用於風能轉換器的空氣動力制動裝置的控制裝置和方法

2023-05-15 01:29:26 1

專利名稱：用於風能轉換器的空氣動力制動裝置的控制裝置和方法
用於風能轉換器的空氣動力制動裝置的控制裝置和方法
背景技術：
本發明涉及一種限扭矩控制裝置，特別是在垂直軸風力渦輪機中應用的空氣動力 制動器，以及採用加熱的方法對垂直軸風力渦輪機氣翼進行消冰的手段。在風能利用開發的高速向前發展過程中，通常希望以更加高效的方式來分別設計 風能設備和風能系統。然而，不管是將風能設備設計為豎直軸風力渦輪機H(VAWT)還是水 平軸風力渦輪機(HAWT)，它們在強風條件下的控制是個需要注意的問題。公知的豎直軸風 力渦輪機例如是薩沃尼斯(Savonius)風力渦輪機或達裡厄(Darrieus)風力渦輪機(主要 為旋翼(Giromill)風力渦輪機)。需要注意的是，用於豎直軸風力渦輪機的轉子不能理解 為螺旋槳，而是可以分別作為翼狀驅動氣翼和豎直氣翼葉輪，或者阻力葉輪，即風速計，它 們都是通過其阻力而被完全驅動。豎直氣翼葉輪遵循類似飛機機翼那樣的產生上升力的活 動原則，雖然上升組件不能起到對抗重力的作用(像飛機那樣)，但是，正如本領域技術人 員所公知的那樣，水平地與重力矢量呈90度，因此，通過將升力轉化為扭矩以驅動渦輪機。主要在高風速情況時，轉子的旋轉速度必須受到限制，以避免由於超額的風能造 成對風能系統的損害和破壞。此外，即使在風能驅動風能系統時，也必須有能力關閉風能系 統，以便維護工作和修理工作。因此，重要的是，每個風能系統包括制動裝置。然而，諸如輪 碟形制動器或鼓形制動器的常規制動器是不適合的，因為它們受制於高磨損。此外，必須確 保永久的制動能力。基於摩擦的制動器可能會自身加熱直至發生制動失效。在現有技術中， 可能通過使用無磨損渦流制動器來解決這個問題。然而，這會導致的問題在於，渦流制動 器不允許單獨的控制，並且它們在電源失效或控制失效時也就不起作用了。當電能失效或 者控制失效時，現有技術中具有可調整的轉子葉片的系統不再能夠消除風的作用，使得風 能會依然持續地驅動轉子而造成自我損壞。因此，需要一種風能設備，當存在故障的時候， 該風能設備分別具有自我控制的自動制動促動和自動關閉。在現有技術中，當諸如雷擊的 緊急情況發生時還會產生其他的問題，電力控制裝置會失效，從而不可能關閉風力渦輪機 (HAffT 禾口 / 或 VAffT) ο

發明內容
本發明的目的在於提供一種儘可能最有效的能力來通過制動器以無磨損方式控 制豎直軸風力渦輪機14的轉動，該制動器在存在故障時能夠自我促動而無需額外的控制， 而且能夠使豎直軸風力渦輪機14停止。根據本發明，該問題通過根據所附權利要求(特別 是權利要求1)所述的用於空氣動力制動器的控制裝置1而得以解決。根據本發明的一個方面，提供一種用於空氣動力制動器的控制裝置1，其分別具有 至少一個氣翼區段和豎直氣翼葉片區段，包括具有扭轉元件3的彈簧組件總成，其中扭轉 元件3另外還設置有用於在縮回位置對空氣動力制動器進行預載的彈簧元件；具有至少一 個配重元件5的配重組件總成4，用於通過由足夠高速的轉動而產生的離心力來延伸空氣 動力制動器，以及抵抗彈簧元件的預載；具有促動器8的促動器組件總成7，其與空氣動力 制動器相聯結並且被促動以延伸空氣動力制動器，也抵抗如果存在的彈簧元件的預載。扭轉元件使得促動器組件總成7和配重組件總成4能夠扭轉。根據本發明實施例的空氣動力 制動器能夠控制豎直軸風力渦輪機14的扭矩特徵。根據本發明的另一個方面，提供了一種用於豎直軸風力渦輪機的氣翼區段，其包 括至少一個位於豎直軸風力渦輪機的至少一個氣翼區段中的用於豎直軸風力渦輪機的空 氣動力制動器的控制裝置，包括扭轉元件3，該扭轉元件可以包括彈簧元件，以在縮回位 置的方向上對空氣動力制動器進行預載；至少一個配重元件，以通過由氣翼區段的足夠高 速的轉動而產生的離心力來延伸空氣動力制動器，甚至抵抗彈簧元件的預載；槓桿臂，與促 動器連接，其中所述槓桿臂被所述促動器所促動，以延伸空氣動力制動器。根據本發明的另一方面，提供了一種風能系統，包括至少一個轉子，該轉子具有至 少一個用於豎直軸風力渦輪機的氣翼區段，該豎直軸風力渦輪機包括至少一個位於豎直軸 風力渦輪機的至少一個氣翼區段中的用於豎直軸風力渦輪機的空氣動力制動器的控制裝 置，包括扭轉元件3，該扭轉元件可以包括彈簧元件，以在縮回位置的方向上對空氣動力 制動器進行預載；至少一個配重元件，通過由氣翼區段的足夠高速的轉動而產生的離心力 而延伸空氣動力制動器，以通過由氣翼區段的足夠高速的轉動而產生的離心力來延伸空氣 動力制動器抵抗彈簧元件的預載；槓桿臂，與促動器連接，其中所述槓桿臂被所述促動器促 動，以延伸空氣動力制動器。根據本發明的另一方面，提供了一種對具有控制裝置的豎直軸風力渦輪機進行空 氣動力制動操作的方法。本發明另外具有的優點是這種配置不僅能夠以無磨損的方式對豎直軸風力渦輪 機14進行制動，也可以在風過大時以無磨損的方式控制它的轉動速度。結果是，本發明在 高風速和風條件(風向、暴風等)迅速改變的情況下也可以允許對豎直軸風力渦輪機14進 行操作，而常規的豎直軸風力渦輪機14在此時必須關閉以防止它們受到損害。


圖1示出了根據本發明的控制裝置的實施例的分解圖，其中沒有扭轉元件3。圖Ia示出了根據本發明的圖1中的控制裝置1的實施例的分解圖，其中沒有扭轉 元件3。圖2示出了根據本發明的控制裝置1的實施例，其中具有連接元件18。圖3示出了根據本發明的具有多個組裝後的控制裝置1的氣翼區段6。圖4示出了根據本發明的組裝在氣翼區段6中並且被促動器8所促動的控制裝置 1的實施例。圖5示出了氣翼區段6的輪廓以及在利用根據本發明實施例的控制裝置1的制動 作用期間的氣壓分布。圖6示出了氣翼區段6的輪廓以及在利用根據本發明實施例的控制裝置1的制動 操作期間的氣流分布。圖7分別示出了豎直軸風力渦輪機H(VAWT)類型的風力系統和風能設備。圖8示出了在氣翼區段的引導邊部16的區域內的橫截面部分。
具體實施例方式為了更加清晰地描述三維空間，分別在圖1、2、3和4中，存在由具有三個軸線方向 x、y和ζ的空間所限定的方向。需要注意的是，這些方向在所有附圖中都是一致的。χ方向 自輪廓17的端部朝著引導邊部16延伸。y方向相對於豎直軸風力渦輪機H(VAWT)的旋轉 軸線徑向地朝外延伸。ζ方向沿著VAWT的氣翼區段和豎直軸葉輪(runner)區段6的長度 方向自底而上地延伸，即，自VAWT的基部垂直地延伸至VAWT的頂部。它表示軸線沿與VAWT 的豎直旋轉軸平行的方向定位。根據本發明實施例的控制設備1包括三個組件包括至少一個扭轉元件3的彈簧 組件總成(未示)，其可以包括用於朝著縮回位置對空氣動力制動器進行預載的彈簧元件。 這樣，這種彈簧元件可以對空氣動力制動器施加一預載力。扭轉元件能夠使配重組件總成 4和促動器組件總成7產生扭轉。縮回位置對應於空氣動力制動器的非啟動狀態。彈簧元 件設計為拉簧結構，但也同樣可以包含在扭轉元件(例如，扭轉元件3)中，如圖2所示。在 本發明(圖幻的實施例中，這種扭轉元件3設置在氣翼區段6中，使得其旋轉軸和扭轉軸 分別自氣翼區段6的引導邊部16延伸至拖尾邊部17，但是根據本發明也可以組裝為其它的 形式，這取決於相應的需求，例如，可用空間或已經預定的內部結構。預載可以使得空氣動 力制動器保持在縮回位置，在該縮回位置不會產生制動效果。然而，也可以使用其他類型的 彈簧元件，例如，充氣彈簧、液動彈簧、客車彈簧或扭簧，並且應當根據針對豎直軸風力渦輪 機14的需要來進行選擇。在圖1中，示出了本發明實施例的第二 4和第三7組件的各個部件。與標記4和 7相應的箭頭只是指出這些部件所屬的各個組件，各個部件因此還具有相應局部的附圖標 記。配重組件總成4包括至少一個配重元件5，該配重元件用於通過由氣翼區段6的足夠高 速的旋轉而產生的離心力來延伸空氣動力制動器，甚至對抗彈簧元件的預載，如果存在這 種預載的話，如圖Ia所示。在實施例中，定位配重元件5使得離心力產生出配重元件5相 對於豎直軸風力渦輪機14的旋轉軸的徑向運動，即，在y方向上，因此基本垂直於豎軸葉輪區 段和氣翼區段的縱向軸，它通過諸如槓桿裝置的慣性臂12施加力，以便延伸空氣動力制動器。圖Ia示出了本發明的實施例，其中，聯結裝置11提供了兩個總成之間的同步，以 確保聯結過程。此外，圖Ia示出了作用於配重組件總成的離心力和彈性力的方向。另外， 彈簧拉伸和彈簧元件分別被表示為小的常規彈簧(stylised spring)。這種彈性效果能夠 通過安裝在扭轉元件3或類似物中的常規的卷簧元件或任意其它像扭簧的彈簧來實現。為 了更清楚地理解，配重組件總成描繪為水平條塊，而促動器組件總成被描繪為豎直條塊。限 制器9和10、聯結裝置11和配重元件用黑色示出。完全延伸位置對應於空氣動力制動器的促動狀態(圖1和圖2)。本發明的實施 例也可能不包括任何彈簧元件。可選地，配重組件總成4可以取代彈簧元件的任務。在這 種情況下，可以定位配重元件5使得配重元件5的重量通過利用用於傳遞力的槓桿裝置和 /或齒輪裝置來使得空氣動力制動器的預載朝著縮回位置。配重元件5的重量可以在負ζ 方向上起到預載力的作用，此時離心力將配重元件5相對於豎直軸風力渦輪機14的旋轉軸 15徑向朝外推動，即，在基本垂直於氣翼區段的縱軸的y方向上。當豎直軸風力渦輪機14旋轉時，配重元件5被離心加速度沿徑向朝外驅動(圖1、 2、3和4中的y方向)，進而延伸空氣動力制動器，這種操作抵抗了與豎直軸風力渦輪機14
6的轉動，並因此對其減速。如圖2所示，通過實施例的創造性設置，配重元件的運動傳遞給 空氣動力制動器。圖2示出了本發明的組裝後實施例。此處，連接元件18，例如驅動杆或 者推拉杆，以可運動的方式分別附接在連接點A和B上，從而使得連接元件在制動作用過程 中分別沿y方向和負y方向運動。當然，本發明並不限於兩個驅動杆。可以附接任意數量 的這種驅動杆。僅包括一個這樣的驅動杆的實施例也是可以的。在完全制動作用(100%) 過程中，空氣動力制動器使得流經豎直軸風力渦輪機14的氣翼的氣流幾乎完全中斷。這將 在下文中詳細描述。在實施例中，配重組件總成4包括具有第一和第二端的慣性臂12。慣性臂12固定 地接合到介於其第一和第二端之間的扭轉元件，所述第一和第二端垂直於扭轉元件的旋轉 軸19。根據優選實施例，配重組件總成4還包括具有第一和第二端的耦合臂13，其中該耦合 臂13也固定至介於其第一和第二端之間的扭轉元件，所述第一和第二端以同慣性臂12相 似的方式垂直於扭轉元件的旋轉軸19，並且垂直於慣性臂(見圖1)。慣性臂12和耦合臂 13也可以分別以彼此相關的其他角度比率結合在一起，所述角度比率可以由本領域技術人 員根據需要設置。在另外的實施例中，在本發明的運轉操作期間，角度比率的變化調整也是 可以的。這些子組件可以例如是諸如杆、管或類似物的槓桿裝置。彈簧組件總成可操作地連接至配重組件總成。這可以通過焊接、銅焊或螺紋連接 而將彈簧組件總成和配重組件總成4直接連接在一起。然而，也可以將中間元件19插在彈 簧組件總成和配重組件總成之間，以便通過一個或多個中間元件19在彈簧組件總成和配 重組件總成之間形成間接連接。這些中間元件19可以例如是使得力改變方向的齒輪裝置。 因此，可能的是，在本發明的不同實施例中，扭轉元件和配重元件5能夠在同一旋轉方向或 相反方向運動。子組件沒有必要一定是對稱的。在本發明的實施例中，配重元件5有利地附接於耦合臂的第一端(圖1和圖4)。 然而，也可以通過慣性臂自身的形狀和材料的選擇來提供配重元件5，從而不必將另外的配 重元件附接於耦合臂。根據本發明，當豎直軸風力渦輪機14工作時，機械能被配重元件5 存儲，這是因為離心力和離心加速度分別通過豎直軸風力渦輪機14的旋轉而影響該配重 元件5，其試圖相對於旋轉軸15徑向朝外(y方向)地加速配重元件5。促動器組件總成7與促動器8相連(圖1和4)，其可以被促動以延伸空氣動力制 動器。促動器組件總成7能夠被促動器8所促動，從而使得空氣動力制動器可以通過聯結 裝置11被移動並保持在縮回位置以及在縮回位置和延伸位置之間的任何中間位置，這將 在下文中詳細描述。因此，中間位置代表了豎直軸風力渦輪機14的可漸進調整的部分空氣 動力制動作用(在0%和100%之間，其中0%對應於完全縮回位置，而100%對應於完全延 伸位置)，而完全延伸空氣動力制動器代表了豎直軸風力渦輪機14的完全空氣動力制動作 用。在實施例中，促動器8包括調整馬達(未示)，該調整馬達通過至少一個諸如驅動杆的 連接元件8連接到至少一個槓桿臂20。在實施例中，該槓桿臂20可樞轉地安裝到扭轉元 件，如圖4所示。在本發明的另一實施例中，促動器組件總成7還可以包括重置元件(未示)，該重 置元件在促動器8未被促動或者存在缺陷時迫使促動器8抵抗彈簧元件的預載來延伸空氣 動力制動器。這具體來說用於沒有離心力可用來抵抗彈簧元件的預載而延伸空氣動力制動 器的情況，即，當豎直軸風力渦輪機14不轉動時。這種重置元件可以例如是另外的彈簧元件。配重組件總成和促動器組件總成7可以設置有限制器9和10，這些限制器將各個 組件的運動自由度限制在一預定的調整範圍內。基於實施例，可以在一個或多個組件中使 用一個或多個限制器9。例如在圖1和2中的該實施例包括用於促動器組件總成7的限制 器9，該限制器限定了促動器組件總成的最大的可能的調整，並且通過其與配重組件總成4 的固定連接，還限定了對配重組件總成4的最大的可能的調整。因此，促動器組件總成7包 括制止臂21，這在圖1中可見。制止臂21將限制器9驅動至限制器9的預定位置，並且限 制了促動器組件總成的運動。促動器元件8使得制止臂21在縮回位置靠在相應的限制器9 上。然而，類似的制止臂21可以提供給本發明的每個組件，例如限制器10。子組件自身可 以起到用於限制器9和10的制止臂21的作用，從而作為附加部件的制止臂21可以省略。為了在配重組件總成4和促動器組件總成7之間提供有效地連接，根據本發明提 供了聯結裝置11。在本發明的實施例(未示)中，聯結裝置11可附接於促動器組件總成4， 以便將促動器組件總成7與彈簧可選擇地和配重組建4聯結和解除聯結。聯結裝置11也 可以定位在促動器組件總成7上，或者更為具體的，定位在促動器8的槓桿臂20上，以便於 以有效的方式將促動器組件總成7與配重組件總成4可選擇地聯結和解除聯結。如果聯結 裝置11位於配重組件總成上，促動器組件總成7可以包括相應的匹配部分，以固定該聯結。 反之亦然。因此，匹配部分是聯結裝置11的一部分。如圖Ia所示，在本發明的優選實施例中，聯結裝置也可以是單獨的部分。所述可 選實施例的聯結裝置11執行與聯結裝置11 一樣的任務，這將會在下文中詳細描述。選擇 使用聯結裝置11還是單獨的聯結裝置11要基於各個實施方案的具體技術要求並且可由本 領域技術人員進行選擇。聯結裝置11能夠對在一邊的彈簧和配重組件總成4與在另一邊的促動器組件總 成7之間的連接進行解除或者再連接。只要聯結裝置11保持在一邊的配重組件總成4與在另一邊的促動器組件總成7 之間的連接，促動器組件總成7就會對配重組件總成4施加一可調且可控的力，從而使得配 重元件5實際上不能有效地克服彈簧元件的預載，也不會對由豎直軸風力渦輪機14的轉動 而產生的離心力起反作用。空氣動力制動器的運動性質和相應位置由促動器8所支配和設 定。當空氣動力制動器處於在延伸和縮回位置之間的中間位置時，該位置由與促動器8連 接的促動器組件總成7所保持，並且配重元件5不能通過在豎直軸風力渦輪機14轉動期 間所存在的離心力將空氣動力制動器設置到延伸位置。促動器組件總成以這種方式設計， 該方式使得只要聯結裝置11保持在一邊的配重組件總成4和在另一邊的促動器組件總成 7之間的聯結，它就能夠調整並保持空氣動力制動器的任何可能位置，對抗彈簧(如果存在 的話)以及配重元件5的離心力的作用。換而言之，能夠確保的是，只要聯結裝置11保持 在一邊的配重組件總成和在另一邊的促動器組件總成之間的聯結，空氣動力制動器的控制 只通過促動器組件總成7來執行。聯結裝置可以是但不限於提供聯結作用的具有附接的柱 塞的電磁螺線管。當聯結裝置11釋放在一邊的配重組件總成4和促動器組件總成之間的連接時，促 動器組件總成的定位效果被廢止。在這種未聯結狀態下，促動器組件總成7不再保持配重 組件總成的配重元件5。因此，在豎直軸風力渦輪機14的轉動期間存在的離心力會使配重元件5相對於豎直軸風力渦輪機14的轉動方向(y方向)沿徑向朝外運動，即，基本垂直於 氣翼縱軸的方向。由於該配重元件5能夠通過離心力克服彈簧元件的影響，在這種情況下， 空氣動力制動器被促使自當前位置，即自縮回位置或任意中間位置，朝著完全延伸位置運 動。因此，空氣動力制動器被完全促動；豎直軸風力渦輪機14的驅動氣流幾乎完全中斷並 且豎直軸風力渦輪機14的轉動減速直至停止。促動器組件總成與其他組件的聯結解除可以採用不同的方法來觸發。例如，可以 根據需要來促動開關或按鈕(未示)，該開關或按鈕促使聯結解除。同樣地，可以通過計 算機的電子控制器的指令來促使聯結解除。在本發明的實施例中，通過中斷動力造成這種 聯結解除，該聯結解除在豎直軸風力渦輪機14的任意組件發生錯誤、缺陷或電氣系統故障 (即，由雷擊造成)時生效。因此，無需操作者或軟體的發出指令，就形成了豎直軸風力渦輪 機14的轉動的自動緊急關閉。根據本發明的另外的實施例，也存在通過多種不同的方式來 產生聯結解除。聯結裝置11可以通過手動開關也可以自動地促動。在本發明的實施例中， 聯結裝置11包括磁性聯結。在這種情況下，對至少一個電磁管(螺線管)永久地提供用於 分別保持在彈簧和配重組件總成與促動器組件總成之間的聯結和連接。該電流一中斷，電 磁場就衰退，並且連接由此就被解除。通過這種作用，促動器8失去了其對空氣動力制動器 的位置的支配影響，即，促動器8和空氣動力制動器彼此解除聯結。結果是，存儲在配重元 件5中的動能被釋放，而空氣動力制動器由此被延伸。根據本發明的空氣動力制動器包括至少一個分別的可縮回裝置或阻流板，其附接 在豎直軸風力渦輪機14的氣翼區段6上並且通過至少一個連接元件18和/或至少一個鉸 鏈裝置23與控制裝置1連接。該連接元件18是管或杆元件。在一個實施例中，可縮回裝置 是阻流板22，其能夠以其表面定位在氣流中，從而使得氣流基本被中斷，從而產生完全制動 操作。根據本發明，可以提供以一限定角度直接延伸到氣翼區段表面6的外部的阻流板22。 在本實施例中，不需要鉸鏈裝置23。在部分制動操作的情況下，氣流被可選擇地影響，其中 該部分制動操作對應於對豎直軸風力渦輪機14的扭矩變化進行分別的控制和調整。當豎 直軸風力渦輪機14處於完全制動操作時，表面定位到氣流中，使得氣流儘可能垂直地衝擊 表面，以便達到最大託拽以及對中斷提升/扭轉的產生。在部分制動操作或部分限定扭轉 量的情況下，阻流板22僅僅部分延伸。在本發明的實施例中，對於每個控制裝置1，可縮回 裝置包括兩個阻流板22。然而，也可以對於每個控制裝置使用僅僅一個阻流板22或者多個 阻流板22。如圖3和4所示的這個實施例包括內和外阻流板22。空氣動力制動器的所有阻 流板22都連接到它們相應的控制裝置1，使得它們在縮回位置時與氣翼區段6的表面齊平， 即是縮回的；或者在延伸位置時以其表面相對於驅動氣流基本垂直。根據本發明的實施例， 彼此對置的阻流板22相對於彼此在相反的方向上延伸，這是因為，為了影響在兩側的驅動 流體，它們安裝在氣翼的相對的側部。還可以是，阻流板22在處於縮回位置時定位在氣翼 區段6的凹腔中，並在延伸期間至少部分地離開空腔。在一實施例中，多個阻流板22通過 相連接的子組件(例如互聯臂1 而彼此相連，使得阻流板22的運動相同和/或對稱。然 而，阻流板22可以通過互連的子組件而彼此相連，使得它們的運動被不對稱地相關聯，即， 阻流板22在彼此不同的位置同時或者延時延伸。本領域技術人員應當知曉本文所需的機 械槓桿變換裝置，因此，在此不再贅述。在圖3的實施例中，空氣動力制動器和阻流板22分別對稱運動。然而，根據本發明，阻流板22相對於彼此不對稱地運動也是可以的。這可以根據需求通過使用不同長度的 連接元件18或不同的齒輪傳動比率而容易地調整，比如，在這種情況下，在本實施例中，可 以在配重組件總成中使用相對於扭轉元件(此處為扭轉元件幻具有不同距離的連接元件 18。根據本發明，如圖3中可見，多個控制裝置1也可以以聯結的方式操作。它們通過 連接元件18彼此連接，所述連接元件可運動地附接於相應的控制裝置1。在該實施例中，連 接元件18在點C和D處與配重組件總成4連接。因此，空氣動力制動器的阻流板22或阻 流板對22的延伸和縮回動作可以傳遞給其它的阻流板22。根據本發明，氣翼區段6也可以包括多個控制裝置1。此外，氣翼可以由多個具有 根據本發明的控制裝置1的氣翼區段6構成。具有根據本發明的控制裝置1的氣翼意在用 於豎直軸風力渦輪機14，但是它們也可以用於其它技術應用。總之，還公開了一種根據本發明的控制方法，用於風能系統的空氣動力制動操作， 該風能系統具有根據本發明的控制裝置。這種制動方法可以由操作者諸如利用計算機而通 過電力觸發或自發地觸發。自發觸發是對風能系統中的缺陷或故障的響應。本發明的方法 包括首先對彈簧和配重組件總成與促動器組件總成解除聯結。這經由諸如電磁聯結的聯結 裝置11來執行。在本發明的實施例中，永久性地對電磁聯結提供電能，以便保持彈簧和配 重組件總成與促動器組件總成之間的聯結。在風能系統，具體來說是控制裝置1，出現缺陷 或故障的情況下，供電被中斷，彈簧和配重組件總成4與促動器組件總成7之間的聯結被廢 除，從而總成4和7被解除聯結。彈簧和配重組件總成4與促動器組件總成7之間解除聯結的結果是，通過利用離 心力移動配重組件總成4，空氣動力制動器基本延伸至垂直於翼部氣翼區段6的旋轉方向 的位置。具體地，在風中定位阻流板22，使得它們儘可能垂直地定位在風的驅動氣流中。氣 翼區段6的流動特性發生了改變，使得風能系統的驅動氣流變成湍流並且產生的提升產物 (扭矩)被中斷。由於驅動氣流的消失，豎直軸風力渦輪機14將不再能夠收集風能。此外， 與風垂直地定位的阻流板22形成了對風流的屏障，從而使得豎直軸風力渦輪機14的任何 轉動都被阻止。這可造成轉動完全停止，導致了風能系統的關閉。當然，本發明所有的實施 例都可以彼此結合。圖5和圖6示出了根據本發明一實施例的空氣動力制動器的制動效果。在兩幅圖 中，均示出了氣翼區段6的輪廓。圖5示出了在制動情況下的氣壓分布，而圖6示出了在制 動情況下的氣流分布。在圖6中可以容易地看到，阻流板22形成了對抗來自引導邊部16 的驅動氣流的屏障，從而使得驅動氣流中斷，並且在阻流板22後方且朝向拖尾邊部17的區 域中發生氣流逆轉。因此，氣翼區段6不再將風能轉化為轉動能。圖5中的氣壓分布示出 了在阻流板22後面朝向拖尾邊部17處形成負壓。與作為零級水平的一般周圍環境壓力相 比，其力反作用於氣翼區段6的運動方向。然而，在阻流板22的前面以及在引導邊部16處， 相比於作為零級水平的周圍環境壓力，產生了過壓。此時，該過壓也是反作用於氣翼區段6 的運動方向，並且轉子區段6的轉動停止。當然，本發明的所有實施例都可以相互結合。根據本發明的風能系統包括至少一個轉子和至少具有氣翼區段6的豎直氣翼葉 輪，其包括根據本發明的用於空氣動力制動器的控制裝置1以及至少一個能量消耗裝置。 能量消耗裝置可以例如是消耗分別由轉子和豎直氣翼葉輪的轉動所提供的機械能轉化為電能的發電機，該豎直氣翼葉輪包括至少一個氣翼區段6。然而該能量消耗裝置也可以是不 同的設備，例如，泵、粉碎機或類似物。圖7示出了豎直軸風力渦輪機H(VAWT)的分別的風 能設備和風能系統，其設置具有根據本發明的控制裝置1。此外，加熱裝置也設置在根據本發明的風能系統中。該加熱裝置(圖8)是形成 引導邊部的結構部件，該加熱裝置將由電能和/或機械能轉換裝置提供的多餘能量的一部 分傳遞到至少一個氣翼區段6的引導邊部的內側，以便加熱至少一個氣翼區段6的引導邊 部。多餘的熱能來自能量消耗裝置並被直接引入到至少一個氣翼區段的引導邊部的內側。 由於已知在引導邊部16處冰的形成發生最為嚴峻，根據一個實施例，熱能僅沿著引導邊部 16(圖8)的內側引導，即在氣翼區段6的內前區域M中。如果能量消耗裝置是發電機，那 麼發電機的電能也可以用於加熱至少一個氣翼區段6的內側，如果電加熱裝置與其一同在 氣翼區段6的內側工作的話。當然，所有可應用類型的能量都可用於加熱氣翼區段6的引 導邊部，並且它們可以彼此結合，以便在具體執行的情況下實現氣翼區段的引導邊部的可 選擇地加熱。提供有一種根據上面的描述的控制裝置，其中，慣性臂剛性地連接到扭轉元件3， 該扭轉元件3在與旋轉軸垂直的慣性臂的第一和第二端之間。提供有一種根據上面的描述的控制裝置，其中，互聯臂剛性地連接到扭轉元件3， 該扭轉元件3在與旋轉軸垂直且與慣性臂垂直的互聯臂的第一和第二端之間。本發明的所有上述的實施例、變形和局部特徵都可以彼此結合。同樣，也可以在 豎直軸風力渦輪機14中應用根據本發明的多個控制裝置1，它們可以獨立操作或者彼此聯 合。在一個豎直軸風力渦輪機14中的根據本發明的多個控制裝置1也可以彼此獨立地操 作。雖然對本發明的實施例已經進行了示例性的描述，但它們並非旨在理解為用於限 定所附權利要求的範圍。本領域技術人員應當知曉，對於所描述的實施例可以進行不同的 改變和變型，並且在不脫離本權力要求的範圍的情況下，各實施例的多種其它結構或組合 也能夠達到同樣的結果。事實上，本發明會建議用於其他工作的方案和用於其他應用的採 用。在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，申請人意在通過權利要求覆蓋本發明的所有 應用以及改變和改進，這通過出於公開的目的的實施例而實現，。參照上面的描述，本發明的多種變型和改變都變得可能。因此，應當理解的是，在 權利要求的範圍之內，本發明也可以採用與所具體描述的不同的方案來實現。附圖標記列表
1控制裝置
3扭轉元件
4配重組件總成
5配重元件
6氣翼區段
7促動器組件總成
8促動器
9限制器(多個)
10限制器
11聯結裝置
12慣性臂
13互聯臂
14豎直軸風力渦輪機
15轉動軸
16引導邊部
17拖尾邊部
18連接元件
19扭轉元件的轉動軸
20槓桿臂
21制止臂
22阻流板
23鉸鏈裝置
A用於在4和22之間的連接元件18的連接點
B用於在4和22之間的連接元件18的連接點
C用於相鄰控制裝置1之間的連接元件18的連接點
D用於相鄰控制裝置1之間的連接元件18的連接點
E用於促動器8的連接點
1權利要求
1.在豎直軸風力渦輪機的至少一個氣翼區段中的用於豎直軸風力渦輪機的空氣動力 制動器的控制設備，包括扭轉元件，以能夠扭轉；至少一個配重元件，以通過由該氣翼區段的旋轉所產生的離心力而延伸該空氣動力制 動器；和槓桿臂，與促動器相連接，其中所述槓桿臂由所述促動器促動，以延伸該空氣動力制動ο
2.如權利要求1所述的控制裝置，其中，該至少一個配重元件設置在慣性臂上。
3.如權利要求1所述的控制裝置，其中，該扭轉元件可操作地連接至慣性臂。
4.如權利要求2所述的控制裝置，其中，該慣性臂的運動被限制器限制在一預定的運 動範圍內。
5.如權利要求1所述的控制裝置，還包括聯結裝置，該聯結裝置對該槓桿臂和該至少 一個配重元件進行可選擇地聯結或解除聯結。
6.如權利要求1所述的控制裝置，還包括聯結裝置，該聯結裝置經由互聯臂對該槓桿 臂和該至少一個配重元件進行可選擇地聯結或解除聯結。
7.如權利要求1所述的控制裝置，還包括調整馬達。
8.如權利要求4或5所述的控制裝置，其中該促動器藉助於該聯結裝置而聯結至該空 氣動力制動器。
9.如權利要求1所述的控制裝置，其中，當該槓桿臂通過該聯結裝置聯結至該促動器 元件時，該聯結裝置阻止該空氣動力制動器的該阻流板被離心力延伸。
10.如權利要求1所述的控制裝置，其中，當該槓桿臂與該促動器元件解除聯結時，該 聯結裝置允許該空氣動力制動器被離心力延伸。
11.如權利要求1所述的控制裝置，其中，只要該聯結裝置將該槓桿臂和該配重元件聯 結，該促動器就能夠運動該配重元件。
12.如權利要求1所述的控制裝置，其中，當該促動器至少部分地失效時，該聯結裝置 適合於將該槓桿臂與該互聯臂解除聯結，其中該聯結裝置適合於在供給到該聯結裝置的電 流中斷時解除聯結。
13.如權利要求1所述的控制裝置，其中，該扭轉元件包括彈簧元件。
14.如權利要求1所述的控制裝置，其中，該槓桿臂可旋轉地安裝在該扭轉元件上。
15.如權利要求12所述的控制裝置，其中，該扭轉元件從該氣翼區段的該引導邊部延 伸至該氣翼區段的該拖尾邊部。
16.如權利要求2所述的控制裝置，其中，該慣性臂通過至少一個連接元件連接至該空 氣動力制動器。
17.如權利要求1所述的控制裝置，其中，該空氣動力制動器包括至少一個護罩裝置， 該護罩裝置定位在該氣翼區段的外表面，使得該護罩裝置的表面能夠從基本平行於該氣翼 區段的旋轉方向的位置可選擇地延伸直到基本垂直於該氣翼區段的旋轉方向的位置。
18.如權利要求1所述的控制裝置，其中，該配重元件被設置為，在該轉子旋轉期間該 配重元件通過離心力可徑向朝外運動。
19.如權利要求1所述的控制裝置，還包括制止元件，當該促動器未被促動時，該制止元件促使該促動器對抗彈簧元件的預載而 延伸該空氣動力制動器。
20.用於豎直軸風力渦輪機的氣翼區段，包括至少一個在豎直軸風力渦輪機的至少一 個氣翼區段中的用於豎直軸風力渦輪機的空氣動力制動器的控制裝置，包括扭轉元件，以能夠扭轉；至少一個配重元件，以通過由該氣翼區段的足夠高速的旋轉所產生的離心力而延伸該 空氣動力制動器；槓桿臂，可連接至促動器，其中所述槓桿臂由所述促動器促動，以延伸該空氣動力制動器。
21.如權利要求21所述的氣翼區段，包括多個控制裝置，其中這些控制裝置被至少一 個連接裝置聯結，以在相互之間傳遞慣性臂的旋轉運動。
22.風能系統，包括至少一個轉子，具有至少一個用於豎直軸風力渦輪機的氣翼區段，該氣翼區段包括至 少一個在豎直軸風力渦輪機的至少一個氣翼區段中的用於豎直軸風力渦輪機的空氣動力 制動器的控制裝置，包括扭轉元件，以產生扭轉；至少一個配重元件，以通過由該氣翼區段的足夠高速的旋轉所產生的離心力而延伸該 空氣動力制動器；和槓桿臂，與該促動器相連接，其中所述槓桿臂由所述促動器促動，以延伸該空氣動力制 動器。
23.如權利要求23所述的風能系統，還包括加熱裝置，該加熱裝置設置為將至少一個 能量消耗裝置中的能量傳導到該氣翼的引導邊部的內側，以從內側加熱該氣翼引導邊部。
24.用於具有控制裝置的豎直軸風力渦輪機的空氣動力制動操作的方法，所述方法包括將機械能存儲在配重元件中，其中槓桿臂與促動器連接並且被促動器所促動以延伸空 氣動力制動器；將槓桿臂從慣性臂解除聯結；通過利用離心力來運動該慣性臂，而將該空氣動力制動器運動至一位置直到基本垂直 於氣翼區段的旋轉方向。
25.如權利要求25所述的方法，其中，該解除聯結是由促動器的故障所觸發的。
26.如權利要求25或沈的方法，其中，該解除聯結是由供給到聯結裝置的電流的中斷 所觸發的。
全文摘要
提供了一種用於風能轉換器的空氣動力緊急制動器的無磨損的、自包含的控制系統，該控制系統包括多個組件，以便通過制動器提供最有效的手段來控制豎直軸風力渦輪機的旋轉。它能夠在存在故障時自我促動而不需要外部促動，並且能夠關閉豎直軸風力渦輪機。因此，配重元件被用於存儲機械能，進而被用於進行空氣動力制動操作。還提供了一種用於控制和限制在大風條件下被渦輪機所吸收的扭轉量的手段，並且因而提供了超過渦輪機的普通操作的風速的收集電能/機械能的能力。
文檔編號F03D7/02GK102105683SQ200980103412
公開日2011年6月22日 申請日期2009年1月22日 優先權日2008年1月29日
發明者克勞斯·柯林 申請人:克勞斯·柯林