CN101711310B - 具有垂直旋转轴的单一风力电厂 - Google Patents

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Abstract

一种风力电厂，具有一涡轮机，该涡轮机具有实质与风向为直角的旋转轴(1)、及自轴(1)突出的翼部(2)，且翼部(2)具有其交叉部分本质为于垂直方向上延伸。翼部(2)可为奇数个或偶数个而环绕于旋转轴(1)分布，且由具有选用长度的翼部组件(21-24与31、32)构成。为了形成翼部(2)，翼部组件(21-24)连接成为一扭转连结架构(类似于一列成对的叉具)，并因此彼此可同步移动。欲调整翼部组件(21-24与31、32)的延伸，存在沿着旋转轴(1)的一可调整的套筒机构(4)，一内侧翼部组件(21)的内侧端连接至套筒机构(4)。由于翼部组件(21)内侧端牢固附接至于旋转轴(1)之一独特的高度，且与该翼部组件(21)合作，关连于自普遍风的期望可利用的功率，通过沿着旋转轴(1)的套筒机构(4)高度的调整，翼部(2)的延伸受到控制。旋转轴(1)驱动一液压泵(11)以提供液压油给一或数个液压马达(12)，其各者驱动一发电机(13)。

Description

具有垂直旋转轴的单一风力电厂
技术领域
本发明主要涉及一种具有实质垂直于风向之旋转轴的风力电厂。
背景技术
风力电厂以多种不同的执行形式存在，其中，设计具有安装于附接至一垂直旋转轴的横杆的主要直立翼部(wing)。George Darrieus于公元1931年所取得专利的一种风力涡轮机，其由一个或多个弧形的翼部叶片(blade)所组成，该等叶片绕着一垂直轴旋转，且为附接至该轴的两端。
人类已经经过至少二千年试图以利用风力。不同设计及具有不同品质的风车早已被使用，但是直到欧洲中古世纪，可运用于研磨谷物的风车被设计出。荷兰设计师于公元16世纪成功设计出具有相当高的效率的风车。这些风车是四翼式且具有水平旋转轴及对于垂直轴的倾斜式传动装置，其驱动旋转于一垂直轴的研磨石。
在公元1880年，具有多个翼部叶片、且仍具有水平旋转轴及倾斜式传动装置的风车在美国草原(prairie)诸州被开发以供于农场地区抽水。该风车导致提高关注于运用风力驱动装置以产生电力。在二十世纪的最初十年，在丹麦存在安装于构架桅柱(lattice mast)的约百种风力驱动式发电机。直到GeorgeDarrieus提出其风力涡轮机，所有风力涡轮机的设计为具有一水平旋转轴，于其上附接二或四个翼部或螺旋桨叶片。利用一种倾斜式传动装置，水平旋转转移至一垂直旋转轴，此轴具有必要长度以达到地面的设备，其于地面运用旋转功率。
随着公元1973年的石油危机，恢复对运用风力电厂(特别是其具有水平旋转轴的设计)以产生电力的关注。随着约二十年的开发，北欧国家已经开发一种标准为针对于安装于40-50公尺高的塔的风力涡轮机，且关于具有约为相同尺寸的直径的一种风力涡轮机。
具有水平轴的风力电厂系通常设计为针对于达到12-14m/s的风速。欲确定该较高的风速为并未超载所附接的发电机，风力涡轮机的转速必须限制。通常通过转向这些涡轮机叶片(将其放平)或通过设计为停止于高风速而作成的涡轮机叶片。不论采用何种设计，都是为了对该风力涡轮机的转速进行限制，并且结合该涡轮机的轴备有一机械制动器，以保护发电机免于过载。
理论背景
韦布尔(Weibull)分布
若测量在不同地区或地方一年之间的风速，需要注意的是：多数区域，强烈八级风力(gale force)的风很罕见，而中级与强级的风则相当普遍。针对于一地区的风变化，通常运用如于图1所示的所谓的韦布尔分布来描述。韦布尔分布是一机率密度分布。在该曲线图之下的面积总是为1，由于风将吹送包括0m/s的一些风速的机率必须为100％。
图1的曲线图下的一半面积于6.6m/s的垂直线的左侧，其中，6.6m/s为该分布的中线。这指的是：一半时间将相对于6.6m/s而较慢吹送，且另一半时间将相对于6.6m/s而较快吹送。由图1而为明显的是：最普遍的风速系5.5m/s。若是相乘各个微小的风速区间与针对该风速的机率，然后将其加总，可得到平均风速；针对图1，得到平均风速为7m/s。由该韦布尔分布而明显的是：大多数时间，风是在相对于平均风速为低的一速度下吹送。
风速的统计分布于全球各地，尤其是，取决于当地气候状况与地形。这致使韦布尔分布改变其形状与平均值。
平均风力
由图1的韦布尔分布，明显的是：较低的风速相对于较高的风速较为普遍，另一方面，风的能量值随着风速的一体积函数而增大，即：若风速为二倍，则风的能量值增大为八倍。因此，即使风在高风速吹送不常见，八级风力的风含有大量的能量。若风况诸如图1，显然的是：风在区间1m/s至17m/s的风速下吹送。在1m/s的风速下，风具有0.61W/m2掠过面积的功率，而在17m/s的风速下，则高为约4900倍，即：约为3000W/m2。
若风况由具有平均风速7m/s与形状参数2的一种韦布尔分布所描述，平均风力将等于风速8.7m/s且保持风力为402W/m2。
贝兹-落后(Betz-lag)
若试图取出自风的所有动能，在风力涡轮机的背风侧(lee-side)的风速将为0m/s，即：空气将无法离开该风力涡轮机，且因此空气将保持静止，且将毫不能获得任何能量。另一方面，若风通过风力涡轮机而毫无任何的减速，则也将不能获得能量。最大能量的获得是在其间的某个风速。
德国物理学家艾柏特贝兹(Albert Betz)系在公元1919年发表取出自风的能量的计算。贝兹系证实合理的假设在于：通过风力涡轮机的平均风速是进入风力涡轮机的未分布风速v1与出自风力涡轮机的风速v2之平均值，即：(v1+v2)/2。
每秒通过风力涡轮机的空气质量总计为：
m＝1/2ρA(v1+v2)
其中，m为每秒的质量，ρ为空气密度，A为由风力涡轮机所掠过的面积，且(v1+v2)/2为通过风力涡轮机的平均风速。牛顿第二定律接着提出的是：取出自风的功率是质量乘以进入风速平方与退出风速平方之间的差：
P＝1/2m(v1 2-v2 2)
若是将第一式的m代入第二式，则得到：
P＝(ρA/4)(v1 2-v2 2)(v1+v2)
相比而言，通过相同面积A而无任何减速的未分布风的总功率将为：
P0＝1/2ρAv1 3
若是采用取出自风的功率与来自未分布风的功率之比值，则得到：
(P/P0)＝1/2(1-(v2/v1)2)(1+(v2/v1))
可能显示的是：该比值是针对于v2/v1＝1/3而达到其最大值。
因此，最大取出的能量是发生在针对于2/3的风减速，针对于其取出最大为16/27的风能量。
功率密度函数
针对风的功率密度函数适用的是：其正比于风速的立方，且直接正比于空气密度。
通过相乘各个风速的功率与针对风速的机率(诸如韦布尔分布所显示)，得到显示针对不同风速的风力的一分布，即：得到一功率密度分布。若是接着将该功率密度分布与2/3相乘，则根据贝兹定律得到针对于不同风速的最大可取出功率的一功率密度分布。
图2的最上方的曲线图是显示该种功率密度分布，中间的曲线图是显示根据贝兹定律的最大可取出功率密度分布，且下方的曲线图是显示自该风力涡轮机可取出功率的功率密度分布。
二个重要结论由于图2的曲线图而为明显，一个结论在于：取出自风的能量的主要部分是在高于风力电厂的平均风速的风速而取出。另一个结论在于：通过风力涡轮机的形状的最佳化达成：下方的曲线图(其代表真正取出的能量)成为尽可能接近中间的曲线图(其代表理论可取出的能量)。
当成为自风力涡轮机的真正取出的能量，必须考虑的是：风力涡轮机设计为在某个低风速下开始旋转，通常为于3至5m/s之区间。此风速称为“切入(cut-in)”速度。针对于低于“切入”速度的风速，并无能量取出。同理，风力涡轮机设计为停止于高的风速，根据瑞典国家百科全书系通常为于14至17m/s之区间，此风速称为“切出(cut-out)”速度。对于风力涡轮机为停止于高风速的理由系不冒着过载该风力涡轮机与其周围设备(诸如：传动装置与发电机)的风险。针对高于“切出”速度，并无能量获得。
功率系数
功率系数是描述风力涡轮机如何有效率转变风能量成为电能。
功率系数通过将电能除以风力而推导出，即：针对各个给定的风速，产生自风力电厂的电力除以根据贝兹定律针对给定风速的最大可取出功率。
图3显示针对于一种平均、具有水平旋转轴的丹麦(danish)风力电厂的功率系数。由该曲线图为明显的是：虽然平均效率系约20％，但是该效率随着风速而剧烈变化。由该曲线图明显得到：最高的机械效率(此例为：44％)发生为针对在约9m/s的一风速；这是设计风力涡轮机的一审慎的选取。传统的观点已经在于：在低风速的效率不重要，因为无论如何也可获得极少的能量。在高风速的相当低的效率已经考虑为可接受，因为风力涡轮机无法允许获得相对于发电机所设计为更多的能量。因此，最重要为具有针对于能量可获得的风速的高效率。
一种传统的风力涡轮机设计为具有针对将安装的地区的一最佳静态功率系数，其是根据针对该地方的风速的韦布尔分布而设计的。
发明内容
本发明所欲解决的问题：针对一种具有实质垂直于风向旋转轴的风力马达提供一种风力涡轮机，其为可动态调整以允许针对大区间的风速的高效率、高功率系数。这使得最大化获得来自于风的能量。
本发明的特征在于：可延伸自风力涡轮机的旋转轴的可动态调整的翼部，以获得来自于风的能量。这些可动态调整的翼部的设计为扭转连结的(torsionlinked)翼部组件(类似于成对的剪刀(scissors))。
翼部可调整的翼部组件两个两个地连接于一种扭转连结配置的其长度的约一半的位置。这些翼部组件之一的一端固定附接于旋转轴，而另一个翼部组件的一端可垂直调整为沿着旋转轴。于延伸为远离旋转轴的自由端，可能附接另外的翼部组件，这些翼部组件也为在一扭转连结配置。附接在一扭转连结配置的数个翼部组件于远离旋转轴的一列是可能的，最外侧的翼部组件是一半长度且与第二最外侧的翼部组件一起构成一闭合的菱形。当最内侧的翼部组件(沿着旋转轴可调整端)是改变垂直位置，也为影响外部存在的扭转连结的菱形。翼部组件可调整至其菱形的形状为可调整自具有于实质水平或实质垂直方向的其最长对角线的程度。不必要的是：发生于翼部的所有的菱形是类似的尺寸，例如：最外侧的菱形是可设计为具有较长的翼部组件且相较于其它的菱形而掠过较大的面积。一切均为欲获得自风的较多能量。通过设计一翼部为一最接近旋转轴的三角形(即：半个菱形)与一完整的菱形、或多个完整的菱形，则得到一可动态调整的翼部。该种风力涡轮机是设有二、三或更多个该种翼部，以达成一种空气动力为有利的设计。
根据本发明的一种风力涡轮机的一个优点在于：不需要设计风力涡轮机为采用根据于不同地区的不同韦布尔分布的风速，因为根据本发明的一种风力涡轮机是可动态调整，以最佳化针对于不同风速的功率系数，因此也可根据不同的韦布尔分布而调整不同的风速。根据本发明的一种风力涡轮机不需要采用针对于将安装的地区，反之，其为针对于一标称的额定功率的一种标准设计，其可调整为针对于所有的地方。诚然，此提供于大量生产的极为经济的优点。
欲控制自旋转轴的翼部的突出，扭转连结可调适于不同菱形架构之间。这是通过固定附接最内侧的翼部组件于旋转轴的一固定高度而作成，而此扭转连结的互补翼部组件的最内侧端附接至一环形装置，其可调整为沿着旋转轴的高度。调整可通过机械机构而作成，其升高或降低该环形装置。因此，改变在最内侧扭转连结的翼部组件的最内侧端之间的距离。当这些端成为彼此较为接近，在翼部组件与旋转轴之间的角度增大，且外侧的扭转连结朝外延伸，因而增大该风力涡轮机的直径。反之，如果旋转轴的环形装置的位移为使得在翼部组件端之间的距离为增大且在翼部组件与旋转轴之间的角度为减小，则风力涡轮机的直径减小。
用于调整在旋转轴的环形装置的机械机构可由气压、或较佳为液压致动器、或通过电气驱动式致动器所构成。环形装置也可安装于一管状旋转轴之内侧，且通过管状旋转轴的槽部而附接至扭转连结式翼部组件。不论调整扭转连结的动力源为何，此调整应为一个使扭转连结应能够成为接近接触于旋转轴的范围。这保护在极高的风速下的扭转连结与风力涡轮机。
风力涡轮机的扭转连结朝上展开基于二个理由：机械理由，以得到致动器的尽可能为不复杂的设计，允许扭转连结的调整；及空气动力理由，因为风速系通常于距离地面较高处较高。
根据本发明的一种具有风力涡轮机的风力电厂于其基本设计为可能建立于极多变化尺寸。归因于其高效率，当存在一受限制的能量需求时，经济上为可行以建立甚至是相当小的风力电厂。因此，可能供应电力给消费者，即使其为远离电力线路。接着，可能安装一风力电厂于例如一工厂的天花板、或于一塔的顶部、或于工厂附近的一构架桅柱。
风力涡轮机驱动一液压泵，较佳为针对于低转速(rpm)的一种多个活塞泵设计，且配备具有一位移调整装置。该泵系驱动针对于高转速所设计的一个或多个液压马达，其各者驱动一发电机。此配置使得可能在低风速下分离一马达或发电机以供维修，而其它维持在作业中。
液压泵(其可以具有一个额外的备用泵、或当获得大量能量时为多个泵)具有适合的传动装置而置放于涡轮机的附近。也可以抽取液压油至一压力槽且然后在一小工厂之内的液压马达及发电机。
因为风力涡轮机的扭转连结翼部可拉动成为极小的径向延伸，可能供应风力电厂为具有折叠(folding)机构，其使得折叠风力涡轮机以供运转是可能的。
折叠机构也使得：当存在针对在极端风况(诸如：台风)的风险时而折叠风力涡轮机及运用折叠位置以保护该风力涡轮机在适当设备之中是可能的。
本发明的动态调整风力涡轮机的特征发生如下文所述。
在低风速下，风力涡轮机调整至其最大延伸位置，以尽可能多地降低“切入”风速，且提高针对于低风速的功率系数。
针对于中级至强级的风速，风力涡轮机调整以掠过最大的面积且维持一高效率，即：高功率系数。
最后，针对于高风速，风力涡轮机系调整以维持一高功率系数，但是掠过一较小的面积，且因此限制获得来自风的能量为低于发电机所设计的能量。
根据本发明的一种风力涡轮机是无异于习用、非可调整式风力涡轮机而必须在高风速下停止。反之，该种风力涡轮机调整至于扭转连结翼部的适合半径，且因此继续产生能量而直达到其极高的“切出”速度，同时维持一高效率、高功率系数。
根据本发明的一种风力涡轮机系也可配备具有置放于翼部组件的在使用期间可动态调整的零件(诸如：襟翼(flap))或类似的装置，以得到一空气动力为较佳的设计，获得自风的较多能量，且使得可能自风取出能量，风在一歪斜的角度(即：非为直角)下吹送通过风力涡轮机。这使得：置放根据本发明的一种具有风力涡轮机的风力电厂于具有变动地面状况的区域及于建筑物顶部且概括在风为未水平吹送处的地方是可能的。因此，由于风力涡轮机对于不同风速的适应性，而增加总功率效率。
本发明也使得可连接另外的发电机，以使得可能获得于高风速的风的极高功率。
附图说明
本发明之新颖的风力电厂之一个较佳实施例系描述于上文，参照下列的图式，此等图式系分别显示：
图1是显示具有平均风速7m/s与形状参数＝2的一种韦布尔分布图；
图2是总风力、根据贝兹定律的可取出的功率、及自一风力电厂的输出功率；
图3是显示针对于一种具有水平旋转轴与三叶片式涡轮机的传统风力电厂的功率系数曲线图；
图4是一种垂直旋转轴及延伸至中间位置的扭转连结翼部组件的示意图；
图5是一种扭转连结翼部的设计的示意图；
图6是根据本发明的一种风力电厂的示意图；
图7是连接于一半长度的两个扭转连结翼部组件的示意图；及
图8是两个翼部组件的末端之间的连接之示意图。
具体实施方式
图4主要显示一种风力电厂旋转轴1为如何垂直配置，且于此例的一翼部2为如何自其延伸。此翼部2由若干个翼部组件或涡轮机叶片21、22、23、24所构成，其以一种扭转连结配置21及22分别为23及24而连接。分别于涡轮机叶片23与24的外侧端23’与24’处，翼部组件31与32为铰链式连接，见图8。根据图8，此二个翼部组件31与32于最外侧端为彼此共同连接。因此，延伸自旋转轴1为二个全长与半个长度(翼部组件31与32)的扭转连结，或半个与二个完整的菱形，即：h1、h2、与h3。
一个对应的翼部有利为延伸于旋转轴1的另一侧，即：对于图4所示的翼部的180度角度。图标的翼部2由相等长度的翼部组件所组成，但是在扭转连结的铰链点不是在翼部组件的中间，因而形成菱形的翼部具有不同的尺寸。当然，翼部可由相等尺寸的菱形所作成，但是因为大部分的风力能量可获得自旋转轴1的最远处，运用所描绘的翼部设计最为有利。也可以配置翼部2为具有一或多个附加的菱形，其为小于或等于最外侧的菱形的尺寸(h3)。
翼部2的数目的一设计选择。通过翼部的设计且尤其是通过调整自旋转轴的延伸量的能力，运用一种标准尺寸的风力电厂至具有在一年期间的不同的风速韦布尔分布的服务地区是可能的。若错误已经作成于一风力电厂的计划期间且该风力电厂为安装的该等地区具有相对于计划者为不同的风速的韦布尔分布，仅有的结果将在于：风力涡轮机将具有相对于计划者所预测的不同的翼部延伸，这相异于一种传统的静态风力涡轮机，其可能必须更换该风力涡轮机。
欲控制扭转连结式翼部2的延伸，朝向旋转轴1的翼部组件21的最内侧端附接至环绕旋转轴1的一套筒机构4。此套筒4运用液压致动器41、42而可沿着旋转轴1上下滑动。或者，套筒4运用凸轮进给机构或设定螺丝作为致动器或电动装置而可滑动。套筒4也可以包含例如控制翼部组件拍动的装置。
当套筒4沿着旋转轴1而朝上调整，翼部2的扭转连结延伸自旋转轴1，且翼部2掠过一较大的半径。当套筒4沿着旋转轴1而朝下调整，翼部2的扭转连结将一起拉动朝向旋转轴1，且翼部2掠过一较小的半径。升高或降低套筒4使得：调整由风力涡轮机所掠过的面积且因此获得来自风的能量将改变，是可能的。
或者，取代套筒4，翼部2可配备具有预加应力的弹簧5，其分别为安装于例如在翼部组件23与32之间、在翼部组件24与31之间的铰链以朝外延伸翼部2。另外的预加应力的弹簧可安装在其连接关节的其它翼部组件之间。扭转连结翼部组件的收缩通过拉动一接线6在旋转轴1与翼部组件21与22之间的连接关节之间，而作成。接线6通过一管状旋转轴的一装置操纵。或者，接线6可借着作为致动器的一凸轮进给器或一设定螺丝而取代。
由于安装于构架桅柱的风力涡轮机的某个尺寸，通过一种铰链安装配置，降低该风力涡轮机至地面是可能的。
风力电厂的旋转轴1可直接或经由传动装置而驱动一液压泵11。液压泵较佳为置放于旋转轴的下端。存在连接至液压泵的至少二个液压油管；一者作为至一或多个液压马达12的一进给管且一者作为自该一或多个液压马达12的一返回管。这些高速度设计且直接连接至发电机13，以产生电力。
翼部组件对21与22的连接的中间部分显示于图7。翼部组件21与24彼此邻近，且通过示于图8的铰链状设计而彼此连接。对于本领域技术人员而言，使用其它明显的铰链状设计也是可能的。
通过连接一计算机，可能引入多个不同的控制器。因此，在风速变化时可通过计算机控制翼部的延伸者。
在此所提出的若干个设计也可适用于具有水平旋转轴的风力涡轮机。

Claims (4)

1.一种具有垂直旋转轴的风力电厂，可调整翼部以扭转连结配置的翼部组件的形式而延伸自该垂直旋转轴，以用于自该旋转轴(1)的可延伸性及朝向该轴的可缩回性，其特征在于：该翼部(2)是由两个或更多个连接的扭转连结所构成，扭转连结是由翼部组件(21-24、31、32)构成；其中，该翼部(2)可缩回至该旋转轴(1)之内以受保护，其中，该翼部(2)可缩回至沿着该旋转轴(1)轴向方向的狭长开口内。
2.如权利要求1的风力电厂，其特征在于：该翼部(2)是由两个扭转连结所构成，其中，该两翼部组件的其中一个相互连接于另一个翼部组件一半长度的扭转连结处。
3.如权利要求1或2所述的风力电厂，其特征在于：该翼部(2)的延伸能够被控制，而与旋转轴(1)的转速无关，且可通过施加在一个用于沿着该旋转轴(1)调整的套筒(4)处的机械、液压或气压驱动装置来调整该翼部(2)，该翼部(2)的最内侧翼部组件(21)连接至该套筒(4)。
4.如权利要求1或2所述的风力电厂，其中，该旋转轴(1)的下端可移动地安装于一塔或一构架桅柱的上方部分，其特征在于：该旋转轴(1)直接或经由传动装置而驱动一液压泵(11)，该液压泵(11)位移受控制，且连接至一个或多个液压马达(12)，该液压马达(12)接着驱动一个或多个发电机(13)。 
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