而言非常低。这样减少了运动中各子段冷却，这也减少了冰块形成的风险。垂直结构同样减少了冰块形成的风险。

附图说明

将参考附图具体描述本发明，附图如下：

图1示出了本发明风轮机的概要顶视图；

图2为横截面图，示出了对每个叶片的给定角度位置以及对回转立杆的两个径向位置，本发明风轮机的操作；

图3为横截面图，示出了叶片的另一角度位置，特别地在该位置在风暴时叶片首先朝中心立杆重聚合。

图4示出了上述重聚合，它使得风轮机在极强风条件下有着最大的稳定性。

图5示出在强风但允许风轮机工作时叶片的可能位置；

图6示出本发明应用在船上；

图7示出了在例如蜂窝电话中继器等天线杆上的小型应用；和

图8示出了中心控制计算机的全部操作的框图。

具体实施方式

参考图1，本发明的风轮机主要包括回转杆塔1，它联接有支撑叶片4、4’的内支撑臂2、2’和上支撑臂3、3’。所述叶片4、4’分别与上支撑臂3、3’和下支撑臂2、2’机械连接，从而它们能够一边绕着中心轴旋转，并且同时径向靠近或远离中心杆塔1，参考以下附图将会更详细的示出。中心杆塔1被放置在技术服务站5，其中主要安装了如发电机等用于产生能量的装备以及相关装备。服务站5可也包括用于存储上述能量的装备，以及控制室，用于传送能量的装置，等等。

工作舱6被安置在杆的上部。上工作舱顶部具有和/或安装有气动信号装置，用于测量周围气候和气象参数的传感器和装置，这些参数随后通过计算机装置传输，以确定各立杆4、4’的确切位置。这些装置(例如风计量器)用于测量风的速度、方向和强度。如果需要，撑杆(未显示)可附加到上述工作舱6上，这些撑杆可以加强风轮机与地面的固定。

中心杆塔1由于支撑支撑臂2、2’和3、3’而旋转，并且围绕着具有连接到工作舱6的装置的固定立杆。当然，它驱动安置在技术服务站5的发电机，技术服务站中具有所有用于控制风轮机的系统。实践中，本发明的风轮机的大部分日常操作都发生在服务站5中，而常规风轮机中，机器室位于上部，靠近发电机、机器和控制体，产生了前述多个技术困难。

图2中的横截面示出了连接到中心杆塔1的下支撑臂2、2’，2”，以及叶片4、4’、4”相对于上述支撑臂2、2’，2”的两个径向位置。风向由箭头F表示，同时风轮机旋转的方向由箭头F’表示。在此图中，叶片4、4’、4”位于它们的通常工作位置，表示它们被定位成持续地最大利用风能以实现最佳性能。因而，叶片4与风向垂直，同时叶片4’、4”被定位成使得风力作用具有切向分量，这有利于风轮机的回转杆塔1转动。

所示的角度位置处是相对风向实现最大效率的位置，如叶片4、4’、4”表示出的，叶片4可以例如通过在导槽7、7’、7”中滑动而径向移动，由此具有所示的两个不同位置。叶片4、4’、4”的位置由计算机管理，并且它们总是定位成获得最大性能。

在图3中，叶片4、4’、4”所处的角度位置不再实现获取最大性能，而是在风力达到系统操作的技术限制时准备用于收放。风轮机不再旋转，仅存在惯性作用，并且不再通过叶片4、4’、4”驱动。在极端情况下，当风暴气象条件上升到摧毁整个系统时，叶片4、4’、4”如图4所示折叠，并且形成“金字杆塔”状，这保证了最大的安全性。实际上，通过每个叶片在中心回转杆塔1的方向上径向滑动，使得每个叶片4、4’、4”侧面端部处于相邻位置。应当注意的是，因此计算导槽7、7’、7”，使得它们的下端(靠近回转杆塔)与上述杆塔1之间的距离可实现侧面相邻，优选地不接触。

图5示出了即使在此位置，叶片4、4’、4”也可以略微枢转，使得它们仅有一小部分表面能够捕捉风。这种操作在风非常强烈持续执行，从而在不损坏风轮机的前提下继续使用风轮机。

许多场合可采用这种风轮机。叶片4、4’、4”的形状、回转杆塔1的长度等等必须适应于本发明的风轮机所安装的环境。依据实地观测的温度、平均风速等等，这些叶片将会更高或更矮，更大或更小等等。

在图6的配置中，依据本发明的三个风轮机A、B、C被安装在船上，替代常规桅杆。在此情况下，叶片4、4’、4”替代帆。该船由电动机推动，该电动机由位于风轮机A、B、C中的每一个的基部上的发电机驱动。这通常由计算机控制，计算机使用传感器获得的信息来独立并最佳地定位每个叶片，从而优化系统性能。

例如，这个应用可用于海上航行的驳船上，从而获取比现有风轮机更低的成本。

已经提及，依据本发明的风轮机依据所需的应用可具有不同尺寸。

在图7中，风轮机非常小，并可被安装在已有的柱或桅杆M，例如蜂窝电话中继器的天线上。它们产生所需的能量，从而保证突然中断时的操作，当然能量也可保存在电池中，以便需要时释放。蜂窝电话中继器杆现设有电池和某些发电设备，或者甚至包括将直流电变成交流电的设备。依据本发明的风轮机设备可很好地整合在这种结构之中。

图8描述了由至少一台计算机进行处理的系统控制和构造的概要流程图。该软件使得可以智能化管理每个风轮机。它集合不同的信息，例如风速和风向、每个叶片的角度、风轮机的转速、它的角度位置，从而持续地计算每个叶片相对于风的最佳位置。除了这些纯粹的技术特征，该计算机还管理能源的产生和损耗，可考虑整体和系统的每个部件的损耗。温度同样是一个重要的参数，中心单元还管理大气温度以及风轮机的各部件的温度。

该软件包括一定量的数值表，所述数值表通过比较测量值而获得，以便在面对气象条件时采取合适的行为。

整合到每个风轮机中的软件程序能够独立管理这些单元。这种管理可以为某个设备故障提前作计划，并且远程检查任意系统的异常。因而，这三个风轮机完全独立，也能够独立管理它们。在转动马达出故障时，可以有例如如下两种操作：相应的叶片能够保持与杆塔垂直，然后风轮机停止并且被置于保护位置，而叶片位于相对于风速的杆塔后方。如果所述叶片没有与杆塔垂直，那么系统将使它靠近杆塔，并且风轮机能够继续操作两个叶片。

风轮机的操作也可通过Internet或者其他合适的网络远程管理。

图8中的流程图示出了借助于传感器和类似装置持续扫描所有系统参数，并且所有的值被用于操作风轮机。在崩溃的情况下，系统能够自修复或者停止以等待外部帮助。

Claims (27)

1.一种垂直轴风轮机，包括固定有大致垂直的叶片的中心回转杆塔，所述叶片可相对中心杆塔旋转并且径向移动，基于叶片所处环境条件独立地控制每个叶片的移动，从而优化风轮机的整体性能。

2.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，每个叶片旋转轴的至少一端相对中心杆塔径向滑动。

3.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，每个叶片旋转轴的下端径向可动。

4.依据权利要求3的垂直轴风轮机，其中，每个叶片转动轴的两个端部彼此独立地径向可动。

5.依据权利要求3到5的垂直轴风轮机，其中，叶片转动轴的端部连接到从中心回转杆塔径向伸出的支撑臂上。

6.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，支撑臂设置有依据支撑臂轴展开的导槽。

7.依据上述任意权利要求的垂直轴风轮机，其中，叶片为刚性。

8.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，叶片的横截面为细长的S形。

9.依据权利要求7到8的垂直轴风轮机，其中，叶片由几个可组装部件组成。

10。依据权利要求1到6的垂直轴风轮机，其中，叶片用例如帆上使用的柔性材料制成。

11.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，叶片能够在下支撑件内或者围绕下支撑件滚动，并借助于与上支撑件协同工作的缆绳展开。

12.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，至少一个上支撑件上设置有减振装置。

13.依据权利要求7到12的垂直轴风轮机，其中，叶片的纵向截面是梯形的。

14.依据上述任意权利要求的垂直轴风轮机，其中，叶片旋转轴相对中心杆塔的位置和叶片的角度位置由至少一台计算机管理，所述计算机与用于测量风轮机环境气象参数的传感器相连，所述计算机引导马达装置来驱动叶片。

15.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，计算机可加速或减速叶片旋转，从而相对于风的条件来优化叶片的位置，以此提高风轮机的整体性能。

16.依据权利要求14到15的垂直轴风轮机，其中，计算机计算所使用的参数特别地有：通过气象风向标和风力计测得的风的速度和方向；叶片的位置；风轮机的速度和能耗；叶片的损耗；气温和风轮机组件的温度。

17.依据权利要求14到16的垂直轴风轮机，其中，计算机可以由外部计算机参数化。

18.依据权利要求14到17的垂直轴风轮机，其中，驱动叶片的马达装置是电动马达。

19.依据权利要求14到18的垂直轴风轮机，其中，所述气象参数传感器位于叶片上方。

20.依据上述任意权利要求的垂直轴风轮机，其中，用于转换能量的装置，特别是发电机，设置在风轮机基部位置附近，中心回转杆塔之下。

21.依据上述任意权利要求的垂直轴风轮机，其中，回转杆塔围绕固定杆塔。

22.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，固定杆塔顶部具有上工作舱，并且设置有连接到上述工作舱的装置。

23.依据上述权利要求的垂直轴风轮机，其中，连接到工作舱的装置由楼梯和/或升降机组成。

24.依据权利要求21到23的垂直轴风轮机，其中，固定杆塔由伸缩部件组成。

25.依据上述任意权利要求的垂直轴风轮机，其中，回转杆塔由轻的或透孔部件构成。

26.依据上述任意权利要求的垂直轴风轮机，其中，垂直轴风轮机通过撑杆固定到地面上。

27.依据上述任意权利要求的垂直轴风轮机，其中，技术服务站安置在中心回转杆塔的基部。

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