CN103946539B - 水平轴线风力涡轮机及辅助风轮 - Google Patents

水平轴线风力涡轮机及辅助风轮 Download PDF

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Abstract

公开了用于将风能转换成电能的风力涡轮机（1），包括：‑舱（2），包括头部（11）和尾部（12）；‑主风轮（3），相对于舱（2）能绕着主旋转轴线（A1）枢转并包括叶片（4）的主叶片组、用于使所述叶片（4）从舱（2）的头部（11）伸出的紧固毂（5）和适于通过主风轮（3）转动的轴；‑至少一个主发电机，包括与舱（2）成一体的至少一个主电定子和与所述轴成一体或操作地连接至所述轴的主电转子，主发电机适于将由所述叶片（4）的所述主叶片组拦截的风能转换成电能。风力涡轮机（1）还包括能枢转地铰接至尾部（12）的辅助风轮（15）并且辅助风轮包括能绕着垂直于主旋转轴线（A1）的辅助旋转轴线（A2）枢转的辅助叶片组（25）。

Description

水平轴线风力涡轮机及辅助风轮
技术领域
本说明涉及电能生产的技术领域并且其特别地涉及具有水平轴线的风力涡轮机。
背景技术
可再生能源越来越广泛地应用于电能生产。在可再生能源的领域中，当前对风能转换成电能特别地感兴趣。这种转换借助于能够将风的动能转变成准备进入电网的电能的合适的机电设备(称为风力涡轮机)而发生。可以将风力涡轮机区分为两种不同类型，具体为具有竖直轴线的风力涡轮机和具有水平轴线的风力涡轮机。
当前具有水平轴线的风力涡轮机比具有竖直轴线的风力涡轮机更普遍，总体上包括竖直支撑结构、可枢转地铰接至竖直支撑结构的顶部的可定向的舱(shuttle)、包括一组固定至毂的叶片的风轮(wind rotor，风力转子)、连接至毂的转轴和容纳在舱内部并且适于将轴的旋转机械能转换成电能的交流发电机。风轮通过由叶片组拦截的风的影响使得其绕着大体上水平的轴线(或者相对于精确地水平的轴线略微倾斜)旋转，以使转轴处于旋转中。
在电能的生产中，对于具有水平轴线的风力涡轮机而言，总体上具有分别与风速关联的两个运转阈值，即最小值和最大值。实际上，在最小风速以下，例如如果这种风速在3米/秒以下，则风轮保持静止或保持不动，并且在这种条件下风力涡轮机不传送电能。此外，如果风速超过最大阈值，例如其在25米/秒之上，为了安全原因并避免破坏风力涡轮机，可预见性地强制地锁住风轮。在这种情况下也不传送电能。因此，根据风速的变化(总体上非常地多变)，在电能的生产方面，风力涡轮机具有总体上间歇性的运转。另一方面，总体上布置在竖直支撑件的基座处的风力涡轮机的电子管理系统通常总是保持电力供应并处于运转状态中，并且因此如果因为风速处于前述的最小和最大阈值的范围之外而使得风轮不动，则可预见性地从网络汲取电能而不供应电能。风轮的启动运转总体上也涉及从电网汲取能量。
上述间歇性的运转表现出具有水平轴线的风力涡轮机的可能的最大缺点。
发明内容
本说明的目的是提供一种风力涡轮机，使得至少部分地避免关于现有技术的涡轮机的上述缺点。
通过根据本发明的风力涡轮机可实现该目的。
附图说明
通过下面参考附图以实例的方式给出且因此决非限制性的具体实施方式的详细说明会使本发明变得更清楚，附图中：
-图1示出了包括舱、主风轮和辅助风轮的具有水平轴线的风力涡轮机的实施方式的侧视图；
-图2示出了图1的涡轮机的舱和辅助风轮的侧视图；
-图3示出了图1的涡轮机的舱和辅助风轮从上方观察的平面视图；
-图4示出了图1的涡轮机的舱和辅助风轮的透视图。
在图中，相同或相似的元件用相同的参考标号来表示。
具体实施方式
参考附图，示出了具有水平轴线的风力涡轮机的非限定性的实施方式，整体上以标号1表示。
根据一实施方式，在不为该原因引入任何限制的情况下，风力涡轮机1是所谓的小型(迷你型)风力涡轮机，因为其能够产生200千瓦以下的电力，例如等于大约50至60千瓦。
风力涡轮机1包括例如由钢制成的支撑塔30，该支撑塔在示例中表示为固定至钢结构支座32并且通过多个缆线31固定至其。支座32例如适于被掩埋以便其上表面与地面齐平。
风力涡轮机1还包括舱2，舱包括头部11和尾部12。舱2固定至支撑塔30的顶部并且例如可枢转地铰接至支撑塔的顶部，使得其能够以可控的方式定向，例如通过在图中未示出的伺服马达。根据优选的实施方式，舱2包括下部基部20和固定至下部基部20的例如类似圆顶形的上部外壳22。在上部外壳22和下部基部20之间限定有适于容纳风力涡轮机1的一些机械部件、电气部件和机电部件的容纳空间。
风力涡轮机1包括能相对于舱2绕着主旋转轴线A1枢转的主风轮3并且主风轮包括主叶片组4、从舱2的头部11伸出的用于所述叶片4的紧固毂5和在图中未示出的可操作地连接至毂5并适于由主风轮3可旋转地移动的轴。
根据一实施方式，主叶片组4只有两个叶片4。
主旋转轴线A1是水平轴线。这意味着这种轴线A1可以是精确地水平的，或者像该实例中表现的一样，相对于精确地水平的轴线略微倾斜，例如倾斜大约5度。
风力涡轮机1还包括至少一个主发电机，主发电机包括至少一个与舱2成一体的主电定子和与轴成为一体或能操作地连接至轴的主电转子。因为前述部件容纳在舱2内部，所以其在附图中不可见。
主发电机使得通过主叶片组4拦截的风能转换成电能，并且特别地转换成交流电电能。
根据一实施方式，主发电机是能够产生大约50千瓦单位额定功率的永磁同步发电机。
根据另一实施方式，主发电机包括两个对齐布置的发电机，例如每个发电机均能够产生大约27千瓦的单位额定功率。
风力涡轮机1还包括电箱35，电箱包括用于将风力涡轮机连接至电网AC/DC/AC转换器，由主发电机产生的电能被插入电网。为了最大化/优化电能的生产，也可选地从这种电网汲取风力涡轮机1的运转所必需的电能，以例如将电力供应至电箱35，以便对包含在风里涡轮机中的致动器供电，例如，可预见为可控地定向舱2的致动器。
AC/DC/AC转换器是例如背靠背构造的静态转换器并且其使得由主风力涡轮机供应的交流电能可与由电网施加的特性相兼容。可以可选地将风力涡轮机1的控制电力设备容纳在电箱35中，其旨在管理/控制风力涡轮机1本身的运转并且可选地远程收集并传输风力涡轮机1的状态信息。在本身已知的方式中，电箱25经由通过支撑塔30的缆线操作地连接至舱2。
风力涡轮机1还包括枢转地铰接至尾部12的辅助风轮15并且辅助风轮包括可绕着垂直于主旋转轴线A1的辅助旋转轴线A2枢转的辅助叶片组25。根据一优选的实施方式，相对于用于安装风力涡轮机1的表面所在的水平，辅助轴线A2布置在相对于主轴线A1更高之处。根据另一实施方式，如在图1至3中清楚地所示，辅助旋转轴A2是水平轴线。
在示出的该具体实例中，在不为该原因引入任何限制的前提下，辅助风轮包括十个叶片25构成的叶片组。根据一实施方式，这种叶片25在一侧是凹面且在相对一侧是凸面并且基本上是勺形。在图中示出的该具体实例中，辅助叶片组的叶片25在平面中具有的形状基本上类似于水滴或花瓣的形状。前述的叶片25从其稳定地固定至的圆柱形中心毂27中伸出。
根据一实施方式，舱2的尾部12包括具有两个支撑臂16的叉状构件6。例如，叉状构件6固定至舱2的下部基部20。辅助风轮15且具体地其圆柱形中心毂27可枢转地铰接至叉状构件6并固定至所述支撑臂16之间。根据有利的实施方式，叉状构件6的每个支撑臂16均是弯曲的使得其具有弯头26，其预见性地相对于舱2偏离辅助风轮25的中心。例如，这种弯头使得使每个臂26以大约等于30度的角α弯曲。
根据另一实施方式，辅助风轮15包括例如包含在圆柱形中心毂27种并且在图中不可见的辅助电转子。风力涡轮机1包括辅助发电机，辅助发电机包括前述的辅助电转子并包括与舱2的尾部12成一体并且在图中不可见的辅助电定子。辅助电定子在前述的辅助电转子的相对内部，因此布置在圆柱形中心毂27的内部，并且其适于与圆柱形中心毂共同作用以将由辅助风轮15拦截的风能转换成电能。例如，辅助发电机是永磁发电机。根据一实施方式，这种辅助发电机能够供应大约为1千瓦额定功率的电能。
根据一实施方式，辅助发电机例如通过电箱35本身连接至电网。在这种情况下，包括在电箱35中的AC/DC/AC转换器具有适于接收由主风轮3的旋转并因此由主发电机产生的交流电能的第一入口，并且其具有适于接收由辅助风轮15的旋转并因此由辅助发电机产生的交流电能的辅助入口。
参考图1，根据一实施方式，舱2是可定向的并且当其定向成使得主轴线A1沿着风的主导风向(prevailing direction，盛行风向)W定向时，辅助轴线A2相对于舱2布置在这样的高度处，使得舱以相对于辅助轴线A2非对称的方式部分地遮挡辅助风轮15使其不受风影响。例如，如在附图中所示，可以预见辅助风轮15布置在这样的高度处，使得所述辅助风轮15的一半或大约一半在舱2上方，或者更恰当地说在舱2的上部外壳22上方，向上伸出。
在运转中，系统在控制电力设备的监督下运转，使得主风轮3如同在现有技术状况的风力涡轮机中那样仅在风的特性满足预定条件尤其是上述最小和最大运转阈值条件时才能够旋转。也称为尾轮的辅助风轮15(另一方面，相对于主风轮3具有较小质量并涉及较少安全问题)能够被制成为独立于风的特性而旋转，这决定了至少平衡或部分地补偿从电网中汲取的用于风力涡轮机1自身运转的电能的连续生产，例如特别地关于舱2的定向所需的能量或使主风轮3的叶片5运动所需的起动能量等等。此外，有利地，尾轮15使具有在任何情况下即使当主风轮3静止时风力涡轮机1都总是工作和运转的效果成为可能，并且这无疑有助于改善社会关于这种类型的机器的观点，有时，被批评恰恰是因为它们是一成不变的并且在外观和适合风景方面具有消极的影响。
从所进行的说明可以理解上述类型的风力涡轮机如何实现预定的目的并因此能够克服或至少最小化关于现有技术的风力涡轮机的上述缺点。
当然，本领域技术人员可以对上述风力涡轮机做出各种修改和变化，以便满足因情况而异的和特定的要求，所有这些修改和变化在任何情况下都被本发明的如通过权利要求所限定的保护范围覆盖。

Claims (9)

1.用于将风能转换成电能的风力涡轮机(1)，包括：
-舱(2)，所述舱包括头部(11)和尾部(12)；
-主风轮(3)，所述主风轮能相对于所述舱(2)绕着主旋转轴线(A1)枢转并且包括叶片(4)的主叶片组、用于使所述叶片(4)从所述舱(2)的所述头部(11)伸出的紧固毂(5)以及适于通过所述主风轮(3)能旋转地移动的轴；
-至少一个主发电机，所述主发电机包括稳固地固定至所述舱(2)的至少一个主电定子和稳固地固定至所述轴或操作地连接至所述轴的主电转子，所述主发电机适于将由所述叶片(4)的所述主叶片组拦截的风能转换成电能；
其特征在于
所述风力涡轮机(1)进一步包括能枢转地铰接至所述尾部(12)的辅助风轮(15)并且所述辅助风轮包括能绕着垂直于所述主旋转轴线(A1)的辅助旋转轴线(A2)枢转的辅助叶片(25)的辅助叶片组；
所述尾部(12)包括具有两个支撑臂(16)的叉状构件(6)，并且其中，所述辅助风轮(15)能旋转地铰接至所述叉状构件(6)且紧固于所述支撑臂(16)之间；
每个所述支撑臂(16)均是弯曲的以具有弯头(26)。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述辅助风轮(15)包括辅助电转子，并且其中，所述风力涡轮机(1)包括辅助发电机，所述辅助发电机包括所述辅助电转子并包括稳固地固定至所述尾部(12)且相对于所述辅助电转子相对地位于内部的辅助电定子，并且所述辅助电定子适应于与所述辅助电转子共同作用以将由所述辅助风轮(15)拦截的风能转换成电能。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机(1)，其中，所述辅助发电机是永磁发电机。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述风力涡轮机(1)适于被连接至电网，并且其中，所述风力涡轮机(1)进一步包括适于使由所述主发电机供应的交流电能与由所述电网施加的规格相兼容的AC/DC/AC转换器(35)，所述AC/DC/AC转换器包括适于接收由所述主风轮(3)的旋转产生的交流电能的第一入口和适于接收由所述辅助风轮(15)的旋转产生的交流电能的辅助入口。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述舱(2)能够被定向，并且其中，当所述舱被定向成使得所述主旋转轴线(A1)沿着风的主导风向被定向时，所述辅助旋转轴线(A2)相对于所述舱布置在这样的高度处，该高度使得所述舱能够以相对于所述辅助旋转轴线(A2)不对称的方式部分地遮挡所述辅助风轮(15)使其不受风影响。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，相对于用于安装所述风力涡轮机(1)的表面的高度，所述辅助旋转轴线(A2)布置在高于所述主旋转轴线(A1)的高度处。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮机(1)，其中，所述舱(2)包括下部基部(20)和固定至所述下部基部(20)的上部外壳(22)，其中，所述辅助风轮(15)布置在这样的高度处，该高度使得所述辅助风轮(15)的大约一半在所述上部外壳(22)上方在高度上伸出。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(1)，其中，所述叉状构件(6)紧固至所述下部基部(20)。
9.根据前述权利要求1至8中的任何一项所述的风力涡轮机(1)，其中，所述辅助旋转轴线(A2)是水平轴线。
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