CN103201509B - 用于传送无线电线信号的风力涡轮机及其方法、风力场和电信网络 - Google Patents

用于传送无线电线信号的风力涡轮机及其方法、风力场和电信网络 Download PDF

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Abstract

公开了风力涡轮机，该风力涡轮机包括至少一个叶片(5a)以及用于将所述至少一个叶片(5a)的移动转换为电能的部件。风力涡轮机还包括包含在所述至少一个叶片(5a)中的至少一个天线(6a)，以及用于向天线(6a)馈送待放射的信号(71)的发射器电路(70)。

Description

用于传送无线电线信号的风力涡轮机及其方法、风力场和电信网络
技术领域
本发明涉及风力涡轮机，以及具体来说，涉及包括电磁波传输系统的风力涡轮机。
本发明还涉及用于控制上述风力涡轮机以便传送具有预期极化的电磁波的方法。
背景技术
风力可用于通过又被称作风能系统的风力涡轮机来生成电力是已知的。
最常见类型的风力涡轮机是水平轴风力涡轮机，水平轴风力涡轮机包括垂直安装在转子毂上的一个或多个叶片。当叶片受到风力吹击时，转子毂绕水平轴旋转，并且转子轴向发电机传送移动，该发送机将机械能转换为电能。
转子毂和发电机放置在塔架顶上，塔架非常高以便捕获比地平面的风力更强的风力。
长导线用于将电能从发电机传输到电力网或者诸如放置在塔架底部的电池之类的其它类型的负载。
虽然风力涡轮机的使用受到欢迎并且得到推动以便增加“绿色”能量的产生，但是另一方面，风力涡轮机存在若干缺点。
首先，当没有风力或者风力过大时，风力涡轮机不工作，因此它们只是糟蹋景观(所谓的视觉污染)。此外，当将风力涡轮机集中在大型风力场（windfarm）时，风力涡轮机能够干扰陆地无线电通信(诸如电视、无线电和蜂窝电话)和雷达信号。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机不仅能够用于生成能量，而且特别是当叶片不移动时还能够被使用。
本发明的一个目的是提供一种风力涡轮机，该风力涡轮机能够用于电信网络中而不是对其进行干扰。具体来说，本发明的又一目的是提供一种用于使用风力涡轮机来传送具有线性或圆形极化的电磁波的方法。
本发明的这些及其它目的通过结合所附权利要求中的特征的风力涡轮机来实现，该权利要求形成本说明的主要部分。
按照本发明的一个方面，至少一个天线被包含在风力涡轮机的叶片中。发射器电路被电连接到天线，并且向天线馈送待传送的信号。
用这种方式，当涡轮机不用作发电机(例如，因为没有风力)时，它能够被用作通信系统的天线。具体来说，由于天线被集成到叶片中，所以通过控制叶片的位置以及待传送的信号的生成，叶片能够被用于传送具有水平或垂直极化的信号。
此外，通过控制叶片传送的信号，风力涡轮机能够被用作通信网络的有源部件（activepart），因而避免对其它通信网络的干扰。
优选地，该风力涡轮机包括：各叶片配备有天线的三个叶片，以及用于每次将发射器电路动态地连接到一个选择的天线的开关单元，而优选地将其它天线连接到参考电位。作为示例，开关单元将发射器电路连接到垂直叶片，而将其它两个叶片连接到参考电位、具体来说是接地平面；以这种方式，天线作为发射垂直极化电磁辐射的垂直偶极子工作。备选地，开关单元将发射器电路连接到在预定时间放置在预定空间位置的叶片，以使得生成圆形极化波。
因此，通过控制风力涡轮机的叶片上的信号的开关，有可能使用叶片来模拟偶极子生成具有预期方向的电磁场。
按照本发明的另一方面，风力场可包括多个风力涡轮机，该多个风力涡轮机被适当地间隔开并且配备有以同步方式传送相同信号(具有不同或相同极化)的发射器电路，以使得实现用于空间复用的MIMO配置。
按照本发明的另一方面，风力涡轮机被配置为电信网络的转发器，并且为此目的而包括适合于接收来自外部装置的信号的接收器设备。处理所接收信号，以便获得待经由发射器电路和被集成在叶片中的天线传送的信号。
附图说明
通过阅读按照本发明的用于传送电磁波信号的方法和系统的非排他性的优选实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点将会更加显而易见，参照附图作为非限制性示例来描述该优选实施例，在附图中：
-图1示出按照本发明的风力涡轮机的前视图和横向视图；
-图2示出图1的风力涡轮机的叶片；
-图3是图1的风力涡轮机的发射器电路的示意图；
-图4示出适合于在图3的发射器电路中使用的开关单元；
-图5示出按照本发明的第二实施例的两个风力涡轮机在电信网络中的使用；
-图6是图5的风力涡轮机的发射器电路的示意图；
-图7示出以MIMO配置的两个风力涡轮机的使用；
-图8是按照本发明的用于传送无线电信号的方法的流程图；
-图9示出在图8的方法的不同步骤期间的图1的风力涡轮机的叶片；
-图10示出从天线到图1的风力涡轮机的发射器电路的电连接；
-图10a是图10的实施例中使用的信号循环器的侧视图；
-图10b是图10a的信号循环器沿截面A-A的顶视图；
-图10c是图10a的信号循环器沿截面B-B的顶视图；
-图11是按照本发明的第二实施例的用于传送无线电信号的方法的流程图；
-图12是按照本发明的第三实施例的用于传送无线电信号的方法的流程图；
-图13示出在图12的方法的不同步骤期间的图1的风力涡轮机的叶片。
这些附图示出本发明的不同方面和实施例，以及在适当的情况下，不同图中的相似结构、组件、材料和/或元件用类似的参考标号来表示。
具体实施方式
图1示出按照本发明的用于传送电磁波的风力涡轮机(一般以标号1表示)的前视图和横向视图。
在图1的实施例中，风力涡轮机1是水平轴风力涡轮机，并且包括支撑短舱3的塔架2，短舱3包括发电机30、高速转子轴31、变速箱32和主转子轴33。
三个叶片转子毂4被连接到主转子轴33以便在风力移动叶片5a、5b和5c时使其旋转。变速箱32允许高速转子轴31以较高速度旋转以便驱动生成电能的发电机30。
虽然在参照图1描述的优选实施例中，风力涡轮机包括三个叶片，但是在其它实施例中，风力涡轮机能够包括不同数量的叶片，作为示例，风力涡轮机1能够包括一个单一叶片或两个叶片。
作为非限制性示例，按照重量和电阻要求，叶片5a、5b和5c可由玻璃纤维、碳纤维或者其它合成材料制成。就本发明的目的而言，叶片5a、5b和5c优选地由非导电材料制成，以便避免法拉第笼效应。
图2示出包含天线6a以放射作为输入所接收的信号的叶片5a的示意图。在以下实施例中，叶片5b和5c与叶片5a相同，并且包括相应天线6a和6b；由于这个原因，下面仅描述叶片5a。
天线6a可以是简单的偶极天线、八木天线、喇叭天线、抛物面天线、天线阵列或者任何其它类型的已知天线。
在图2的实施例中，叶片5a具有空心主体，并且天线6a被放置在其内部，即，放入叶片表面所限定的空间中。在备选实施例中，叶片5a可具有包括天线6a的实心主体(例如，天线能够用泡沫来填充)。
天线6a优选地通过活动紧固部件来连接到叶片主体，该活动紧固部件允许在其维护期间轻易地移开天线。备选地，天线6a能够被固定(例如，胶合)在叶片的内部或外部表面上。将天线6a定位在叶片5a内部是优选的，因为保护天线免于雨水、雪和风力。
一般来说，至少一个叶片5a包括天线6a对于本发明是足够的。
天线6a包括用于连接到信号发生器单元7的连接器60。
图3示出包含在图1的风力涡轮机1的三个叶片中的信号发生器单元7和天线6a、6b、6c的示意图。在该实施例中，信号发生器单元7包括发射器电路70，发射器电路70生成传输信号71并且将其提供给一个或多个天线。传输信号71是适合由天线6a、6b和6c来放射和传送的电信号。在优选实施例中，发射器电路70是包括一个或多个滤波器、振荡器、锁相环和功率放大器的电子系统。
在图3的实施例中，发射器电路70和天线6a、6b和6c经由开关单元72来连接。
开关单元72包括两个输入端：一个被连接到发射器电路输出端，而另一个被连接到参考电位73，具体来说是接地电位，参考电位73能够通过塔架的金属结构来取得或者更好地来自输送传输信号71的同轴电缆的金属屏蔽。开关单元72还配备有三个天线6a、6b和6c与其连接的三个输出端。
如图4所示，开关单元72包括多个开关模块720a、720b和720c，开关模块720a、720b和720c由控制单元721(例如，微控制器)来控制，以将各天线6a、6b和6c连接到发射器电路70或者连接到参考电位73。在一个实施例中，开关模块包括集成开关装置，例如SCR(可控硅整流器)，但是在另一个实施例中，开关模块能够通过机电继电器来实现。
如以下所更好地描述的，开关单元72能够被编程为以不同方式来控制开关模块，以便传送具有不同极化的电磁波。作为示例，控制单元721能够被编程以每次仅将一个天线连接到发射器电路70，而将其它两个天线连接到参考电位73；由于三个天线6a、6b和6c被分隔120°来安装，因此通过将一个天线连接到信号而将其它两个天线连接到参考电位，该三个天线作为偶极天线来工作。
开关单元72能够被集成在发射器电路70中或者能够被省略。在后一种情况下，信号发生器单元7对于各天线配备有一个发射器电路，以使得通过控制所有发射器电路，有可能向一个天线传送待广播的信号，而将其它天线连接到参考电位。
在参照图5所示的另一个实施例中，风力涡轮机1包括适合接收来自风力涡轮机1外部的信号的接收设备8。作为非限制性示例，所接收的信号可具有不同性质(例如，光或电)，并且能够经由不同介质，例如，经由电缆或无线来接收。
在图5的实施例中，风力涡轮机1是通信网络中的元件，并且所接收的信号是由通信网络中的无线电设备传送的无线电信号；所接收的无线电信号能够是例如由电视转发器来传送的电视信号或者由移动电话网络的无线电网络控制器传送的信号。
为了接收来自外部的信号，接收器设备8包括接收天线80。
图6示出配备有接收设备8的风力涡轮机的电路的示意图。在图6的实施例中，风力涡轮机1包括图1和图3中的用于经由放置在风力涡轮机的叶片中的天线6a、6b和6c来传送无线电信号的相同部件。接收设备8接收来自外部的信号，对其进行解码，并且将对应基带信号提供给发射器电路70，发射器电路70再生该信号以供传输。在该实施例中，风力涡轮机充当有源转发器，但是在另一个实施例中，它能够是无源转发器，即，它不再生信号，而是对其进行接收和重传。
按照本发明的另一方面，多个风力涡轮机1用于实现如图7所示的MIMO(多输入多输出)天线配置。优选地，控制所述多个风力涡轮机中的至少两个风力涡轮机1以使得放射具有不同极性的电磁波，以便获得极化分集并且增加信道吞吐量。
在风力涡轮机1用于实现其中信号以频率范围500kHz至50GHz传送的电视网络的MIMO传输的情况下，优选地，将风力涡轮机放置于包含在50m与3km之间的距离处，以便获得空间分集并且增加传输可靠性。
图8是使用按照本发明的风力涡轮机、用于即使叶片正旋转时也放射具有稳定极化的电磁波的方法的流程图。
该方法开始于步骤801，其中在风力涡轮机的发射器电路中生成待传送的信号；如以上参照图5和图6所述，由发射器电路生成的信号能够是接收自外部并发送给天线6a-6c以供重传的信号。
然后，该方法提供检测(步骤802)叶片的位置或者至少检测哪一个叶片正经过叶片5a-5c的旋转平面的预定范围。优选地，该范围是由叶片尖旋转的轨迹所限定的圆的预定圆扇区，该圆的中心在转子毂4中。
在一个实施例中，通过操作地连接到开关单元72的控制单元721的一个或多个传感器(具体来说是接近传感器)来获得一个或多个叶片的位置的检测。显然，这个实施例不是限制性的，并且其它解决方案是可能的。
在步骤803，该方法提供将已经进入预定范围的天线连接到发射器电路70的输出端，而将其它两个天线通过开关单元72连接到参考电位73。
这在图9a中示出，其中叶片5a、5b和5c应该以顺时针方向旋转，以及该方法提供将待传送的信号71施加到在旋转平面的区域90内部移动的天线上，区域90是120°圆扇区，该120°圆扇区以垂直方向x为中心。图9a中，天线6a已经进入区域90，并且因此提供有待传送的信号；为此，叶片6a以黑色表示。
在已经向天线(在图9a的情况下为天线6a)提供了信号之后，该方法提供等待对进入预定空间区域90的下一个天线的检测。同时，总是将待传送的信号提供给第一所选天线的输入端，如从图9b能够看出的，其中天线6a被沿垂直方向放置，并且仍然将信号施加到该天线上。
因此，该方法从步骤803回到步骤802。当新叶片进入空间区域90时，信号接着被施加到包含在新检测到的叶片中的天线上，而将参考电位施加到其它两个天线上。这在图9c中示出，其中将信号从天线6a切换到包含在此刻正进入空间区域90的叶片5b中的天线6b(在这里为黑色)上。
图10示出按照本发明的一个实施例的风力涡轮机的详细情况。在该实施例中，发射器电路70生成高频信号71，高频信号71经由同轴电缆701被馈送到循环器720。循环器720一般是具有多个端口的装置，它将输入信号(在第一端口上接收的)选择性地馈送到一个输出端口并且然后馈送到相邻输出端口。信号从一个输出端口到另一个输出端口的切换优选地由控制单元来控制，但是也能够由以循环方式将输入信号切换到输出端口的其它机电解决方案来实现。
图10a、图10b和图10c示出本发明的一个实施例中使用的循环器720的不同视图和细节。
循环器720具有包括四个连接器7202、7203a、7203b和7203c的外部圆形壳体7201。
连接器7202是可旋转连接器，供连接到携载将要切换到输出连接器7203a、7203b和7203c的输入信号的同轴电缆。在图10的实施例中，电缆701因此被连接到连接器7202。
壳体7201优选地是金属壳体，使得能够用作接地平面，如图10a-10c所示，其中同轴电缆701的外部导体7010经由连接器7202被连接到壳体7201。在另一个实施例中，循环器720包括被放置在壳体内部并且被用作接地平面的金属板。
在壳体7201内部，两个金属片7204和7205被安装成在外部装置的控制下绕中心轴y自由旋转。在一个实施例中，经由适当地放置在壳体7201内部的电磁体来获得两个金属片的移动，以使得它们一旦被激活就移动两个金属片。金属片7204和7205被分离以便避免电接触。将金属片7204和7205弯曲以使得它们共同形成具有带旋转轴y的基本上圆柱形式的连接器。
如图10c所示，金属片7204被连接到连接器7202的内部导体，而金属片7205连接到连接器7202的外部导体，。
平面Ω(与旋转轴y正交)上的金属片7205的截面是由等于360°/N的角θ所对向的弧段，其中N是输出端口的数量(在图10a-10c的示例中为3个)。同一平面Ω上的金属片7204的截面是互补的，以形成在两个点7206和7207被中断的圆周。
连接器7203a、7203b和7203c配备有外部圆柱触点(7208a、7208b和7208c)以及内部触点(7209a、7209b和7209c)。内部圆柱触点包括滑动触点(7210a、7210b和7210c)；通过绕轴y旋转金属片7204和7205，使该滑动触点选择性地与金属片7204和7205相接触。由于金属片7204和7205的成形和维度，这意味着，仅将输入信号71提供到输出连接器7203a、7203b和7203c其中之一(图10b中为连接器7203a)的内部导体上，而其它两个连接器(图10b中的连接器7203b和7203c)的内部导体将被连接到输入电缆701的外部连接器，即，它们被连接到地。
同轴电缆702a、702b和702c将循环器720的输出端口连接到三通道旋转接头703的相应连接器7030a、7030b和7030c，这允许将在连接器7030a、7030b和7030c所接收的信号传送给连接到天线6a、6b(未示出)和6c的同轴电缆704a、704b(图10中未示出)和704c。
旋转接头703是包括能够相对彼此进行旋转的两个主体(7031和7032)的装置。各主体包括用于与相应电缆连接的三个端口。与两个主体7031和7032的旋转无关，使一个主体的各端口保持与另一主体的一个相应端口持续通信(例如，经由光学链路或滑动触点)。
旋转接头本身是已知的，并且由例如SpinnerGmbH等若干制造商在市场上销售。
在图10的实施例中，旋转接头703按照使得主体7032保持固定而主体7031随毂和主轴进行旋转的方式安装在主轴33上；因此，发电机30、高速转子轴31和变速箱32为了清楚起见而没有示出。
在另一个实施例中，显然，旋转接头能够被安装在高速转子轴31上或者被安装在机械地连接到转子毂4的任何其它轴上。
图11示出使用风力涡轮机1来放射电磁波的第二方法的流程图；具体来说，图11的方法允许在叶片正旋转的风力条件的情况下放射具有圆形极化的电磁波(例如，无线电信号)。
该方法在步骤1101开始于决定传送具有圆形极化的无线电信号；然后(步骤1102)将待传送的信号(例如，图3的传输信号71)施加到包含在风力涡轮机叶片之一中的天线(例如，天线6c)上。其余天线被连接到参考电位。
优选地，按照图11的方法，天线连接在时间上是稳定的。
当叶片正旋转时，该方法允许放射具有圆形极化的电磁波，这是因为波极化向量随叶片旋转而旋转。
在步骤1103，当决定终止通过风力涡轮机1来传送圆形极化电磁波时，该方法结束。
图12示出使用风力涡轮机1在叶片不旋转时放射具有椭圆或圆形极化的电磁波的第三方法。
在这个实施例中，该方法在步骤1201开始于决定传送具有圆形或椭圆极化的无线电信号。在步骤1202，计数器N被设置为零，然后(步骤1203)将待传送的信号(例如，图3中的传输信号71)施加到包含在风力涡轮机叶片之一中的天线上，而其余天线被连接到参考电位。该步骤在图13a中示出，其中包括天线6a的叶片为黑色以指示将信号提供给该天线，而包括天线6b和6c的叶片为白色以指示它们被连接到参考电位。
在将信号施加到第一天线(图13a中的6a)时，启动定时器，以便计算将信号施加到该天线上的时间(步骤1204)。
在步骤1204，当经过由定时器所计算的预定时间时，计数器N增加一个单位(步骤1205)；如果(步骤1206)N这时等于风力涡轮机的天线的数量(在图13a-13c的实施例中为3个)，则该方法提供检查是否终止信号传输，在肯定的情况下，该方法结束(步骤1208)，否则该方法回到步骤1202，将N设置为零，并且存在该方法的另一次迭代。
在步骤1206中N不等于风力涡轮机的最大数量的情况下，该方法回到步骤1203，并且以顺时针方向将信号施加到下一相邻天线；显然，以逆时针方向将待放射信号施加到天线是可能的。
参照图13a-13c，当N从0增加到1时，将待传送的信号沿顺时针方向施加到与天线6a相邻的天线6c(图13b中为黑色)上。当N从1增加到2时，将信号施加到天线6b(图13c中为黑色)，以及最后，当N被设置为0时，再次将信号施加到天线6a(图13a)。
以上公开表明，本发明满足预计目的，以及具体来说克服现有技术的一些缺点。
所描述的方法和系统准许经由普通风力涡轮机结构来生成能量并且传送电磁波。
按照本发明的风力涡轮机和方法容许被认为落入所附权利要求书所限定的发明概念之内的多种变更和变型。在不背离本发明的范围的情况下，所有细节能够由其它技术等效部件来替代。
虽然特别参照附图来描述风力涡轮机和方法，但是本公开和权利要求书中使用引用的标号仅为了使本发明可更好地理解，而并不意图以任何方式来限制要求保护的范围。

Claims (13)

1.一种风力涡轮机，包括：
-多个叶片(5a，5b，5c)，以及
-用于将所述多个叶片(5a，5b，5c)的移动转换为电能的部件；
其中，所述多个叶片(5a，5b，5c)的各叶片包含对应的天线(6a，6b，6c)，并且所述风力涡轮机还包括用于向至少一个天线(6a)馈送待放射的信号(71)的发射器电路(70)，以及还包括连接在所述发射器电路(70)与包含在所述多个叶片(5a，5b，5c)中的所述天线(6a，6b，6c)之间的开关单元(72)，所述开关单元(72)适合于将所述天线(6a，6b，6c)中的一个或多个天线动态地连接到所述发射器电路(70)，
所述风力涡轮机的特征在于
所述开关单元(72)适合于将所述多个天线中没有连接到所述发射器电路(70)的所述天线(6a，6b，6c)连接到参考电位(73)。
2.如权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述开关单元(72)是信号循环器(720)。
3.如权利要求1至2中的任一项所述的风力涡轮机，其中，所述多个叶片(5a，5b，5c)被机械地连接到转子毂(4)，其中，所述转子毂(4)被机械地连接到旋转接头(703)，所述旋转接头(703)至少包括输入和输出端口，并且适合于允许输入与输出端口之间的持续通信，所述输入端口被连接到所述开关单元(72)并且所述输出端口被操作地连接到天线。
4.如权利要求1至2中的任一项所述的风力涡轮机，还包括用于接收来自所述风力涡轮机外部的输入信号的接收器设备(8)，所述接收器设备(8)被操作地连接到所述发射器电路(70)，以使得所述待放射的信号取决于所述输入信号。
5.如权利要求1至2中的任一项所述的风力涡轮机，还包括用于检测叶片是否处于预定位置中的至少一个传感器。
6.一种用于向接收设备传送无线电信号的方法，所述方法包括通过至少一个天线(6)来传送无线电信号的步骤，所述方法的特征在于，所述天线被包含在如权利要求1至5中的任一项所述的风力涡轮机中，其中，所述风力涡轮机包括多个天线(6a，6b，6c)，并且所述方法包括将没有被馈送所述待放射的信号的所有天线连接到参考电位(73)的步骤。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述风力涡轮机包括多个移动的叶片(5a，5b，5c)，并且所述方法还包括下列步骤：
-生成待放射的信号(801)，
-检测预定空间区域中的叶片(802)，
-向包含在所检测的叶片中的天线馈送(803)所述待放射的信号。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述多个叶片(5a，5b，5c)的各叶片包含天线(6a，6b，6c)，其中所述叶片(5a，5b，5c)被均匀地分布在圆形转子毂(4)周围，并且所述空间区域是由中心在所述转子毂(4)的中心处并且在通过两个相邻天线的圆周半径之间延伸的圆周的弧段所限定的扇区的范围。
9.如权利要求6所述的方法，其中，所述风力涡轮机包括多个叶片(5a，5b，5c)，其中所述多个叶片(5a，5b，5c)的各叶片包含天线(6a，6b，6c)，并且所述方法还包括下列步骤：
-使所述多个叶片保持静止，
-生成待放射的信号，
-向包含在所述多个叶片的第一叶片中的第一天线馈送所述待放射的信号(1203)持续预定时间，
-在经过所述预定时间(1204)之后，向与所述第一天线相邻的第二天线馈送所述待放射的信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中，将所述待放射的信号施加到所述第二天线持续相同的预定时期，并且在经过所述预定时间之后，将所述待放射的信号施加到相邻天线。
11.一种用于传送无线电信号的方法，其中，如权利要求1至5中的任一项所述的至少两个风力涡轮机按照如权利要求6至10中的任一项所述的方法来传送对应的无线电信号，以及所述风力涡轮机传送具有不同极化的信号。
12.一种包括如权利要求1至5中的任一项所述的多个风力涡轮机的风力场，其中，所述风力涡轮机被适当地间隔开并且配备有发射器电路，所述风力涡轮机的所述发射器电路适合以同步方式来传送具有不同或相同极化的相同信号，以使得实现用于空间复用的多输入多输出配置。
13.一种包括如权利要求1至5中的任一项所述的风力涡轮机的电信网络，其中，所述风力涡轮机被配置为所述电信网络的转发器，所述风力涡轮机包括适合于接收来自外部装置的信号的接收器设备，以使得处理所接收信号，以便获得待经由所述发射器电路以及包含在所述叶片中的所述天线传送的信号。
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