用于先进风轮机构造的方法和设备的制作方法

专利名称：用于先进风轮机构造的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及替代性能源，而且更加具体而言，涉及用于先进风轮 机构造的方法和设备。
背景技术：
当前的风轮机装置通常利用连接于风轮机轴上的直接驱动发电机 或齿轮传动的发电机。在这种装置中存在固有的问题，即，随着风速 变化，发电机的输出频率也发生变化。然而，对于可由电网使用的发 电机输出而言，输出的信号需要转变为与电网频率相匹配，电网的频率在美国为60Hz，在欧洲为50Hz。通常用额外的频率转变站进行从可 变的风轮机发电机输出频率到恒定电网频率的转换。这种额外的频率 转换站可以包括转换器和/或其他的相位校正电路。这样的转换站可能 非常昂贵，并且实现和维护复杂。此外，还存在固有的效率低的问题， 这导致在频率转换过程中产生能量损失。因此，合乎需要的是，用于 风轮机构建的新方法和设备使得将发电机输出频率控制为与电网频率 相匹配，而无需附加的频率转换站。连接到电网的当前的风轮机构造不提供或提供非常有限的警报来 警示由于不利风况引起的输出损失。发电机输出的损失可能是由于风 速较低或没有风的状况导致风能不足以继续驱动涡轮。发电机输出的 损失也可能是由于风速较高的状况引起的，如果允许风轮机继续运行， 这就有可能使风轮机元件过载，因此在检测到高风速的时间段内通常 有意地使风轮机离线，以防止损坏风轮机。从电网管理的角度而言， 风轮机发电机输出能量水平和快速切断的矛盾导致平衡问题。在种的 情况下，电网只有非常短的时间来寻找代用能源并将该代用能源送上 线，以使电网平衡、在可接受的范围内调节电压电平、防止线电压下降/急剧上升，以便继续满足用户的能量需求和/或维持可接受的服务质 量。合乎需要的是，用于风轮机构建的新方法和设备使得将风轮机发 电机的输出控制为不管风况如何变化都能提供更加均匀的功能输出水 平。还有利的是，用于风轮机构建的新方法和设备提供更加平缓的能 量输出水平下降和/或向电网提供较早的警报来警示即将到来的输出功 率损失。停机之后，当前的风车涡轮通常需要利用来自电网的电/动力重新 启动它们，以恢复运行。在许多情况下，低速风不能提供足够的能量 来启动风轮机的旋转，所以需要来自电网的动力来驱动马达以开始旋 转。风轮机启动能量需求为电网带来额外的负荷。在大致同一区域内 连接大量类似或相同风轮机的电网中受到大致相同风况，许多这些发 电机涡轮试图在大致相同的时刻启动并非不常见，因此给电网带来相 当短暂的额外负荷。有鉴于此，研发这样的方法和设备将是有利的， 即，这样的方法和设备使得风轮机发电机在由于风况而中断运行后可 在它们自身动力的作用下启动，从而不给电网带来启动负荷负担，该 启动负荷负担将从电网汲取能量并会扰乱电网的电力平衡管理。当前风轮机面临的另一问题是能量吸收带宽通常较窄。目前多数 的风轮机在风速太低或太高时停机。现有风轮机系统的通常风速带宽约为9mph至25mph。有利的是，风轮机构建的新方法和设备能扩展能 量吸收带宽，与当前系统相比，风轮机能在更低和/或更高的风速下吸 收风能，因此就时间平均而言能捕捉更多的风能。当前的风轮机具有涡轮叶片，这些涡轮叶片构造成在9mph至 25mph范围内产生能量。为了在低速风中产生能量，叶片可以是可变 间距的叶片，这样的叶片使得能在低风速下捕捉能量。为了能够捕捉 低速风能并运行涡轮，涡轮叶片面积必须足够大。然而，因为大尺寸 的叶片在高风速下增加了潜在结构故障的可能性，实现构造成适应于 在较低风速下捕捉风能的大涡轮叶片面积变得不利于在较高的风速下捕捉风能。因此，这种利用较大尺寸的涡轮叶片从低速风捕捉能量的 装置，要求风力涡轮机在较低的风速上限停车，以防止潜在的结构损 坏。有鉴于此，有利的是，风轮机构建的新方法和设备适于适应在低 速端和高速端的独特构建要求。当前的风力涡轮具有非常有限的能量储存能力或没有能量储存能 力。在能量吸收范围内的有利风况带来的高风能捕捉时间的时间段通 常与用户的能量需求水平不相对应。过量的能量通常或者被浪费掉， 例如，由于风轮机的耗能动作而消耗掉，或者在电网功能管理调节来 自另一源的能量输入的情况下，例如，减少矿物燃料电厂的能量输出 的情况下转入电网中，以适应于从风源增加的能量。风轮机中即使是 非常小的改进也能够带来显著的能量效率和相应的环境利益。因此， 有利的是，研发风轮机的方法和设备使得风轮机具有显著的能量储存 能力。此外，非常希望的是，增加涡轮可用来产生功率的风速范围。发明内容本发明涉及先进风轮机构建、控制和能量储存的方法和设备。本 发明的各种特征可单独地或组合地配置。本发明的各种实施例的一个特征是风轮机系统包括例如直接、通 过齿轮箱或通过传输组件而连接于液压泵的风轮机叶片组件。在一些 这样的实施例中，其上安装有风轮机叶片组件和/或液压泵的塔是中空 的塔，例如，金属钢腔室，其包括高压容器，风轮机驱动的液压泵将 加压的液压液体发送到该高压容器中，例如储器中。该压力容器可以 是塔支撑结构的一体部分。该塔也可以例如在其基部包括低压输送储 器。在一些实施例中，低压输送储器可以是单独的结构部分，例如， 基部结构或地面箱。能够从低压箱经由位于塔内部或塔附近的输送管 向液压泵的低压入口侧进行输送。来自液压泵的高压流体输出用于向 连接于发电机的液压马达提供动力。液压比例控制阀控制液压马达转动的速度/rpm，这依次又控制发电机转动的速度/rpm。在计算机控制模块的引导下进行操作对来自传感器的输入进行处理，所述比例控制阀 是计算机控制的，使得所产生的电的频率将与电网频率技术要求相匹 配，因此使得所产生的电能直接可用，并且不需要变压器或其他电子 装置将所产生的电能信号转换到电网频率。根据本发明的一些实施例，高压箱的容积使得以上描述的处理允 许将能量，例如过量的能量储存在高压箱内，使得在风轮机叶片例如 由于风速不足而停止旋转之后，液压马达的运行以及电的产生能继续 一段延长的时间。液压马达继续运行驱动发电机并产生电，同时高压 箱内的压力水平缓慢下降。本发明的这一特征使得在风力传感器已经 通知电网由于高风速或低风速而即将有能量损失之后的一些时间内能 够从风轮机系统输出电能。这一段电输出的延长时间使得能够将在风 轮机系统中产生电能损失通知给电网，此时风轮机已经变成被耗尽的 能量储存介质。这一早期通知的特征使得电网管理系统能够通过准备 调节其他的能源，例如，矿物能源的输出水平而适应电网上即将到来 的风源能量损失。该风轮机系统能够、而且在各种实施例中确实在其 将中断向电网输出电力的时间点之前提前通知能量管理系统。该风轮 机系统能够、而且在各种实施例中确实在其将重新连接到电网以传输 能量的时间点之前提前通知能量管理系统。根据本发明的各种实施例的另一特征，以液压形式储存的能量能 够降低到这样的水平，但是不降低到该水平下，在该水平传感器指示 在加压的液压流体内留有足够的储备容量可重新启动风轮机。然后， 在风况允许时，通过利用剩余的液压进行重新启动涡轮机，以启动液 压泵并启动涡轮叶片组件转动。利用所储存的液压重新启动风轮机的 本发明的这种方法消除了通常要加在电网上以重新启动风轮机系统的 负荷需求。在风况允许且计算机控制系统决定开始重新启动操作时， 于是储备容量改向通过液压系统，使得液压泵暂时变为马达，以使涡 轮达到重新启动能量产生循环所需的最小速度。高压流体或其调节水 平能够经由计算机控制的起动阀而被改向到低压输送管。所述低压输送管可包括止回阀以防止高压液压流体进入到低压储器。在上述风轮机系统的一些实施例中，所包括作为风轮机系统一部 分的液压系统不要求任何最小的转子速度来产生或储存能量，即，可 以用压力下的储存流体来产生电。在一些这样的实施例中，风轮机系 统将向储器内泵送液压流体，直到其被充满处于高压下，此时发电机 将被启动，直到其排放能量/液压流体压力到重新启动保留水平之下。 在本发明的一些实施例中，计算机控制系统将高压箱内的压力维持在 最小重新驱动水平之上，并且只要高于该最小重新启动水平则可以启 动发电机运行。在一些实施例中，在从风能产生过量能量的期间内， 例如，当前电网不需要发电机输出能量，则例如通过增加高压箱内的 液压和/或将电能引导到电储存装置，例如，电容器或电池组而储存过 量的能量。在一些实施例中，在风能产生的能量水平低于从高压流体 提取的水平的时间段内，例如，电网此时需要多于风力产生的的输出 能量，则可以从加压流体中提取能量，从而高压箱内的压力水平降低。在各种实施例中，利用多个液压马达和/或多个发电机来实现风轮 机系统。在一些这样的系统中，每个液压马达经由其自己的电控比例 阀和反馈电路能够被独立地控制。在一些这样的多个液压马达和/或多 个发电机的系统中，在不同的时候可以启动不同的组合以适应改变的 负荷需求和/或改变着的风况。本发明的一些实施例的另一个特征是在风轮机系统的叶片组件内 使用可调节的翼片。在一些这样的实施例中，涡轮机叶片具有巻轴縮 回翼片系统或其变型，从而可以改变叶片/翼片组合的面积。在包括可 控制翼片特征的各种实施例中，风轮机系统在用电子或液压方式縮回 翼片的毂上包括桅杆，例如碳素纤维桅杆。在各种实施例中，风轮机 系统包括风速传感器和/或风向传感器。在风速传感器指示出较低风速 状况时，可能时，通过利用液压和/或电动马达或其他机械装置展开巻 轴縮回的翼片能够可控制地增加翼片面积。 一些实施例包括确定翼片位置的传感器。在风速上升时，能够可控制地拉回或縮回翼片。在附 加的翼片面积将导致风轮机叶片组件的结构损坏的高风速下，可以将 翼片完全縮回到桅杆内。风轮机的一些实施例的另一特征在于，桅杆本身形成为具有些微 翼形形状。 一些这样的桅杆构造成使得它们在远远超过传统使用的典 型固定面积叶片的风捕捉高端速度的高端速度下的投影风速下能够承 受并收集能量。例如，根据本发明的桅杆结构能具有比展开的典型固 定面积叶片小的风收集表面面积，因为其能够在高风速端下使用，但 是不必依赖其在低风速端下成为主要的风收集源，在低风速端下翼片 起主要作用。在一些这样的包括些微翼形形状桅杆的实施例中，桅杆 结构还包括扭转器。翼形形状的桅杆和可调节翼片的实现通过允许在 比当前装置大得多的风速范围内产生能量能够在一定时间段内产生更 多的能量。例如在非常高的风水平下，横截面积比较小的翼形形状的 桅杆可捕捉高速风能，而在非常低的风速水平下，由展开的翼片提供 的比较大的横截面积能够捕捉低速风能。与传统装置相比，由于本发 明的这些构建特征，因而风速捕捉包线可以较大，并能够在低端和高 端下进行扩展。除了在上述高压液压流体中的能量储存容量之外，作为本发明一 些实施例的另一个特征， 一些液压流体能够在用于高能量电容器的塔 结构内移动。例如，在一些这样的实施例中，能量储存密度为30千瓦 -小时每千克的碳纳米管电容器包括在流体池内，其与塔并列或位于塔 附近，这提供了更大的现场能量储存解决方案。在包括一万磅这类材 料的电容器的一个这样的实施例中，风轮机系统储存的能量能使得4 兆瓦的风车能够在液压马达驱动器停机后继续运行34小时的延长输 出。本发明的这种方法能够平滑能量曲线，提高了风轮机的效率和/或 使得在一定时间内能够将更大量的能量输送到电网。上述系统可以包括传感器、控制系统、软件和硬件，其根据系统尺寸和要求的需求可以进行修改。上述风轮机系统的一些实施例包括 计算机控制的模块，该模块包括例如CPU的处理器、存储器和接口。 存储器包括程序和数据/信息。处理器执行所述程序并利用存储器内的 数据信息来控制风轮机系统的运行并执行本发明的方法。计算机控制 模块执行的一些这种功能可以包括监控风速和/或风向；监控和控制 例如叶片组件的指向的位置；监控翼片的位置并控制翼片的展开；监 控和控制液压泵；监控和控制液压马达；控制比例阀；控制起动阀； 控制重新启动顺序；监控高压和低压腔室内的压力；调节压力；监控 发电机输出；切换发电机输出至电网和/或电储存装置；控制从电储存 装置到电网的能量传送、对管理网络的通信和通知、通信协议操作； 切换多个液压马达和/或发电机的控制、和/或者故障检测监控、报告和 /或停机操作。即使叶片具有比较小的直径，例如小于300英尺，并且在一些情 况下，例如直径小于50、 100、 200或250英尺，本发明的系统也能够 具有比较大的翼片(叶片)表面面积，与公知的系统相比，系统能够 以较小直径的叶片运行，和/或在较低风速下运行。由于使用较小直径 的叶片，在叶片旋转时，叶片末端的速度能够比具有较大直径叶片的 公知系统的低。因为风车产生的噪音部分地是叶片旋转时叶片末端速 度的函数，与现有技术的具有较大直径半径所产生的噪音相比，利用 本发明的具有较短叶片半径的实施例能够产生较低的噪音。因为噪音 是人们反对风车的一个原因，所以与公知的系统相比，本发明的方法 和设备证明在降低噪音的方面是有利的。在以下的详细描述中将讨论本发明的多种其他特征优点和实施例。


图1是根据本发明并利用本发明的方法实现的示例性风轮机系统 的视图。图2是用于描述根据本发明的示例性风轮机在捕捉风能的叶片组 件驱动液压泵并且在高压箱内有足够的储存能量来驱动液压马达的情 况下的运行和流动的功能图。图3是用于描述根据本发明的示例性风轮机在这样一种状况下的 运行和流动的功能图，即，叶片组件已经停止旋转并且不再捕捉风能; 然而高压箱储存有超过重新启动所需的最少水平的足够能量，因此能 够继续液压马达的运行和发电机的运行。图4是用于描述根据本发明的示例性风轮机在叶片组件重新启动 操作过程中的运行和流动的功能图。图5是示出根据本发明的示例性叶片组件中的部件的视图。图6是示出图5的示例性叶片组件的视图，不过翼片示出为处于部分縮回的位置。图7是示出根据本发明的一些实施例的桅杆或支柱/内轴/翼片结 构的视图。图8为根据本发明的示例性毂组件的图上的头部的视图。 图9为示出根据本发明的一些实施例的能量储存特征件的视图。 图10为示出根据本发明各种实施例的示例性桅杆或支柱/内轴/翼 片结构的视图。图11为从不同的视角示出包括在图10的示例性结构中的一些部 件的视图。
具体实施方式
图1是根据本发明并利用本发明的方法实现的示例性风轮机系统 100的视图。所述示例性的风轮机系统100包括叶片组件102、主驱动 壳体104、支撑塔106、液压马达和发电机外罩108、低压箱110以及 计算机控制模块112。所述叶片组件102包括毂114、翼片展开齿轮组116、多个翼片轴 /叶片118、以及多个可收回的翼片120。所述叶片组件102用于捕捉风 能。叶片组件102在一些实施例中包括巻绕縮回翼片系统，从而可无级调节翼片的面积。连接至毂114的例如碳素纤维杆的翼片轴/叶片118 附连到翼片展开齿轮组116，并能够旋转从而放出和收回附连到翼片轴/叶片118上的翼片120。在一些实施例中，在叶片组件102内采用传 感器以检测翼片位置。通过调节露出翼片120的量，在现有的系统上 能够扩展可用于产生能量的风速范围。在非常低的风速下，翼片120 可以完全展开，使得风轮机100在低于9mph，例如4、 5和6mph下能 够捕捉能量。在非常高的风速下，翼片120可完全收起，从而降低作 用在叶片组件102上的应力。翼片轴/叶片118构造成使得在翼片120 完全收回时，翼片轴/叶片118具有能捕捉高速风能并能承受髙速风而 不会损坏结构的大致机翼形状。根据本发明，通过包含根据本发明的 这样的结构特征，风轮机100能在高于25mph、 30、 35或甚至每小时 40英里的风速下捕捉风能。该可变的翼片面积特征与机翼形翼片轴/叶 片118相结合允许现有结构上较大的风速范围，因此通过允许在比现 有结构大的风速范围内产生能量而能够在整个时间产生更多的能量。所述主驱动壳体104包括主驱动管122、泵驱动齿轮组124、液压 泵驱动轴126、液压泵128、主驱动壳体位置马达130、翼片张开展开 马达132以及翼片张开驱动展开传动轴134。所述主驱动管122的一端 结合至连接于叶片组件102的毂114，同时在主驱动管122的另一端， 附连到连接于主驱动管122上的齿轮124a与附连到连接于液压泵驱动 传动轴126上的齿轮124b啮合。主驱动齿轮组124包括齿轮124a和 124b。主驱动管122通过支撑支承组件支撑在主驱动壳体104内。液 压泵驱动轴126连接于液压泵128。风能由叶片组件102捕捉，翼片轴 /叶片118绕毂114的中心轴旋转。在毂114旋转时，主驱动管122旋 转，导致泵驱动齿轮组124的旋转和液压泵驱动轴126的旋转。在液 压泵驱动轴126旋转时，液压泵128旋转，产生液压。所述主驱动管122包括中空的中央中心部分，翼片展开驱动轴134 穿过其中设置。翼片展开马达132连接于翼片展开驱动轴134的一端， 而翼片展开驱动轴的另一端连接于翼片展开齿轮组116。在一些实施例中，翼片展开马达132为电动马达，而在其他实施例中，翼片展开马 达为液压马达。翼片展开马达132在受到控制以接合并旋转时使得翼片展开驱动轴134旋转，该受控的旋转经由翼片展开齿轮组116进行 传递，使得翼片轴/叶片118旋转，并且翼片120按照指令展开和縮回。 在其他实施例中，翼片展开马达或多个翼片展开马达安装在毂114内、 在翼片轴/叶片118内、和/或者连接于翼片轴/叶片118。在主驱动壳体104上连接有风力传感器136。风力传感器136检 测并测量风速，并且在一些实施例中检测并测量风向。在一些实施例 中，常用分离的传感器检测风速和风向。当风速传感器136检测并指 示出低风速情况时，若翼片没有完全展开，则可以通过控制翼片展开 马达132通过可控制的展开巻轴縮回的翼片以增加翼片面积，从而控 制翼片面积增加。当风速传感器136检测并指示出高风速情况时，若 翼片没有完全縮回，则通过控制翼片展开马达132通过可控制的拉回 或縮回巻轴縮回的翼片以减小翼片面积，从而控制翼片面积减小。所述主驱动壳体104经由主驱动壳体/塔结合界面基底138而机械 地连接于支撑塔106。所述主驱动壳体/塔结合界面基底138使得主驱 动塔104能够可控制地定向在不同的取向，以便捕捉主风，和/或将叶 片组件102置于其上应力最小的停机模式下。采用主驱动壳体定位马 达130，例如，电动马达或液压马达以定向主驱动壳体104的取向。支撑塔106包括高压箱140、高压箱传感器142、以及起动阀144。 高压箱140储存高压流体146。在一些实施例中，高压箱还可包括伸缩 软管组件。低压输送管148穿过或临近高压箱140。在低压输送管148 的底部是低压入口 152，其位于低压箱110内使得低压流体154能被吸 入到低压输送管内。在一些实施例中，低压箱110内包括有加压的惰 性气体155，例如氮气，并且惰性气体的压力有助于迫使低压流体154 向上到达输送管148。在支撑塔106的顶部上，液压旋转接头150将高 压的低压输送管148连接于液压泵128的低压入口，并将液压泵128的高压输出端连接于高压箱140。高压出口 153将高压流体从液压泵128排出到高压箱140。低压输送管148包括止回阀156。当重新启动风轮机100的液压 泵12S时，由于在高压箱140内有意维持足以重新启动水平的剩余压 力，起动阀144被控制成引导被调节的高压流体进入到低压输送管148 内。止回阀156防止加压流体进入低压箱110。加压流体进入液压泵的 入口，该液压泵此时用作启动叶片组件102旋转的液压马达。然后， 起动阀144切换为相对于低压输送管148密封高压箱140，而且风能继 续使叶片组件102旋转并且液压泵128停止作为液压马达运行，并且 以增加高压箱140内压力的能量储存运行模式运行。液压马达和发电机外罩108包括比例阀158、调节输出管线160、 液压马达162、联结轴164、发电机166以及输出切换器168。比例阀 158经由高压入口 170连接于高压箱140。比例阀158调节压力水平以 维持一致的受调节的压力水平，在可能的时候，以一致的速度驱动液 压马达162。比例阀158的输出经由受调节的输出管线160引导，该输 出管线160将比例阀158连接于液压马达162的入口。液压马达162 包括排出出口 172，通过该排出出口 172低压流体被排出到低压箱110， 当液压马达162被驱动时从加压的流体提取出所储存的能量。液压马 达162经由联结轴164连接于发电机166，该联结轴使发电机166运转 以产生电能。通过使液压马达162在恒定的受控速度下运转，发电机 166也在恒定的受控速度下运转，因此将所产生电信号的频率控制并维 持在与电网相容。发电机166的输出端，例如，三相输出线路，连接 于输出切换器168的输入端。输出切换器168的输出端连接于电网和/ 或储存装置。在发电机以合理容差之外的频率运行时，可以控制输出 切换器168使发电机从电网断开，使得液压马达和/或发电机的启动和 停机不会将有问题的信号引入到电网内。此外，在由于高压箱140内 的高压不充足而关掉液压马达162之前输出切换器168能用来切断发 电机的输出，并在启动已经稳定之后重新将发电机输出端连接到电网。低压箱110储存低压流体154。低压箱110还包括低压箱传感器155,该低压箱传感器155测量低压箱110内的压力和/或流体水平。在 一些实施例中，低压箱110还包括伸縮软管或浮动组件。所述计算机控制模块112包括对其他网络的接口、对传感器的接 口以及对控制装置的接口 。计算机控制模块112包括处理器和存储器。 存储器包括程序和数据/信息。例如CPU的处理器执行这些程序，并利 用存储器内的数据/信息控制风轮机系统100的运行并执行本发明的方 法。由计算机控制模块112控制的各种功能包括风测量、叶片组件启 动操作、翼片展开控制、主驱动壳体定位控制、压力调节控制、起动 阀运行、比例阀控制、发电机输出监控、发电机输出切换以及信令管 理网络状况的变化。计算机控制模块112接收的各种信号包括风力传 感器输出信号174、低压箱传感器输出信号176、高压箱传感器输出信 号178以及发电机输出监控信号180。计算机控制模块112接收的其他 信号可以包括指示翼片展开水平的位置指示器信号以及指示主驱动壳 体104方向的位置指示器信号。计算机控制模块112也可接收和处理 故障指示信号。计算机控制模块112产生的用于控制风轮机系统100 运行的各种输出信号包括所述展开控制信号182、壳体方向定位控制信 号184、比例阀控制信号186、起动阀控制信号188以及输出切换模块 控制信号190。计算机控制模块112还通过从控制线路到管理网络192 的信号而与管理网络接口，该信号是使风轮机下线的接收指令和在特 定的时间使风轮机下线的发送通知。在主驱动壳体104/主驱动壳体/塔结合界面基底138处设置有滑环。来自传感器136的风测量值可以由计算机控制模块112运行、处 理和使用以预测在不足以满足输出需求的风能输入将迫使停止能量输 出、并且切断发电机输出之前能够继续运行多长时间。根据高压传感器输出信号120的压力测量值，计算机控制模块能够预测剩余的能量 容量。计算机控制模块112能够经由控制线路192向管理网络通告情 况，并且在停止向电网输出能量之前提前发出通知。图2是用来描述在风轮机系统100内的运行和流动的功能图200。 所述功能图200包括低压箱110、高压箱140、低压输送管148、液压 泵128、起动阀144、止回阀156、电子比例阀158、液压马达162、受 调节的压力管线160、回流管线172、驱动联结器164、发电机166以 及储存装置202。所述储存装置202可以包括例如变换器、滤波器和储 存电池组。图2示出了示例性风轮机系统100在捕捉风能的叶片组件 102驱动泵128、并且在高压箱140内储存有足够能量来驱动液压马达 162的情况下的运行。由被叶片组件102捕捉的风能驱动的泵128从低压箱110虹吸低 压流体154，并产生液压。通过打开的止回阀156经由低压输送管148 向上提取低压流体154，并使其进入泵128的低压侧。在这些所描述的 运行状态下，经由控制信号188在计算机控制模块112的引导下将起 动阀144控制为关闭。泵128对流体加压，其中泵的高压侧连接于高 压箱140。经由控制信号186在计算机控制模块112的引导下控制电子比例 阀158，以调节至液压马达162的压力，使得液压马达162在受控的确 定转速下将继续运转。在一些实施例中，可以包括传感器以监控驱动 联结器164的旋转速度，并将这些信息发送到计算机控制模块112以 在闭环控制操作中使用。高压流体146进入电子比例阀158，被调节为 管线160内的受调节的压力流体，所述流体然后通过液压马达162，使 驱动联结器164旋转以在受控的转速下驱动发电机。这导致发电机166 在例如60Hz或50Hz的恒定频率下产生电能，该电能被输出到电网和/ 或储存装置202。从液压马达162排出的液体经由回流管线172而返回 到低压箱110。如果例如由于有利的风况，泵128产生的能量多于液压马达162所消耗的能量，则允许高压箱内的压力在高压箱140的安全极限内增 加，因此储存过剩的能量以备将来之用。如果泵128产生的能量少于 液压马达162当前消耗的能量，则高压箱140内的压力将下降。根据本发明的各种实施例的一个特征，高压箱MO内的压力至少 维持为在叶片组件102已经停止后重新启动液压泵128所需的最小值。 在超过该最小启动压力水平阈值之前，经由控制信号186在计算机控 制模块112引导下电子比例阀158截断至液压马达162的流动。图3为用来描述在风轮机系统100内的运行和流动的功能图300。 功能图300包括低压箱110、高压箱140、低压输送管148、液压泵128、 起动阀144、止回阀156、电子比例阔158、液压马达162、受调节的 压力管线160、回流管线172、驱动联结器164、发电机166、储存装 置202以及止回阀302。图3示出了示例性风轮机系统100在这样的状 况下的运行，即，叶片组件102己经停止旋转并且不再捕捉风能；但 是，高压箱储存有足够的能量，其高于重新启动所需的最少水平，因 此液压马达162的运行和发电机166的运行能够继续。液压泵128没 有旋转。止回阀156和302闭合，而且起动阀144也闭合。经由控制 信号186在计算机控制模块112的控制下电子比例阔158继续允许流 动。高压流体146进入电子比例阀158,被调节到变为在管线160内 的受调节的压力流体，所述流体然后通过液压马达162，使驱动联结器 164旋转，以在受控的转速下驱动发电机。这导致发电机166在例如 60Hz或50Hz的恒定频率下产生电能，该电能被输出到电网和/或储存 装置202。从液压马达162排出的液体经由回流管线172返回到低压箱 110。在此运行模式中，高压流体的压力水平逐渐降低。在高于重新启 动所需最小压力的某一水平下，经由控制信号186控制电子比例阀，以停止通过液压马达162的流动，因此保持高压箱内的压力水平。图4是用来描述在风轮机系统100内的运行和流动的功能图400。 功能图400包括低压箱110、高压箱140、低压输送管148、液压泵128、 起动阀144、止回阀156、电子比例阀158、液压马达162、受调节的 压力管线160、回流管线172、驱动联结器164、发电机166、储存装 置202以及止回阀302。图4示出了示例性风轮机系统100在重新启动 叶片组件102的运行的状况下的运行。起初，液压泵128不旋转。经 由控制信号188由计算机控制模块112将起动阀144控制为打开，允 许高压流体或其某些受调节的水平进入低压输送管148。关闭止回阀 156,以防止高压流体进入低压箱110。通过起动阀144的高压流体进 入泵128的入口侧，该泵128此时用作液压马达。在泵128的入口侧 上的压力使得泵128开始旋转，这依次使泵128与其机械地连接的叶 片组件102旋转。启动叶片组件102旋转后，风能继续使叶片组件102 保持旋转。经由控制信号188将起动阀144控制为断开，并且液压泵 在风能的作用下继续旋转，其中泵128通过此时打开的止回阀156吸 入低压流体154，对所述流体加压，高压流体通过此时打开的止回阀 302而排出进入到高压箱140内。此时在风能作用下运行的液压泵128 继续抽吸，提高高压箱140内的压力。在某些检测到的高压水平下， 计算机控制模块112确定压力高得足以使液压马达162重新运行。经 由信号186将电子比例阀158控制为打开，并将受调节的压力传送到 液压马达162。 一旦实现了稳定化的旋转运行后，发电机的输出能够切 换到接通，以与电网/储存装置202重新连接。图5是示出了根据本发明的示例性叶片组件中部件的视图。所述 示例性叶片组件500可以是图1中的示例性风轮机100的叶片组件102。 中央毂502可以是包括翼片展开齿轮组116的毂114，而桅杆504和支 柱506可以是翼片轴/叶片118，且翼片508可以是图1的翼片120。叶 片组件500包括多组(例如四组)桅杆504、支柱506和翼片508。桅 杆504包括内桅杆轴510，而支柱506包括内支柱轴512。对于给定的一组桅杆504、支柱506和翼片508，该结构使得翼片508能绕内桅杆 轴510和内支柱轴512中的一个巻绕，并且当翼片展开或縮回时翼片 508可沿着另一个轴滑动。翼片508由能在例如内支柱轴512或内桅杆 轴510的轴上巻绕的柔性翼片材料制成。 一些桅杆504和/或支柱506 包括翼片508被巻绕时可縮回到其中的狭槽。 一些桅杆504和/或支柱 506包括在翼片展开或縮入时翼片508或翼片锚固件沿着其滑动的狭 槽。在一些实施例中，每个翼片508沿着所述轴中的一个轴，例如支 柱轴512巻起/巻出，并沿着另一轴，例如桅杆轴510拉下/拉上。在一 些实施例中， 一些翼片508沿着内桅杆轴510巻起/拉出，而一些翼片 508沿着内支柱轴512巻起/拉出。
图5示出了翼片508己经完全被展开的状况。
图6为示出了图5的示例性叶片组件的视图600，不过示出的是 处于部分縮入状态的翼片。
图7是示出了根据本发明的一些实施例的示例性桅杆或支柱/内轴 /翼片结构的视图700。桅杆或支柱704包括内轴706，翼片702可以在 该内轴上巻入或放出。在一些实施例中，桅杆或支柱704具有翼形形 状，使得风轮机即使在翼片完全缩入的情况下也能捕捉风能。桅杆或 支柱704可以是图5的桅杆504或支柱506;内轴706可以是图5的内 桅杆轴510或内支柱轴512;翼片702可以是图5的翼片508。
图10是示出了根据本发明的各种实施例的示例性桅杆或支柱/内 轴/翼片结构1000的视图。所述示例性结构1000包括桅杆或支柱1002、 内轴1004、带槽引导件/支承1006、轴环组件1008、翼片固定环1016、 以及翼片1018。内轴1004包括带螺纹的外部1010。轴环组件1008包 括带螺纹的内部1012以及翼片连接部分1014。内轴1010的带螺纹外 部与轴环组件的带螺纹内部1012啮合。该轴环组件被限制于桅杆或支 柱1002的带槽引导件/支承1006。在内轴1004作为翼片展开操作的一部分而旋转时，轴环组件沿着轴1004运动。翼片1018附着于翼片固 定环1016;该翼片固定环连接于轴环组件的翼片连接部分1014。在轴
环组件1014沿着内轴1004运动时，翼片的端部随着被拖动。
图ll是从不同的视角示出了包括在图IO的示例性结构1000内的 一些部件的视图1100。翼片1018示出为处于部分缩入的状态。
图8是根据本发明的示例性毂组件800的图上的头部的视图。毂 组件800可以用于图1的风轮机系统100内。毂组件800包括毂802、 翼片展开驱动轴/桅杆轴齿轮812、四个桅杆轴驱动齿轮814、四个桅杆 轴/支柱轴齿轮816和四个支柱轴驱动齿轮818。桅杆804和支柱806 分别经由支撑件820、 822而连接于毂802上。翼片展开驱动轴824连 接于翼片展开驱动轴/桅杆轴齿轮812上。在齿轮812旋转时，四个桅 杆轴驱动齿轮814旋转，使桅杆轴808转动以展开或缩入翼片。此外， 在桅杆轴旋转时，桅杆轴/支柱轴齿轮816旋转。齿轮816与支柱轴齿 轮818啮合；因此支柱轴810也相应地与桅杆轴的旋转一起旋转，以 执行受控的翼片展开或翼片縮入操作。
图9为示出了根据本发明的一些实施例的能量储存特征件的视图 900。风轮机塔结构卯2包括高能量电容器或电容器组904。电容器卯4 电连接于接口电路906。接口电路906可以包括切换、滤波、和/或转 换电路，并且可以在风轮机系统内的计算机控制模块，例如图1的示 例性系统的模块112的引导下运行。接口电路906还连接于风轮机发 电机输出端908和电网和/或负荷910。在风轮机发电机输出端产生的 能量超过电能负荷要求的情况下，可以将额外的能量储存在高能量电 容器904内。在风轮机发电机的能量输出低于电负荷要求或发电机输 出为零的情况下，于是可以从电容器904提取出储存的能量并将其供 应到负荷。
在一些实施例中，液压流体在用于高能电容器904的塔结构内移动。高能电容器904例如是能量储存密度为30千瓦-小时每千克的碳纳
米管电容器。在一些实施例中，高能电容器904包含在流体池内，或
与塔并列。除了储存在高压箱中的高压流体内的能量之外，由高能电
容器904提供的附加能量储存容量可以显著提高根据本发明一些实施 例的风轮机的现场储能容量。例如，重量为一万磅的30千瓦-小时每千 克的碳纳米管电容器在高能量输出的期间内可充电至使得4兆瓦的风 车系统能够在发电机不能产生能量的情况下进行34小时的延长输出。 该能量储存增强容量将使能量曲线平滑，提高风轮机系统的效率，因 此使得在一定时间内有更多的能量传送到电网。
尽管已经描述了利用机械装置机构控制翼片的展开，但是也可以 采用电动马达驱动的方式来控制翼片材料的展开和縮回。在一个这样 的实施例中，在计算机控制系统的控制下由作为风速的函数而产生的 电信号控制的电动马达用来驱动每个叶片内的翼片展开。在一个这样 的系统中， 一个电动马达安装在对于每个叶片的转子组件的中心附近 并且用来控制该叶片的翼片的展开。通常，控制对应于彼此相对安装 的两个叶片的两个马达使翼片材料均匀展开并维持叶片平衡。
在各种实施例中，利用一个或多个模块实现这里描述的要素，以 执行对应于本发明的一种或多种方法的步骤。因此，在一些实施例中， 利用模块实现本发明的各种特征。这些模块可利用软件、硬件或软件 和硬件的组合实现。以上描述的多种方法或方法步骤能够利用包含在 机器可读介质，例如，诸如RAM、软盘等的存储器装置内的机器可执 行指令(诸如软件)来执行，以控制机器，例如具有或没有附加硬件 的通用计算机来执行所有或一部分上述方法，例如在一个或多个节点 内。因此，尤其是，本发明还可面向包括机器可执行指令的机器可读 介质，用于使机器，例如处理器和作为测试装置一部分的相关硬件来 执行上述方法中的一个或多个步骤。
鉴于本发明上面的描述，对上面描述的本发明的方法和设备的多种另外的变化对于本领域的技术人员而言将是很显然的。应当认为这 些变化属于本发明的范围内。
权利要求
1.一种风车组件，其包括叶片组件；液压泵，该液压泵连接至所述叶片组件；高压储存箱，该高压储存箱连接至所述液压泵，用于在压力下储存由所述泵输出的液压流体；液压马达，该液压马达具有连接至所述高压储存箱的流体入口；以及发电机，该发电机连接于至所述液压马达。
2. 根据权利要求l所述的风车组件，其还包括 定位在所述高压储存箱和所述液压马达之间的比例阀，用于控制供应至所述液压马达的液压流体的流体量和压力中的至少一个。
3. 根据权利要求2所述的风车组件，其还包括 计算机控制模块，该计算机控制模块作为所述高压箱内的液压流体压力的函数而控制所述比例阀。
4. 根据权利要求3所述的风车组件，其还包括支撑塔，所述高压箱的至少一个壁为所述支撑塔的一体部分。
5. 根据权利要求3所述的风车组件，其还包括 风力传感器，该风力传感器用于检测风速；阀，该阔将所述高压箱的输出端连接至所述液压泵的输入端；以及位于所述计算机模块内控制模块，用于控制所述阀，以将压力下 的液压流体供应到所述液压泵。
6. 根据权利要求5所述的风车组件，其中，所述控制模块包括计算机可执行的指令，以在所述风力传感器指出至少是预定风速时打开 所述阀，以使所述液压泵作为驱动马达运行以引起所述叶片组件的启 动旋转。
7. 根据权利要求3所述的风车组件，其中，所述叶片组件包括多 个叶片，所述叶片中的至少一些叶片包括可縮回的翼片组件。
8. 根据权利要求3所述的风车组件，其中，所述计算机控制模块监控所述风力传感器，用于判断风速是否不足以以连续的方式产生电能，并且在预定量的不足够风速之后产生警报，所述警报指示利用 所述高压液压流体产生电能的能力预计在将来的某一时刻停止。
9. 根据权利要求8所述的风车组件，还包括连接至辅助液压马达的输出端的低压流体箱，该低压流体箱在其顶部处包括有加压的惰性 气体。
10. 根据权利要求9所述的风车组件，还包括电储存电容器，其设置在所述高压流体箱和低压流体箱中的至少 一个内，所述电容器暴露至存储在所述高压流体箱和低压流体箱中的 所述一个内的液压流体。
11. 根据权利要求1所述的风车组件，其中，所述液压马达和发 电机组件设置在地面处，并且其中所述液压泵设置在位于所述支撑塔 顶部处的主驱动壳体内。
12. 根据权利要求ll所述的风车组件，其中，所述发电机直接连 接至所述液压马达，并且以与所述液压马达相同的速率旋转。
13. 根据权利要求3所述的风车组件，其中，所述计算机控制模 块作为风速的函数而控制翼片展开的量。
14. 根据权利要求13所述的风车组件，其中，所述叶片组件包括 桅杆和支柱，所述翼片组件在处于縮回状态的情况下巻绕在所述支柱 内。
15. 根据权利要求14所述的风车组件，其中，所述计算机控制模块响应于所检测风速的变化而动态地改变翼片展开量。
16. 根据权利要求15所述的风车组件，还包括翼片驱动马达和连 接至所述翼片驱动马达的齿轮组件，所述翼片驱动马达的旋转使得所 述齿轮组件根据所述齿轮组件的旋转方向而旋转退绕或旋转巻绕所述 翼片。
17. —种利用风产生电能的方法，其包括运行风力驱动的液压泵，以将压力下的液压流体泵送到第一储存箱；将处于压力下的液压流体从所述第一储存箱释放至液压马达； 运行所述液压马达以驱动发电机；以及 输出由所述发电机产生的电流。
18. 根据权利要求n所述的方法，还包括控制至所述液压马达的液压流体的释放，以在所述第一储存箱内 的压力变化时在一段时间内维持恒定的转速。
19. 根据权利要求18所述的方法，还包括 运行由风力驱动的叶片组件，以使所述液压泵旋转； 监控所述第一箱内的压力以及风速；以及在所述风速下降到足以维持电能输出的水平以下时产生警报信号。
20. 根据权利要求18所述的方法，还包括作为所述监控压力和所述风速的函数而产生信号，该信号指示在 预计由于风速不足以维持电流输出而停止输出电流之前的时间量。
21. 根据权利要求18所述的方法，还包括 在执行输出电流的所述步骤之前；利用输出自所述第一箱的处于压力下的液压流体以驱动所述叶片 组件，因而便于叶片从初始非旋转状态旋转。
22. 根据权利要求18所述的方法，还包括其中，控制液压流体至所述液压马达的释放，以维持恒定的转速， 该控制包括利用计算机控制用于向所述液压马达供应液压流体的比例 阀，所述计算机利用指示所述第一箱内的压力的压力信息来确定打开 所述比例阀的程度。
23. 根据权利要求22所述的方法，还包括 将所述液压马达输出的液压流体储存在第二储存箱内；以及 将保持在比所述第一储存箱内的压力低的压力下的气体包括在所述第二储存箱内。
24. 根据权利要求19所述的方法，还包括 将所述液压泵安装在安装有所述叶片组件的塔的顶部上；以及 在所述塔内包括所述第一和第二储存箱中的至少一个。
25. 根据权利要求24所述的方法，还包括将所述液压马达和所述发电机安装在靠近所述塔的基部的地面上。
26. 根据权利要求18所述的方法，还包括操作所述计算机作为风速的函数而控制叶片表面积的量，所述计算机使得形成所述叶片表面的至少一部分的翼片表面积作为所检测风 速的函数而而伸展或縮回。
全文摘要
一种风轮机组件包括可变的叶片组件，该叶片组件包括可调节的翼片和沿着风速捕捉包线延伸的机翼形桅杆。叶片组件转动液压泵，该液压泵对流体加压并将加压的流体储存在支撑塔内的腔室中。加压流体通过可电子控制的比例阀而被引导到连接于发电机上的液压马达。计算机控制模块操作比例阀来调节至液压马达的压力，维持发电机转速，并向电网提供一致的输出频率。储存在高压箱内的能量用于在风停止后继续发电机的运行，使得能较早地提出警报，通知动力管理系统即将有功率损失。高压箱内剩余的压力使得能通过液压而不是从电网抽取动力来重新启动运行。现场有高能电容器储存额外的能量。
文档编号F03D9/00GK101268275SQ200680034546
公开日2008年9月17日 申请日期2006年7月26日 优先权日2005年7月27日
发明者弗兰克·麦克林蒂克 申请人:弗兰克·麦克林蒂克