TW202146758A - 可在逆向操作模式操作的風力渦輪機及操作風力渦輪機的對應方法 - Google Patents

可在逆向操作模式操作的風力渦輪機及操作風力渦輪機的對應方法 Download PDF

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Abstract

敘述一種風力渦輪機(100)。風力渦輪機(100)包含風力轉子(101)及機械地耦接至風力轉子(101)的發電機(108)。風力渦輪機(100)構造成以第一操作模式及第二操作模式操作，其中，在第二操作模式中，與第一操作模式相比，風力轉子(101)相對風向(104)於相反方向中定向。風力渦輪機(101)之發電機(108)構造成在第一操作模式及第二操作模式兩者中產生電力。再者，敘述一種操作風力渦輪機(100)的對應方法。

Description

可在逆向操作模式操作的風力渦輪機及操作風力渦輪機的對應方法
本發明有關風力渦輪機的技術領域。
水平軸風力渦輪機必需定向其轉子平面，以便有效地由風中擷取能量。「逆風」風力渦輪機具有轉子平面，此轉子平面通常在操作期間於進風(incoming wind)之方向中定向在塔架的前方。
於沒有電網(grid)供應至風力渦輪機的時間段期間，其係可能使用能量儲存系統來繼續操作風力渦輪機。這具有許多好處，包括允許渦輪機維護其通訊系統，維護其內部環境，為維護設備及安全燈和信標提供電力，及在極端天氣之情況下控制其定向。於藉由操作渦輪機(亦即，使用空氣動力學的轉子由風中擷取能量)無接通電網(off-grid)之同時，可維持能量儲存系統的能量含量。
然而，當藉由能量儲存系統供應用於風力渦輪機之電力時，可出現諸多問題。根據第一個問題，可能在諸多時間段內因風太小而無法操作風力渦輪機。於此時間段期間，能量儲存系統的能量含量可能耗盡，且某些系統可能無法操作。例如，可能無法進行使轉子與進風對準之風力渦輪機的偏轉。當風回復並足以操作時，如果風向已改變，則能量儲存系統可能沒有足夠的能量含量來使風力渦輪機偏轉回至逆風定向。這可能導致能量儲存系統變得完全耗盡，並需要維護人員進行檢查。
根據第二個問題，在例如颶風或颱風之極端風力事件期間，有目的地使風力渦輪機的轉子平面定向為「順風」可為有利的。這可做成以減小風力渦輪機上之結構負荷及/或使渦輪機處於具有較大靜態穩定性的構造中。如果風力渦輪機在離網時處於順風狀態，則當在此構造中時將未能維持其能量儲存系統之充電狀態。這將限制風力渦輪機能夠維持此順風定向並有效地針對風向中的變化而調整定向之時間量。
按照慣例，為了解決如上所述的技術問題，能量儲存系統設計為具有足夠大之儲存容量。為了確保考慮到最壞的情況，此儲存容量可需要非常大，藉此佔用風力渦輪機內之額外空間並增加重量及成本。
因此，可需要能夠進行有效能量管理的風力渦輪機及操作風力渦輪機之方法。
根據獨立請求項的主題可滿足此需求。藉由附屬請求項敘述本發明之有利實施例。
根據本發明的第一態樣，風力渦輪機包含風力轉子及機械地耦接至風力轉子之發電機。風力渦輪機構造成以第一操作模式及第二操作模式操作。在第二操作模式中，與第一操作模式相比，風力轉子相對風向於相反方向中定向。風力渦輪機之發電機構造成在第一操作模式及第二操作模式兩者中產生電力。
根據本發明的另一態樣，操作風力渦輪機之方法包含以第二操作模式操作風力渦輪機及以第一操作模式操作風力渦輪機。於第二操作模式中，與第一操作模式相比，風力轉子相對風向於相反方向中定向。風力渦輪機的發電機構造成在第一操作模式及第二操作模式兩者中產生電力，此發電機係機械地耦接至風力轉子。
於本申請案之上下文中，「風力渦輪機」係構造成將風能轉換為電能的任何裝置，尤其是用於分配至電網及/或用於局部能源。風力渦輪機可包含塔架、風力轉子、機艙、軸桿(尤其是低速軸桿及/或高速軸桿)、齒輪箱、發電機、制動組件、旋翼驅動器及/或偏轉驅動器。風力轉子可為轉子組件，並可包含一個以上的葉片及葉片附接至其上之中央轂部。風力轉子可更包含將轉子轂部與葉片連接的螺距軸承。利用此螺距軸承，葉片之定向能為可調整的、尤其是葉片之攻角。
發電機可為包含一個以上的發電機裝置之發電機組件，此發電機可構造成將風力轉子的旋轉動能轉換為電能。可為每一種操作模式提供不同之發電機裝置，或可將相同的發電機裝置使用於二種操作模式。發電機可為位於風力渦輪機之機艙中。其可藉著一個以上的軸桿及可選的變速箱來與風力轉子機械地耦接。風力渦輪機可為不需要齒輪箱之直接驅動風力渦輪機。風力渦輪機可為逆風風力渦輪機，其在空氣動力學上構造成用於主要在轉子的逆風定向中產生能量。其亦可為順風渦輪機，其在空氣動力學上構造成主要於轉子之順風方向中產生能量。
風力渦輪機的「操作」可意指風力渦輪機將動力風能轉換成電能之狀態或狀態序列。風力渦輪機的「操作模式」可藉由風力渦輪機之內部參數及/或外部參數來決定。內部參數能表徵風力渦輪機的狀態，反之外部參數可表徵風力渦輪機的環境之狀態及/或風力渦輪機之狀態與環境的狀態之間的關係。風力渦輪機之操作模式可為藉由風力渦輪機的旋轉方向、風方向、風力渦輪機之偏轉角、及風力渦輪機的葉片之俯仰角的至少一者所決定。在與第二操作模式相反之第一操作模式中，風力渦輪機、尤其是風力轉子可為空氣動力學地最佳化發電。第一操作模式可為正常操作模式，第二操作模式可為安全或恢復操作模式。
「風向」可界定為在風力渦輪機的轉子處或附近之風向、尤其是由風力渦輪機的轉子向逆風。風向可界定為在與風力渦輪機相距預定距離、尤其是於一定距離處的進風方向，在此距離處，風力渦輪機之轉子及/或其他零件不會顯著地影響進風方向。風向可界定為於風力轉子的葉片處之組合的進入風及誘發風(induced wind)之方向，其中誘發風可為在轉子的葉片處藉由風力渦輪機之轉子及/或其他零件所誘發的風。所誘發之風可為除了自由的不受干擾之氣流以外的風分量。
風向可為平均風向。可在風力渦輪機附近之複數位置上對它進行平均。替代地或附加地，其可在給定的時間段內進行平均。風向可於藉由風力渦輪機之塔架及/或固定風力渦輪機的地面所決定之參考系統中界定。風向可為藉由風力渦輪機的風速計、尤其是安裝至風力渦輪機之機艙或塔架的風速計所測量之風向。
風力轉子的「相對風向之定向」可意指轉子平面相對風向的定向。其可意指轉子平面之表面法線相對風向的定向。轉子平面之表面法線界定為指向朝風力渦輪機、尤其是朝風力渦輪機的塔架及/或機艙之表面法線。可在藉由風力渦輪機的塔架及/或固定風力渦輪機之地面所給與的參考系統中界定表面法線。風力轉子之定向可與風力渦輪機的偏轉角相關，此偏轉角可對應於機艙與塔架之間的角度。
如果風力轉子在一操作模式中逆風定向而於另一操作模式中順風定向，則可在二操作模式中實現「於相反風向中之定向」。如果且僅如果風向及轉子平面的表面法線之純量積為正時，才可將風力轉子界定為「逆風」定向。如果且僅如果風向及轉子平面的表面法線之純量積為負時，才可將風力轉子界定為「順風」定向。在逆風定向中，風力渦輪機的轉子可相對於塔架逆風地定位。在順風定向中，風力渦輪機之轉子可相對於塔架順風地定位。
如果且僅如果風向與表面法線之間的角度小於90°、尤其是小於30°、尤其是小於8°時，才可實現逆風定向。同樣地，如果且僅如果風向與表面法線之間的角度大於90°、尤其是大於150°、尤其是大於172°時，才可實現順風定向。順風及逆風定向之角度範圍可相對應，但不必需相對應。為了有效發電，由於葉片的空氣動力學特性及/或為了避免大結構負載，可能需要高達30°或大於150°之角度、尤其是高達8°或大於172°的角度。但是原則上對於風力轉子之任何定向都可能進行發電，而可能不包括90°的完全垂直定向。
相對風向之相反方向中的定向能以如下方式界定。在第二操作模式中，與第一操作模式相比，如果且僅如果於第一操作模式中，轉子平面的表面法線與風向之間的角度小於90°、尤其是小於30°、尤其是小於8°，而在第二操作模式中，轉子平面的表面法線與風向之間的角度大於90°、尤其是大於150°、尤其是大於172°，則風力轉子可相對風向定向在相反方向中。
替代地，能以下面方式界定相對風向之相反方向中的定向。於第二操作模式中，與第一操作模式相比，如果且僅如果於第一操作模式中，風力渦輪機葉片之攻角小於180°，而在第二操作模式中，風力渦輪機葉片的攻角大於180°，則風力轉子可相對風向定向在相反方向中。
進一步替代地，能以下面方式界定相對風向之相反方向中的定向。於第二操作模式中，與第一操作模式相比，如果且僅如果於第二操作模式中，風力造成風力轉子與第一操作模式相比在相反方向中轉動，則風力轉子可相對風向定向於相反方向中。風力轉子之旋轉方向可相對於藉由風力渦輪機的機艙及/或發電機所決定之參考系統來界定。
發電機「構造成產生電力」的特徵可僅需要發電機之轉子相對於發電機的定子旋轉。其可進一步需要在發電機之輸出處提供電能。其可能需要於輸出處以可饋入電網及/或供應至輔助能源的形式提供電能。為此目的，藉由發電機所產生之電能可例如藉由電力電子設備來調節。
如上所述的風力渦輪機及操作風力渦輪機之方法可為有利的，因為與常規之水平軸風力渦輪機對比，即使風力渦輪機相對於風未對準，此水平軸風力渦輪機能保持可操作的。例如，逆風向風力渦輪機可朝順風定向且仍然能夠產生一些能量，或順風向風力渦輪機可朝逆風定向且仍然能夠產生一些能量。通常，除了轉子平面係可能大約平行於風向以外，上述風力渦輪機可為能夠相對於風向在任何定向中產生能量。
於未對準定向中所產生之電力可使用於為輔助能源充電，而與常規風力渦輪機相比，較小容量可為足夠的。即使風力渦輪機係由電網斷開連接，所產生之電力可為使用於維持風力渦輪機的基本功能性，例如維持通訊系統、維護內部環境、為維持設備供電，向安全燈及/或信標供電、和控制風力渦輪機之定向、尤其是偏轉定向。這在不利的天氣條件下尤其有用，例如，如果風速對於風力渦輪機之正常操作而言太高或太低。在由於技術問題、例如系統故障，或由於使用者命令而中止風力渦輪機的正常操作之情況下，這可為更有用的。
根據本發明之實施例，在第二操作模式中，發電機產生用於輔助電源的電力，尤其是僅用於輔助電源之電力，而不是用於電網的電力。「輔助電源」可為位於風力渦輪機內或附近之電源。輔助電源可為能量儲存系統。其可包含電池、尤其是可充電電池、或氫燃料電池。電池可使用在第一操作模式及/或第二操作模式中所產生的電力再充電。類似地，可使用於第一操作模式及/或第二操作模式中所產生之電力經過水解來補充使用於燃料電池的氫之儲存。在第二操作模式中，發電機可僅在某些時間段期間或始終產生用於輔助電源的電力。
此實施例可為有利的，因為輔助電源可使用於保存風力渦輪機之基本功能性，尤其是當風力渦輪機係由電網斷開連接時。藉由輔助電源所供應的電力可例如使用於維持風力渦輪機之通訊系統，維護內部環境，例如，操作除濕機，以向維護設備供電、向安全燈及/或信標供電，及/或控制風力渦輪機的定向。
根據本發明之另一實施例，輔助電源、尤其是與輔助電源連接的電線結合，構造成提供用於調整風力渦輪機之葉片的俯仰角及調整偏轉角之至少一者的電力。可調整此葉片之俯仰角，以便控制風力轉子的角速度、作用在風力轉子上之扭矩、及藉由發電機所產生的電力之至少一項。
此實施例可為有利的，因為其可允許相對於風向來定向風力渦輪機、尤其是風力渦輪機之轉子及/或葉片。定向此風力渦輪機可允許以第一操作模式及/或以第二操作模式來操作風力渦輪機。定向此風力渦輪機可允許藉由發電機在第一操作模式及/或第二操作模式中最佳化發電。因此，風力渦輪機可為能夠於第一操作模式及/或第二操作模式中維持輔助電源之足夠的能量含量。
根據本發明之另一實施例，在第一操作模式中，發電機產生用於電網的電力。電網可為輸電網或電力網。其可為用於將來自風力渦輪機的電力及其他能源輸送至消費者之網絡。其可包含高電壓傳輸線路，以透過長距離分配電力。另外，發電機亦可在第一操作模式中產生用於輔助電源的電力。發電機可在第一操作模式中始終或僅於各時間段期間產生用於電網及/或輔助電源之電力。
如果第一操作模式是正常操作模式，其中可最佳化風力渦輪機用以向電網供電，且第二操作模式是恢復或安全操作模式，其中可保留風力渦輪機在不利的條件下之基本功能性，則此實施例可為有利的。
於替代實施例中，發電機構造成在第二操作模式中為電網發電。
根據本發明之另一實施例，第二操作模式是逆向操作模式，其中與第一操作模式相比，風力渦輪機的風力轉子及/或與發電機耦接之軸桿於相反方向中轉動。此方向可為相對於藉由風力渦輪機的發電機及/或機艙所給與之參考系統來界定的旋轉方向。可構造齒輪箱，使得轉子在相反方向中轉動，而與發電機直接連接之軸桿在二種操作模式中於相同方向中轉動。
此實施例可為有利的，因為傳統之風力渦輪機不能以如上所述的逆向操作模式操作。為了設計可在逆向模式中操作之風力渦輪機，必需克服諸多技術偏見，例如，關於在逆向操作期間藉由發電機所產生的電力之調整或相對於傳動系統部件(例如，軸承或齒輪)上之特定應力的調整。
在替代實施例中，轉子葉片之俯仰角能為可調整的，使得於第一及第二操作模式兩者中，風力轉子及/或與發電機耦接之軸桿在相同方向中轉動。
於替代實施例中，風力轉子的葉片之攻角在第一操作模式中小於180°且於第二操作模式中大於180°。
根據本發明的另一實施例，在給定之風速、尤其是於給定的風速及葉片之給定的俯仰角之情況下，在第一操作模式中的風力轉子之扭矩比第二操作模式中的風力轉子之另一扭矩大、尤其是至少兩倍大。風力轉子、尤其是風力轉子的葉片可為於空氣動力學上設計用於如與第二操作模式相反之第一操作模式。葉片之俯仰角能為可調整的，以在二種操作模式中控制扭矩。此實施例可為有利的，因為能以具有相對較差之空氣動力學性質的操作模式來產生電力。
於替代實施例中，在給定之風速、尤其是於給定的風速及葉片之給定的俯仰角之情況下，在第一操作模式中的風力轉子之角速度比第二操作模式中的風力轉子之另一角速度大、尤其是至少兩倍大。
根據本發明的另一實施例，於給定之風速、尤其是在給定的風速及葉片之給定的俯仰角之情況下，藉由發電機在第一操作模式中所產生的電力比發電機於第二操作模式中所產生之電力大、尤其是至少兩倍大。風力轉子可為空氣動力學地設計用於如與第二操作模式相反的第一操作模式。如果第一操作模式是正常操作模式，其中主要可產生用於電網之電力，反之第二操作模式是恢復或安全操作模式，則此實施例可為有利的，其中主要可用於保留風力渦輪機之基本功能性所需的相對較少之電力。
根據本發明的另一實施例，第一操作模式是逆風操作模式，且第二操作模式是順風操作模式。逆風操作模式可以是其中風力轉子定向為逆風之操作模式。順風操作模式可以是其中風力轉子定向為順風的操作模式。如果風力渦輪機是逆風風力渦輪機，則此實施例可為有利的。逆風風力渦輪機可為有利的，因為對於順風風力渦輪機，當葉片通過支撐塔架後方時，來自風之負載會變化。負載中的此變化可對渦輪機造成損壞。
在替代實施例中，風力渦輪機是逆風風力渦輪機。
根據本發明之另一實施例，第一操作模式是順風操作模式，且第二操作模式是順風操作模式。如果風力渦輪機是順風風力渦輪機，則此實施例可為有利的。順風風力渦輪機可為有利的，因為與逆風風力渦輪機相對比，順風風力渦輪機可能不需要用於使它們與風保持一致之附加機構。而且，可允許順風風力渦輪機的葉片在大風中彎曲，從而減小掃掠面積，及因此減小風阻。
於替代實施例中，風力渦輪機是順風風力渦輪機。
根據本發明之另一實施例，操作風力渦輪機的方法更包含藉著在第二操作模式中所產生之電力來定向風力轉子。所產生的電力可為儲存於輔助能源中，且所儲存之能量可使用於定向此風力轉子。定向此風力轉子可包含調整葉片的俯仰角及調整偏轉角之至少一項。如果第二操作模式是安全或恢復操作模式，則此實施例可例如為有利的，其可能需要定向風力轉子以維持安全構造或用於恢復。即使儲存在輔助能源中之能量不足，也可能需要使風力轉子定向。
根據本發明的另一實施例，使風力轉子定向包含使風力轉子定向，使得風力渦輪機可於第一操作模式中操作。在定向之前，可將風力轉子定向，使得風力渦輪機不能於第一操作模式中操作。其可在此定向之前定向，使得風力渦輪機係可於第二操作模式中操作。在定向之前及/或期間，風力渦輪機可與電網斷開。
於不利的事件(例如風太大、風太小、系統故障及/或使用者命令)之後，如果第二操作模式是意欲使風力渦輪機返回至第一操作模式中的正常操作之恢復操作模式，此實施例可為尤其有利的。
因此，此實施例可提供對以上先前技術段落中所敘述之第一問題的特別有效之解決方案。在不可能操作逆風風力渦輪機的時間段期間，例如由於風太大、風太小、系統故障、或使用者命令，風力渦輪機控制器可停止偏轉以節省能量。如果在風力渦輪機主要定向於順風定向中時返回操作之可能性，且能量儲存系統的能量含量不足以偏轉至逆風定向並返回操作，則風力渦輪機將開始順風操作，以便恢復能量儲存系統之能量含量。當能量儲存系統的能量含量足夠高時，風力渦輪機將停止順風操作，偏轉至逆風定向，並重新開始正常之逆風操作。
根據本發明的另一實施例，使風力轉子定向包含使風力轉子定向，使得風力渦輪機在第二操作模式中保持可操作。當風向改變時，風力渦輪機可在第二操作模式中保持可操作。於不利的天氣條件之下、尤其是在大風中，風力渦輪機可在第二操作模式中保持可操作。
如果第二操作模式係意欲用於不利的條件(例如大風)之安全操作模式，則此實施例可為尤其有利的。在仍然是不利之條件時，其可允許將風力渦輪機保持於安全模式中。
因此，此實施例可對以上先前技術段落中所敘述的第二問題提供特別有效之解決方案。當脫離電網時，可將順風風力渦輪機放在順風定向中，用以減小在極端風事件(例如，颶風或颱風)期間之高結構負載的可能性之目的。為了避免輔助能源之消耗，風力渦輪機將在順風時操作，並產生足以維持輔助能源的能量含量之電力。當風速在認為是安全操作的範圍內時，此順風操作將繼續。一旦不再期望風力渦輪機處於順風定向中，則順風操作將停止，且渦輪機可偏轉至逆風定向並重新開始正常之逆風操作。
根據本發明的另一實施例，在第二操作模式中及/或於定向轉子時，風力渦輪機係由電網斷開。此實施例可為有利的，因為當來自電網之能量係不可用於風力渦輪機時，上述操作風力渦輪機的方法可為特別有用。
在替代實施例中，於第二操作模式中操作風力渦輪機包含產生用於風力渦輪機之輔助電源的電力。
在替代實施例中，於第二操作模式中，為維持通訊系統、維護內部環境(尤其是操作除濕器)、向維持設備提供電力、向安全燈及/或信標提供電力、及控制風力轉子之定向的至少一項產生電力。
已參考設備類型請求項敘述一些實施例，反之已參考方法類型請求項敘述其他實施例。然而，熟諳此技術領域者將由以上及以下敘述得出，除非按另一種方式指出，否則與方法類型請求項有關的特徵及與設備類型請求項有關之特徵的任何組合係以本文件揭示。
本發明之上面界定的態樣及其他態樣將由下文所敘述之實施例的範例變得顯而易見，並參考實施例之範例來說明。
附圖中之說明為示意性的。在不同之附圖中，相似或完全相同的元件係設有相同之參考符號。為了清楚及易於理解之故，有時候對於那些特徵省略參考符號，在先前的圖示中業已為其提供參考符號。
在參考附圖之前，將更詳細地敘述示範實施例，將基於已開發本發明的示範實施例對一些基本考量進行總結。
通常將水平軸風力渦輪機構造成用於逆風操作。風力渦輪機可有意地將其自身定向至順風定向，尤其是藉由偏轉，或由於在其停止操作時改變風向而可抵達順風定向。
當處於順風定向時，風力渦輪機將主動調整葉片旋翼定向，以便使風力渦輪機之轉子在與正常旋轉方向相反的旋轉方向中(亦即，如由風力渦輪機本身之參考坐標系觀看為逆向)旋轉。
其係可能於此構造中產生扭矩，在此風力渦輪機葉片的空氣動力學輪廓之攻角係大於180度。在給定的風速下所產生之扭矩量將為遠低於在相同風速下的正常逆風操作時之扭矩量，但仍足以產生少量電力。
轉子葉片的槳距控制係使用於調節轉子之轉速並適應風速中的變化。在改變風向之事件中，將發生渦輪機偏轉以維持轉子順風的定向。
風力渦輪機之發電機將由旋轉的轉子擷取能量。其可為顛倒所產生之電力的相序。發電機所產生之電力將藉由電力電子設備來調節，使得其可為使用於輸出給消費者、例如電網或其他方面。
在本發明的較佳實施例中，風力渦輪機配備有能量儲存系統。於風力渦輪機脫離電網時可使用此能量儲存系統，以為渦輪機提供電力，以維持其通訊系統，維護其內部環境(例如，操作除濕機)，向維護設備、安全燈及信標供電，及控制在極端天氣事件中之偏轉方向。
藉由在正常的逆風定向或順風定向中操作，風力渦輪機能夠維持能量儲存系統之能量含量。
因此，設計用於正常逆風操作的風力渦輪機亦可使用於順風操作。眾所周知的是，渦輪機可設計成用於逆風或順風操作，然而，至目前為止，設計用於在某一定向中操作之水平軸風力渦輪機僅於此一定向中操作。
其係僅當在順風定向中向後旋轉轉子時，才可能產生少量電力。這是由於當轉子向後旋轉時的空氣動力學性能非常差。然而，隨著風力渦輪機中之能量儲存系統的日益使用，為了維持這些系統的能量含量，即使產生少量電力也是有用的。
再者，於風力渦輪機中之電力電子裝置的增加使用使得能夠調節藉由風力渦輪機發電機所產生之電力。這允許風力渦輪機能夠以正確的相序向電網或能量儲存系統輸出電力，即使在與正常方向逆反之方向中操作。
最後，風力渦輪機的逆向操作可於風力渦輪機之傳動系統部件(亦即軸承、齒輪等)上產生應力。然而，如果藉由發電機從轉子擷取的扭矩量非常低(例如，設計用於多兆瓦電力之渦輪機的電力為10至100千瓦)，則這可避免，且因此對傳動系統部件之影響可忽略不計。
如與在順風定向中操作「正常順風」渦輪機相反，可應用相同的解決方案以允許於逆風定向中操作「正常順風」渦輪機。例如在類似於上面之先前技術段落中所敘述的第一問題之案例中，這對於此渦輪機將為有益的。
圖1顯示根據本發明之示範實施例的風力渦輪機100。風力渦輪機100包含具有葉片之風力轉子101，葉片在轉子平面105內於旋轉方向107中轉動。轉子平面105的表面法線106由風力轉子101指向風力渦輪機100之機艙106。風力渦輪機100構造成在第一操作模式及第二操作模式中操作。於此案例中，第一操作模式是逆風操作模式，其中轉子配置在風力渦輪機100的塔架103之逆風向，且其中表面法線106係與進風104對準並指向與風104相同之方向中。
機械地耦接至風力轉子101並可配置於機艙102中的風力渦輪機100之發電機構造成在第一操作模式及第二操作模式兩者中發電。於第二操作模式中，與第一操作模式相比，風力轉子101係在相對風向104的相反方向中定向。因此，第二操作模式可為如圖2中所示之順風操作模式。
圖2顯示於第二操作模式中操作的圖1之風力渦輪機。在此案例中，第二操作模式是順風操作模式，其中轉子配置成在風力渦輪機100的塔架103之順風向，且其中表面法線106係與進風104對準並指向與風104相反之方向中。與圖1中所描述的逆風操作模式相比，於順風操作模式中，相對於藉由機艙102及定位在機艙102中之發電機108所決定的參考坐標系，轉子平面105中之旋轉方向107係相反的。
圖3顯示轉子葉片輪廓306於逆風操作模式中之空氣動力學性能。x1 軸線係在表面法線106的方向中垂直於轉子平面105定向，且x2 係沿著轉子平面105定向。V1 代表進來及誘發風速104之組合速度，且V2 係葉片輪廓經過風場的線速度。因此，Ve 係相對轉子平面以角度φ(phi)作用之合成相對風速。
β(beta)代表轉子葉片306的俯仰角，而κ(kappa)代表葉片306在輪廓截面位置處之「預扭轉」。α(alpha)係葉片輪廓306相對此相對風向的攻角。藉由風及葉片輪廓之動作所產生的合力pL 及pD 分別為升力及曳力。
於正常操作中，葉片輪廓306產生足夠之升力，使得在旋轉方向V2 中的合力為正。這產生對於發電有用之轉子扭矩。
圖4顯示在順風操作模式中的圖3之轉子葉片輪廓306的空氣動力學性能。於順風操作模式中，與在逆風操作模式中類似地可能產生及控制轉子扭矩。與圖3中所描述之逆風操作模式相比，對於類似的速度V1 ，速度V2 將遠較低，且俯仰角β將需要較大。而且，攻角α現在大於180度。
在此構造中，曳力pD 相對升力pL 將較大，但主要將在垂直於轉子平面105之方向中，反之較小的升力pL 將更與轉子平面105對準，並因此在轉子上產生少量旋轉扭矩。
最後，相對風力渦輪機之坐標軸，與逆風定向相比，旋轉方向V2 現在於順風操作定向中為相反的。為此，在此模式期間，轉子之旋轉被認為是逆向的。
轉子之轉速可根據需要藉由主動地調整俯仰角β以產生或多或少的扭矩來控制。
應當注意，「包含」一詞不排除其他元件或步驟，且冠詞「一」之使用不排除複數。而且，可結合針對不同實施例所敘述的元件。亦應當注意，請求項中之參考符號不應解釋為限制請求項的範圍。
100:風力渦輪機 101:風力轉子 102:機艙 103:塔架 104:進風 105:轉子平面 106:表面法線 107:旋轉方向 108:發電機 306:轉子葉片輪廓
圖1顯示在根據本發明的示範實施例之第一操作模式中操作的風力渦輪機。 圖2顯示於第二操作模式中操作之圖1的風力渦輪機。 圖3顯示在根據本發明之示範實施例的風力渦輪機之逆風操作模式中的轉子葉片輪廓。 圖4顯示於順風操作模式中操作之圖3的轉子葉片輪廓。
100:風力渦輪機
101:風力轉子
102:機艙
103:塔架
104:進風
105:轉子平面
106:表面法線
107:旋轉方向

Claims (14)

  1. 一種風力渦輪機(100)，包含： 風力轉子(101)；及 發電機(108)，機械地耦接至該風力轉子(101)； 其中該風力渦輪機(100)構造成以第一操作模式及第二操作模式操作； 其中，在該第二操作模式中，與該第一操作模式相比，該風力轉子(101)相對風向(104)於相反方向中定向； 其中該風力渦輪機(101)的發電機(108)構造成在該第一操作模式及該第二操作模式兩者中產生電力。
  2. 如請求項1的風力渦輪機(100)，其中，於該第二操作模式中，該發電機(108)產生用於輔助電源之電力。
  3. 如請求項2的風力渦輪機(100)，其中該輔助電源構造成為調整該風力渦輪機(100)之葉片(306)的俯仰角及調整偏轉角之至少一者提供電力。
  4. 如請求項1至3中任一項的風力渦輪機(100)，其中，在該第一操作模式中，該發電機(108)為電網產生電力。
  5. 如請求項1至4中任一項的風力渦輪機(100)，其中該第二操作模式為逆向操作模式，其中與該第一操作模式相比，該風力渦輪機(100)之風力轉子(101)及/或與該發電機(108)耦接的軸桿於相反方向(107)中轉動。
  6. 如請求項1至5中任一項的風力渦輪機(100)，其中在給定之風速下，該風力轉子(101)於該第一操作模式中的扭矩比該風力轉子(101)在該第二操作模式中的另一扭矩大、尤其是至少兩倍大。
  7. 如請求項1至6中任一項的風力渦輪機(100)，其中於給定之風速下，在該第一操作模式中藉由該發電機(108)所產生的電力比於該第二操作模式中藉由該發電機(108)所產生之電力大、尤其是至少兩倍大。
  8. 如請求項1至7中任一項的風力渦輪機(100)，其中該第一操作模式是逆風操作模式，且該第二操作模式是順風操作模式。
  9. 如請求項1至7中任一項的風力渦輪機(100)，其中該第一操作模式是順風操作模式，且該第二操作模式是逆風操作模式。
  10. 一種操作風力渦輪機(100)的方法，該方法包含： 在第二操作模式下操作該風力渦輪機(100)；及 於第一操作模式下操作該風力渦輪機(100)； 其中，在該第二操作模式中，與該第一操作模式相比，風力轉子(101)相對風向(104)於相反方向中定向； 其中機械地耦接至該風力轉子(101)之風力渦輪機(100)的發電機(108)構造成在該第一操作模式及該第二操作模式兩者中產生電力。
  11. 如請求項10的方法，更包含： 藉著在該第二操作模式中所產生之電力來使該風力轉子(101)定向。
  12. 如請求項11的方法，其中使該風力轉子(101)定向包含使該風力轉子(101)定向，使得該風力渦輪機(100)可於該第一操作模式中操作。
  13. 如請求項11或12中任一項的方法，其中使該風力轉子(101)定向包含使該風力轉子(101)定向，使得該風力渦輪機(100)在該第二操作模式中保持可操作。
  14. 如請求項10至13中任一項的方法，其中於該第二操作模式中時，該風力渦輪機(100)與電網斷開。
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