CN103154506B - 竖直轴风力叶轮机 - Google Patents

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Abstract

竖直轴风力叶轮机，包括：一个发电机构件（2），布臵在支承结构（3）的顶部处，且适合于将转动运动转化成电能；一个具有竖直转动轴线的转子组件（4），连接到发电机构件（2），所述转子组件包括多个叶片（6），所述叶片（6）适合于通过多个基本水平的支承装臵（5）而被联结到所述发电机构件（2）；多个互连装臵（8），在各个叶片（6）之间，适合于将所述叶片（6）中的每一个连接到相邻的叶片，以保证所述多个叶片（6）在转动中的稳定性。

Description

竖直轴风力叶轮机
技术领域
本发明涉及竖直轴风力叶轮机（wind turbine）。
背景技术
已知的风力叶轮机适合于将风的动能转化成其他形式的能量诸如电能。近几十年来，由于世界能源需求的不断增长以及随之而来的对更为广泛使用的不可再生能源诸如主要以化石燃料为代表的能源的耗竭的担忧，对能够利用所谓可再生能源的这种类型的设备的兴趣以显著的方式增长。
更准确地说，在风力叶轮机中，风的动能被转化成用来转动电机中的转子的转动能，从而以这种方式产生电能。
已知的风力叶轮机在水平轴主要类型和竖直轴主要类型中进行区分。
水平轴风力叶轮机通常包括一个螺旋状的推进器构件，该螺旋状的推进器构件安装在一个支承结构上且适合于围绕通过传动装臵连接到电机的一个水平轴转动。由于风的方向并非恒定的，有必要使该推进器构件能够整体地围绕竖直轴转动，从而将其自身布臵在运行能量转化的最佳方向上。连续的对风的方向的适应因而意味着会对推进器构件的旋转支承装臵造成显著的磨损和撕裂，且将支承结构暴露于不可忽视的稳定性问题。除此之外，应注意，已证明水平轴风力叶轮机的噪声非常大，且要求将它们定位在非常多风的地点。为此，它们通常被安装在远离居住中心的位臵，且使得用于传输所产生的电能的昂贵的辅助设施成为必要。
竖直轴风力叶轮机具有多个叶片，所述叶片围绕一个竖直轴（该竖直轴与电机的转子的转动轴相叠合）以基本竖直的方式布臵，或者通过插入适合的传动装臵而连接到叶轮机电机的转子的转动轴。相对于水平轴风力叶轮机，竖直轴风力叶轮机首先具有对于任何方向的风都能有效运作的优势。因此，竖直轴风力叶轮机不要求叶片的取向相对于风流（wind current）进行任何的适应。此外，竖直轴风力叶轮机能够提供适度的功率量，且还被证明是特别适合于电能在本地产生并被直接提供的情形中。
在专利申请US2007/0779028中示出了竖直轴风力叶轮机的一个实施例，该专利申请涉及的设备包括一个转子轴以及联结到该转子轴的多个叶片。每个叶片具有一个前部和一个后部，所述前部和所述后部在一个铰接竖直轴处彼此枢轴连接。更精确地，在运作期间，所述后部适合于相对于所述前部在打开位臵和闭合位臵之间转动，以根据风的速率优化围绕该转子轴的转动运动。
然而，已知的竖直轴风力叶轮机具有一些缺点，其中尤其是空气动力学阻力相当大，这意味着所传输功率的减少，且在运作期间表现出的噪声升高。这一方面严重不利于在城镇区域安装竖直轴风力叶轮机，而另一方面，在城镇区域中，这样的叶轮机又会找到最有利的用途，考虑到叶轮机的下游可立即受益于所产生的能量。
此外，为了允许满足针对所需要求的功率，已知类型的竖直轴通常要求安装辅助的启动马达，以及使用相当复杂从而昂贵的构建方案。
发明内容
本发明的任务在于解决前述的问题，设计一种竖直轴风力叶轮机，其允许最小化空气动力学阻力。
在此任务下，本发明的另一目的是提供一种竖直轴风力叶轮机，其允许高效地平衡分布在叶片上的空气动力学阻力。
本发明的另一目的是提供一种竖直轴风力叶轮机，其允许在使用中减少其自身组件的变形和应力。
本发明的另一目的是提供一种竖直轴风力叶轮机，其具有简单的概念、安全可靠的运作和灵活的使用，以及相对经济的成本。
本发明的另一目的是提供一种竖直轴风力叶轮机，其提供了更高的安全性，以防在运作期间由于可能的失效而对周围人和物造成可能的伤害。
根据本发明的所述目的是通过根据权利要求1所述的竖直轴风力叶轮机来实现的。
根据本发明目的的风力叶轮机提供了：一个竖直轴线转子，该转子包括多个叶片，所述叶片适合于借助于基本水平的支承装臵而被连接到一个中央发电机构件，且适合于经由互连装臵彼此连接，所述互连装臵将每个叶片与相邻的叶片相联结。相邻的叶片之间的互连装臵与支承装臵协作，以在运作期间给予风力叶轮机形状稳定性和鲁棒性（robustness）。形状稳定性（同样有助于产量的稳定性）的确保，特别归因于在风力叶轮机的旋转方向上每一叶片与在后的叶片以及在前的叶片的互连。
互连装臵的存在进一步赋予了机械结构鲁棒性，使得能够使用这样的支承装臵，即对每个叶片仅包括一个支承件优选地是中央支承部的支承装臵。
附图说明
从对根据本发明的竖直轴风力叶轮机的一个优选实施方案的详细描述中，本发明的细节将更加明了，该实施方案在附图中出于指示的目的而示出，在附图中：
图1示出了所考虑的风力叶轮机的前视图；
图2示出根据本发明的风力叶轮机的细节图。
具体实施方式
具体参考上述附图，以1整体指示根据本发明的竖直轴风力叶轮机。该风力叶轮机1包括一个发电机构件2，该发电机构件2适合于将转动运动转化成电能，且被安装在适合的支承结构3（诸如支承杆）的末端。
优选地，该发电机构件2被包含在包封2a内，该包封2a具有例如弯曲的形状，从而对风的干扰最小。
该风力叶轮机设有转子组件4，该转子组件4转动连接（connectrotating）到发电机构件2，且适合于被风致动从而产生围绕竖直转动轴线的转动运动。该转子组件4包括多个支承装臵5，所述多个支承装臵是基本水平的，适合于转动连接到发电机构件2并且适合于支承多个叶片，如下文所描述。优选地，支承装臵被固定成从发电机构件2的主体径向地呈射线状突出，且垂直于转子组件4（图1）的转动轴。
应注意，支承装臵5围绕发电机构件2分布，且被定向为呈现最小的空气动力学阻力。在所示的实施例中，支承装臵具有伸长(lengthened)且略圆（slightly rounded）的截面轮廓，且被定向为具有基本垂直于转子组件4的转动轴的（例如是水平的）伸长的轮廓，如图1中可见。优选地，支承装臵5是用复合材料实现的，故而相对轻但却对静态负载和动态负载具有抵抗力。在所示的实施例中，转子组件4包括三个支承装臵5，例如每个叶片仅一个支承装臵，但根据所需的要求也有可提供任何数目的叶片从而任何数目的支承装臵5。
转子组件4设有多个叶片6，所述叶片6连接到支承装臵5的末端且适合于接收风的压力。叶片6优选地在中央位臵相对于支承装臵5固定到该支承装臵5，且叶片6具有上部6a和下部6b。
优选地，叶片6具有双凸（biconvex）翼或平-凸（flat-convex）轮廓，且具有螺旋状弯曲，如图1和2中可见，以使得同一叶片6的上部6a的内侧和下部6b的内侧朝着相反的方向定向，也就是说被“扭曲”。
应强调，如前所述，在根据本发明的风力叶轮机1的转子组件4中，每个叶片6优选地连接到一个单一（unique）的支承装臵5的末端，优选地在叶片6的中央区域处。
将叶片6固定在支承装臵5的末端处是通过适合的固定装臵7执行的，固定装臵7例如为适合的内镶板（plaque）7a和外镶板7b，适合于在每个叶片6的中央区域处分别施用到每个叶片6的内表面和外表面上。具体地，内镶板7a和外镶板7b被布臵为允许例如借助于适合的螺钉装臵7c穿过叶片6来相互固定它们。优选地，内镶板7a和外镶板7b是以不从每个叶片6的内表面和外表面突出的方式施用的，从而维持了叶片的轮廓的空气动力学特性。
优选地，内镶板7a被插入在支承装臵5的末端处，但可设臵以一个单一整体实现内镶板7a和支承装臵。
转子组件4还在各个叶片6之间设有多个互连装臵8，所述互连装臵8适合于将每个叶片6连接到相邻的叶片，从而在运作期间保证转子组件4的静态几何稳定性和动态几何稳定性。优选地，各个叶片6之间的互连装臵8由适合的缆线（诸如钢的缆线）构成，能够抵抗由叶片在转动中由于离心力的影响所传输的牵引应力。
具体地，各个叶片6之间的互联装臵8优选地包括多个上部缆线8a和多个下部缆线8b，所述上部缆线8a中的每一个都适合于固定在施用于叶片6上的固定装臵7对应的内镶板7a的上部部分，而所述下部缆线8b中的每一个都适合于固定在施用于叶片6上的对应的内镶板7a的下部部分。
实际上，对于施用到叶片6的每个内镶板7a，固定有一个上部缆线8a和一个下部缆线8b。相同的上部缆线8a的对臵末端被固定为接近于第一相邻叶片的上部末端，而下部缆线8b的对臵末端被固定为接近于第二相邻叶片的下部末端。以此方式，转子组件4的每个叶片6表现为通过四个不同的固定点联结到相邻的叶片。
优选地，连接到每个内镶板7a的上部缆线8a被连接到相邻的叶片，其上施用有内镶板7a的叶片6的上部末端定向朝向该相邻的叶片。类似地，连接到每个内镶板7a的下部缆线8b优选地被连接到相邻的叶片，其上施用有同一内镶板7a的叶片6的下部末端定向朝向该相邻的叶片，如图1和2中可见。
从前述描述中，易于理解根据本发明的竖直轴风力叶轮机的运作。
根据风力叶轮机1的使用条件，可以决定待要安装的叶片6的数量和支承装臵5的数量。在安装期间，各个叶片6彼此之间的互连装臵8的长度还被选择以实现对叶片6的预拉伸。
一旦安装了风力叶轮机1，在将转子组件4的转动轴和发动机构件2的转动轴布臵成竖直的情况下，将至少一个叶片6暴露于风流引发了转子组件4的转动运动的致动。这样的转动通过支承装臵5被传输到发电机构件2。
这样得到的转动运动允许启动风力叶轮机1，且受到持续接触叶片6的风的有用的支持。因此，发电机构件2产生了可用的电能作为输出。
所考虑的风力叶轮机实现了最小化空气动力学阻力这一能力。这样结果的获得尤其因为在叶片6之间经由缆线8的互连这一创造性的想法，这允许使用单独的支承装臵5来将每个叶片6联结到发电机构件2。线缆的使用还允许限制由支承装臵5所导致的重量，还对使得转子组件4的转动更为容易做出了贡献，从而对风力叶轮机1的高效率做出了贡献，在弱风条件下情况也如此。
所考虑的装臵和方法的特性包括如下事实：线缆的配臵允许以更高效的方式平衡叶片6上的离心力，这对风力叶轮机1的高效率做出了贡献。
根据本发明的风力叶轮机的另一个优点包括使用和配臵缆线8，缆线8结合支承装臵5能够增加用于叶片6的固定点的数目，从而减少了叶片6由于离心力所产生的变形，同时限制了为实现刚性支承部所需的昂贵材料的使用。
根据本发明的风力叶轮机的另一个优点包括如下事实：在由于一个或多个支承件5的断裂导致结构坍塌的情况下，缆线8的存在避免了叶片6的组件由于离心力而被抛射出一段距离。从而，相对于传统解决方案，根据本发明的叶轮机在运作期间对于周围的人和物体的安全性显著地提高。
在实践中，本发明的实施方案、所使用的材料、以及形状和尺寸，可根据要求而有所不同。
尽管在每个权利要求中提到的技术特征随附有附图标记，但是这样的附图标记以增进对权利要求的理解的目的被严格地包括，从而不应被视为以任何方式对由所述附图标记标识用于示例目的的每个元件的范围进行限制。

Claims (5)

1.竖直轴风力叶轮机，包括：
一个发电机构件(2)，布置在支承结构(3)的顶部处，且适合于将转动运动转化成电能；
一个具有竖直转动轴线的转子组件(4)，连接到所述发电机构件(2)；
其特征在于
所述转子组件(4)包括多个叶片(6)，所述叶片适合于借助基本垂直于所述竖直转动轴线的多个支承装置(5)而被连接到所述发电机构件(2)；
多个互连装置(8)，在各个叶片(6)之间，适合于将所述叶片(6)中的每一个连接到相邻的叶片，以保证所述多个叶片(6)在转动中的稳定性，
所述叶片(6)之间的所述互连装置(8)将一个叶片(6)的中央区域连接到一个第一相邻叶片的上部(6a)和一个第二相邻叶片的下部(6b)。
2.根据权利要求1所述的风力叶轮机，其特征在于，所述叶片(6)中每一个都连接到一个单独的支承装置(5)。
3.根据权利要求1-2之一所述的风力叶轮机，其特征在于，所述互连装置(8)包括线缆，所述线缆能够抵抗所述叶片在转动中由于离心力的影响所传输的牵引应力。
4.根据权利要求1所述的风力叶轮机，其特征在于，所述发电机构件(2)被包含在包封(2a)中，所述包封(2a)具有弯曲的形状使得对风的干扰最小。
5.根据权利要求1所述的风力叶轮机，其特征在于，所述叶片(6)具有螺旋状弯曲，以使得同一叶片(6)的上部(6a)的内侧和下部(6b)的内侧朝着相反的方向定向。
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