風力渦輪機的製作方法
2023-09-19 07:52:00 3
本發明涉及能量轉換系統，並且更特別地涉及為一般連續風和頻繁變向風設計的風力渦輪機系統。本發明通過增強自啟動的新的慣性裝置和新的選擇性止動裝置介紹了運動的守恆。
集中於更加生態可持續的經濟發展的能源政策的新近推動已導致從風源中提取能量。用於從大氣風中收集能量的機器分為水平軸線風力渦輪機(HAWT)和豎直軸線風力渦輪機(VAWT)。在機器不必在大氣風中(從而在水平風中)操作的一般情況下，HAWT是其中旋轉軸線平行於(parallel to)風矢量的機器(HAWT成為PAWT)，而VAWT是其軸線線與風矢量交叉(cross)的機器(VAWT成為CAWT)。
PAWT必須與風矢量相反轉動其軸線，而CAWT則內在地在包含風矢量的平面內全方向轉動。
CAWT分為拉力操作機器和升力操作機器：以Savonius命名的拉力型驅動裝置通常在TSR～1下工作，而以Darrieus命名的升力型驅動裝置在TSR＞＞1下工作。TSR被定義為葉片末梢的切向速度和實際風速之比。已知功率是扭矩和轉速的乘積，結果就是Darrieus型機器比Savonius型機器更有效率，但是在另一方面，升力型驅動裝置的開始旋轉的問題也是公知的，以致到了關於CAWT的新近專利的大部分都旨在提高這些機器的自啟動能力的程度。
近來的另一類專利覆蓋從包含在交通系統的道路例如機動車道、高速公路、隧道以及鐵路旁邊產生的風中的特別的能量源中收集能量的一般的以及創新的想法。大體上，這些專利包含用於沿著道路交通系統的一般位置中的風力發電站的裝置的概念性表示，但是沒有特別地旨在用於由交通產生的風的機械裝置的特別的發明。收集由車輛交通產生的風能可被視作尋求可持續能源政策與交通領域中的更可持續的發展的結合。
例如，在討論可再生能源的最優水平時，Munasinghe(2009)指出可再生能源系統的邊際成本的量恰好等於避免與化石燃料產生的能量相關的成本，包括環境破壞。至於用於交通產生的風的風力發電站，我們可以看到，總會有與運輸需求增量相關的能源供應的最優增量：假設其中交通系統不基於化石燃料且從交通產生的風中收穫的能量的固定成本低於相關的空氣動力學損失的更加可持續的未來的話，則現在這個量處於其最大值，這是由於交通系統基於化石燃料且總會有與空氣動力學損失內在相關的基本的量。
本發明的CAWT渦輪機可用於使用交通產生的風的上述風力發電，但應強調的是，該特定的用途被包括在本發明特別涉及的可變風力渦輪機的更一般的環境中。
背景技術：
Darrieus專利，1931 US1835018，可被認為是升力型CAWT風力渦輪機的先祖：Darrieus設想具有直的H或懸鏈的幾何形狀的葉片，這為在大型應用中減少因離心力產生的結構負擔提供了好的解決方案，同時還引入了可變節距葉片的首次應用。
源自Darrieus概念的用於CAWT渦輪機的專利族涉及涉及利用被動可變節距系統的原理來改進自啟動旋轉的能力，如US4299537所示。該啟動實際上與在低葉片速度/風速比率下迎角的顯著變化相關，其涉及超過葉片的失速閾值，藉此最小化升力並由此最小化扭矩；改變葉片的節距的有效的被動系統在低TSR下將迎角降低到低於失速閾值，且必須為更高的TSR提供用於從最小值到無的修正。引起節距變化的葉片的樞轉通過由機構激活的扭轉彈簧來使空氣動力學力矩與再激活力矩相等而獲得的。特別地，該再激活扭矩由剛性分量的向心加速度[Kirke，1998]或由其剛度隨離心力的增大而增大的彈性體分量[Pawsey]提供。後者在高TSR下提供更多的控制以有效地鎖定葉片並防止附加的和不必要的俯仰。
關於可變節距葉片的專利族由其它相關概念補充：如在例如US2013078092的示例中，葉片延伸部的樞轉可被用於控制轉速；或者如在US20120195761A1的示例中，鉸接到葉片定點的翼片可被用於抑制超速。
另一個關於CAWT的專利族使用葉片的部分的輔助運動/樞轉以便改變暴露於空氣阻力的表面。由於樞轉葉片在初始瞬態之後可被升力驅動或者保持在拉力的影響下，這些專利可被認為基於Darrieus或Savonius概念。
在US20120039714中，葉片相對於轉子徑向配置並具有在它們的軸線上樞轉來改變它們的拉力表面的能力，而在專利WO13026127中，葉片使用凹槽和浮凸來增大拉力表面。相反，在US8057159B2中，(拉力型)葉片的可動部分沿葉片本身的固定部分平移並由徑向彈簧保持，從而隨著轉速的增加(連同離心力)而減小拉力表面。在專利US5083901A中，彈簧被用於打開/關閉V形葉片以在打開時使拉力表面最大化。
第三個CAWT渦輪機的專利族包括葉片或部分葉片的平移/樞轉的主動控制。例如在WO2011021733中，伺服電動機被用來改變葉片與旋轉軸之間的距離，而在US2007257494A1中，葉片的輔助動作(繞它們的軸線的旋轉，在徑向方向上的平移)由計算機主動控制。主動控制應用於最大化/穩定在可變風的情況下的能量收集。
最後一個CAWT渦輪機的專利族是使用輔助機制以被動地改變渦輪機的幾何形狀以獲得在一定風力條件下的最優配置。例如在DE29716129U1中，葉片在徑向臂中的導軌上樞轉並可平行於該徑向臂滑動(在低TSR下拉力表面暴露在風中)，直到到達臂中的最終位置，於此葉片可在葉片的弦與葉片的圓周運動相切的情況下樞轉(在高TSR下葉片輪廓工作於升力驅動模式中)。專利DE29716129U1還要求這種滑動/旋轉機構可以通過自動控制來激活。在US5083901A中，雖然空氣動力學概念的相當不同之處在於CAWT是不打開的，但其基於與葉片產生Venturi效應的筒表面，所以在低TSR下通過使用壓縮彈簧來將葉片沿徑向方向朝中心推壓。專利CN102562441A旨在利用風的峰值，且配重的輔助被動運動被用來在風的峰值的下降部分中限制渦輪機的減速。
技術實現要素：
本發明所述的裝置是風力渦輪機，其結構在採用經典Darrieus方法的同時進一步被設計成有助於初始加速並防止機器在出現風源短暫下降、無風的氣潭時止動或者在較長的無風情況下止動在預定的位置中止動。根據下述實施例或配置，這提高了渦輪機的自啟動的能力。
如下所述，向專利族的現有技術中加入創造性的步驟，即使用輔助機構以被動地改變渦輪機的幾何形狀來實現在一定風力條件下的最優配置(US5083901 A、DE29716129U1、CN102562441 A)是本發明的目的和優勢，用以提供新的手段來使機器的幾何形狀適應可變風。
本發明的有助於初始加速以及暫時防止機器止動的機制基於變量稠度原理，其中轉子稠度被定義為Nc/R，其中N是葉片數目，c是葉片的弦的長度，R是轉子的半徑。與本發明相關的變量是通過半徑R來獲得，且這種可變性以I＝Nm1R2作用在機器的主慣量上，其中，m1是單個葉片的質量。本發明的機制允許在啟動過程中發展最小慣量以提高加速度，同時如果風源整體下降的話則提供最大慣量，以便與類似情況中的現有技術的機器相比而言減小減速度並保持較大的轉速。根據無風氣潭的形狀、持續時間並且基於機器的尺寸，本發明的機制允許渦輪機避免止動，因此：(1)這樣避免了接下來的階段需要能量消耗來重新啟動，不然的話這將在旨在用於能量收集的任意階段之前不可或缺，以及(2)機器被保持在相對高的轉速，這為它提供了直接發電的能力，即使在漸變速期間。
因此，本發明優於現有技術的整體效果在於渦輪機在一般與風速瞬間下降相關的變化速度下操作的改進，從而使得可以利用機器的功率曲線的更有效的區域。
考慮到在啟動/減速階段葉片的弦c相同的情況下，與慣量I＝Nm1R2隨R2二次降低相比，空氣動力學力矩隨RFTR線性減小(其中FT是獨立於R的空氣動力學切向力)。
附圖說明
本發明的細節和不同的實施例可以在附圖的幫助下得到更好的理解，其中：
圖1示出了第一實施例的示意圖：風力渦輪機(A)為豎直結構，也就是說，其具有豎直的軸或旋轉軸線(Z)以及半徑(R)可變的轉子，其中半徑(R)是葉片(1)和旋轉軸線(Z)之間的距離；在這種結構中，每個葉片(1)的相對於渦輪機(A)的旋轉軸線(Z)的徑向運動通過伸縮平移而發生。
圖2示出了第二實施例的示意圖：風力渦輪機(A)為水平結構，也就是說，其具有水平的旋轉軸線(Y)以及半徑(R)可變的轉子；在這種結構中，每個葉片(1)的相對於渦輪機(A)的旋轉軸線(Y)的徑向運動通過伸縮平移而發生。
圖3a示出在第三實施例的示意圖：具有半徑(R)可變的轉子的另一種水平或豎直結構。根據該第三實施例，該設計也可設想被動重力系統以改變葉片(1)的傾斜角；在該結構中，葉片(1)的運動通過在導軌或臂(3)上的平移而發生，其中局部止動元件(CC)在每個臂(3)上且與臂(3)本身成一體。
圖3b示出了第四實施例的示意圖：具有半徑(R)可變的轉子的水平或豎直結構。根據該第四實施例，該設計也可設想被動重力系統以改變葉片(1)的傾斜角；在該結構中，葉片(1)的運動通過在導軌或臂(3)上的平移而發生，其中止動元件(CC1)在臂(3)之間完全延伸，所述止動元件例如具有與葉片(1)相同的長度。
圖4a和4b從兩個剖面分別示出了葉片(1)的縱剖面(圖4a)和葉片(1)的橫剖面(圖4b)，可變的半徑(R)的操作通過用同軸的牽引彈簧(13)將葉片(1)安裝到徑向的臂(3)的方式來實現，這適用於本發明的第一和第二實施例(圖1、圖2)；
圖5a是示出了可變的半徑(R)的操作的剖視圖，通過用同軸牽引彈簧(13)將葉片(1)結合到裝有空氣動力學止動元件(CC、CC1)的臂(3)的方式來實現，這適用於本發明第三和第四實施例(圖3a、3b)；這種情況還包括被動重力系統和臂(3)與葉片(1)之間的可能的間隙以改變葉片的傾斜角：在詳細表示中，葉片保持在沿著臂(3)的中間位置，在最小半徑和最大半徑之間。
附圖示出了用於葉片(1)的徑向平移的主輪(4)，其中通過結合到主輪(4)的兩個軸(12)上的至少一個壓縮彈簧(41)，主輪(4)自由或保持與臂(3)的導軌(2)接觸，軸(12)依次在槽孔(42)中滑動。
圖5b是示出了可變的半徑(R)的操作的剖視圖，通過用同軸牽引彈簧(13)將葉片(1)結合到裝有空氣動力學止動元件(CC、CC1)的臂(3)的方式實現，這適用於本發明第二，第三和第四實施例(圖3a，3b)；在這種情況下，通過消除臂(3)和葉片(1)之間的間隙，改變葉片(1)的傾斜角的被動重力系統是無效的：在詳細表示中，葉片(1)保持在沿著臂(3)的中間位置，在最小半徑和最大半徑之間。
圖5c是具有可變的半徑的葉片(1)的平面圖，該葉片用同軸的牽引彈簧(13)結合到裝有空氣動力學止動元件(CC，CC1)臂(3)，這適用於本發明第三或第四實施例，在後一個實施例中可能具有被動系統以改變節距：在詳細表示中，葉片(1)保持在最小半徑和最大半徑之間的中間位置中。
圖5d以兩種可能的位置示出了如何能夠改變葉片(1)的角度的的示意圖。
圖6示出具有可變的半徑(R)的葉片(1)的剖面，該葉片用同軸的牽引彈簧(13)結合到裝有空氣動力學止動元件(CC、CC1)的臂(3)，這適用於本發明第三或第四實施例，在後一個實施例中可能具有被動系統以改變節距：在詳細表示中，葉片(1)保持在由止動元件限制的最大半徑(Rmax)處，並且，空氣動力學止動元件(CC)連同具有拱形翼面形狀的葉片(1)一起在這個位置中形成對稱翼型(P)。
圖7示出適用於本發明的第四實施例的選擇性止動裝置，其結構為軸線線(Y)水平，表明用於選擇性止動的稍有不同的2個最大半徑(RmaxA，RmaxB)，選擇性止動是通過其自身的幾何形狀或彈簧(13)結構或通過在葉片(1)或臂(3)上的最合適的位置中施加重量以獲得期望的不平衡來實現的。
在圖7的示例中，止動位置是Y形的，其中處於其最大半徑(RmaxB)的葉片(1B)面向下，表徵0°的位置。
圖8示出了在瞬變風的情況下CAWT的自由運行速度(ωfr)的行為的四個曲線圖，並且其葉片安裝在具有足夠的剛度的彈簧上以允許葉片在最小和最大半徑之間振蕩，與現有技術中具有固定的最小半徑和最大半徑的兩個CAWT相比。
圖10是示出了對於典型的對稱翼型(NACA 0015)和典型的不對稱翼型(NACA4415)，作為葉片速度/風速比的函數的無量綱扭矩係數的曲線圖。
葉片長度和葉片的弦之間的折合比是葉尖渦旋的形成的主要原因，該葉尖渦旋表徵為第三維中能量交換過程，即在豎直於機器的軸線的平面之外。應儘可能地避免來自上述平面的尾流的這個偏差，這是因為其降低機器效率。特別地，在CAWT渦輪機中，來自葉尖的渦量與能量收集機制無關，而是僅與前述平面渦量有關，因此可以研究葉片的輪廓以便避免這個偏差。
具體實施方式
風力渦輪機(A)包括適於豎直或水平地定位的旋轉軸或軸線(Z，Y)以及安裝在軸線(Z，Y)上的N個葉片(1)。
旋轉軸或軸線(Z，Y)適於適當地以及在任何情況下連接到至少一個發電機(B)，如圖1、圖2、圖3a和圖3b所示。
在附圖的實施例中，風力渦輪機(A)包括三個葉片(1)，所述葉片被布置成實質上平行於旋轉軸線(Z，Y)且軸對稱分布。然而，這些葉片(1)可能具有實質上的盤旋狀、螺旋形、懸鏈或其它形狀。
每個葉片(1)具有特定形狀的翼型，例如不對稱的駝峰狀或凸面布置，或任意其他形式。
每個葉片(1)經由一個或更多徑向臂(3)間接地結合到軸(Z，Y)，所述徑向臂又與軸(Z，Y)成一體，其中，由於葉片(1)本身由於風力作用而旋轉期間產生的離心力，葉片(1)可在徑向方向上相對於軸(Z，Y)移動。
在圖1和圖2的實施例中，葉片(1)具有相對於相對應的臂(3)在徑向方向上完成平移運動的能力，如圖5詳細示出的，經由彈性裝置彼此結合。
與US5083901A所涉及的在中心筒和徑向葉片之間的「Venturi槽」不同，本發明的創新還在於葉片不是由壓縮彈簧推到最小半徑，而是由牽引彈簧(13)朝向最大半徑驅動。
在所示實施例中，葉片(1)包括用於臂(3)的自由端(31)的插入的孔(103)，所述臂又裝有用於臂(3)在葉片(1)上的孔(103)的內壁上滑動的裝置或輪或軸承(32)。
葉片(1)也可能包括裝置或輪或軸承(104)以用於葉片(1)的一部分沿臂(3)的外表面(33)滑動，其中無論在有間隙還是沒有間隙的情況下發生滑動都允許葉片(1)相對於臂(3)的任意傾斜。
葉片(1)的至少朝向外側的徑向平移被同軸地插入臂(3)中的彈簧(13)抵消，該彈簧又將一端(132)結合到臂(3)而將相反端(131)結合到葉片(1)。
在圖3a、圖3b、圖5a、圖5b、圖5c和圖6的實施例中，葉片(1)沿著相對應的臂(3)在徑向方向上可移動，在通過將徑向臂(3)部分分為例如兩個C型導軌而獲得的導軌(2)上滑動。
此外，與US5083901 A不同，本發明的創新在於這樣的事實，即葉片不是由壓縮彈簧推到最小半徑，而是由牽引彈簧(13)朝向最大半徑引導。
藉助於至少一個但優選為至少兩個沿導軌(2)滾動的主輪(4)，每個葉片(1)能夠在徑向上平移。一個或優選為兩個或更多的主輪(4)中的每一個都安裝在通過一個或更多端板(6)與葉片(1)成一體並且組裝在一起的滑動框架(5)上，所述端板(6)用固定裝置(7)例如螺栓連接安裝到葉片(1)本身。為此，葉片(1)設有用於徑向臂(3)的插入的至少一個孔(8)，其形如沿圓周方向具有外偏移或間隙(9)的臂(3)本身。外偏移(9)的空間容納適當數量的較小的輪(10)，其允許在它們的滾動輪廓和徑向臂(3)的外壁(31)之間的間隙(11)：間隙(11)被設計為允許葉片(1)圍繞主輪(4)的軸線(12)輕微旋轉，從而允許被動可變的傾斜。
圖5a和5d示出了如何通過在兩個邊緣上存在的具有穩定功能的至少一個或優選為兩個輪(10)來允許和控制間隙的示意圖。
可選地，如圖5b所示，上述間隙可被最小化或消除，且在這種情況下，優選配置是在兩個邊緣上設置單個輪(10)。
與包括US4299537的專利族不同，在圖3所示的實施例中，本發明的可變傾斜由重力控制。相反地，在圖5b的情況下，間隙(11*)被最小化為機械公差以使得能夠滾動，藉此消除葉片(1)的傾斜的變化的影響，因此在本發明的領域中所述葉片也可能以固定節距安裝。
每個主輪(4)的軸(12)相對於葉片(1)重心以及葉片(1)的翼型的壓力中心的相對位置也是本發明的一部分，這是因為所述相對位置通過平衡隨著葉片(1)和臂(3)之間的約束的變化而變化的離心、空氣動力學和重力影響來控制。
滑動框架(5)還包括連接牽引彈簧(13)的鉤(131)的鉸鏈關節(51)：當離心力起作用時，牽引彈簧(13)通過其剛度調整渦輪機(A)的可變的半徑(R)，阻礙葉片(1)至少向外的平移運動。
作為其應用領域的一部分，在可變風條件下本發明的用途包括由交通產生的風源，其最優布置是水平配置(圖2、圖3)，其中渦輪機(A)的較低負載被處於法律所允許的相對於道路表面或者軌頭的水平的最小公差水平。
作為對圖7所示的實施例的進一步說明，允許稠度Nc/R變化的與本發明圖5所示相同的裝置可能被設計以與單個葉片(1)特別不同的方式運行。
事實上，約束一個葉片(1)的拉力彈簧(13)可能具有不同於約束其餘葉片(1)的那些的剛度或結構或機械特性，從而使得渦輪機(A)具有不對稱分布的葉片(1)以便於選擇止動位置。
例如，在N＝3的情況下，例如由但不僅僅由葉片(1)相對於其他兩個葉片的纏繞數目確定的彈簧(13)的剛度的增加引入了不平衡，所述不平衡允許機器止動在顛倒的Y位置。
與此相反，例如由但是不僅僅由葉片(1)自身相對於其他葉片的纏繞數目確定的彈簧(13)的剛度的降低引入不平衡，根據重力(G)和來風(W)的方向，所述不平衡允許機器止動在Y位置。
期望的不平衡通過改變彈簧(13)的配置或機械特性和/或根據最合適的布置對臂(3)和/或葉片(1)施加一個或更多重量而獲得的。
在圖7的示例中，處於其最大半徑(RmaxB)的葉片(1B)面向下，呈Y形結構，確定0°位置。
這些實施例在軸(Y)水平定位的情況下是適用的。然後類似的裝置可能允許同時實現前述的主慣性效應以及在兩個優選位置中的選擇性止動：與葉片的初始不平衡相關聯的Y位置對於本發明而言是尤其相關的。實際上，原型和仿真的扭矩圖示出了在N＝3且沒有轉速的情況下，只要機器具有大約從-5°至+5°的優選的啟動角，即所述裝置產生不平衡所獲得的Y位置，則CAWT中的扭矩值對於所有葉片均為正。因此，本發明通過使用這種選擇性止動裝置能夠改進自啟動能力。
新的風力渦輪機(A)還包括，在每個臂(3)上的適於限制葉片(1)朝向外側平移的至少一個止動元件(CC，CC1)，並且其中當葉片(1)在距軸(Z，Y)最大距離處時，葉片(1)與止動元件(CC，CC1)接觸，形成由葉片(1)的輪廓和止動元件(CC，CC1)的輪廓的結合所確定的翼型。
在葉片的最大半徑(Rmax)的位置中以及因此在靜止狀態下，葉片(1)克服空氣動力學止動元件(CC，CC1)由離心力投射到徑向彈簧(13)上，這可能是在徑向臂(3)上的局部(圖3a)或沿著葉片(3)的長度完全延伸(CC1)(圖3b)：因此，根據本實施例，假定葉片被壓靠在圖6的止動元件(CC，CC1)上，則任何被動可變節距系統都被阻止運行，這是因為葉片(1)被擋在最大半徑(Rmax)處，即在經典的「Darrieus」切向位置中。
自啟動能力的改進可以通過使用圖3b的結構中的非對稱的駝峰狀/凸面翼型來獲得，當在全勢能下操作並因此與延伸的止動元件(CC1)接觸時，創建附加的翼型，這時該翼型基本上對稱(圖6)：因此，本發明通過在啟動階段使用非對稱輪廓以及在全勢能下使用必要的對稱輪廓來優化機器的性能，如圖9中的兩條不同的曲線所示，它們都可被包括在本發明的表現中。與本發明的葉片(1)的末梢接觸的止動元件(CC，CC1)也可以被設計成具有直的前緣(102)和鈍的後緣(101)，如圖3和圖6所示，從而產生較低的渦量，進而降低轉換之前的能量損失。
如圖8所示，雖然現有技術中具有恆定半徑的機器可在無風氣潭期間提取最少的電力或不提取電力，但本發明的機器在這種情況下能夠提取更多的能量，這是因為具有可變的半徑(R)的渦輪機(A)的自由運行速度與半徑(R1，R2)恆定的情況相比而言更高，多虧本發明的可變慣性設備。
因此，參考前面的描述和附圖，聲明以下權利要求。