专利名称：用于风能转换器的空气动力制动装置的控制装置和方法
用于风能转换器的空气动力制动装置的控制装置和方法
背景技术：
本发明涉及一种限扭矩控制装置，特别是在垂直轴风力涡轮机中应用的空气动力 制动器，以及采用加热的方法对垂直轴风力涡轮机气翼进行消冰的手段。在风能利用开发的高速向前发展过程中，通常希望以更加高效的方式来分别设计 风能设备和风能系统。然而，不管是将风能设备设计为竖直轴风力涡轮机H(VAWT)还是水 平轴风力涡轮机(HAWT)，它们在强风条件下的控制是个需要注意的问题。公知的竖直轴风 力涡轮机例如是萨沃尼斯(Savonius)风力涡轮机或达里厄(Darrieus)风力涡轮机(主要 为旋翼(Giromill)风力涡轮机)。需要注意的是，用于竖直轴风力涡轮机的转子不能理解 为螺旋桨，而是可以分别作为翼状驱动气翼和竖直气翼叶轮，或者阻力叶轮，即风速计，它 们都是通过其阻力而被完全驱动。竖直气翼叶轮遵循类似飞机机翼那样的产生上升力的活 动原则，虽然上升组件不能起到对抗重力的作用(像飞机那样)，但是，正如本领域技术人 员所公知的那样，水平地与重力矢量呈90度，因此，通过将升力转化为扭矩以驱动涡轮机。主要在高风速情况时，转子的旋转速度必须受到限制，以避免由于超额的风能造 成对风能系统的损害和破坏。此外，即使在风能驱动风能系统时，也必须有能力关闭风能系 统，以便维护工作和修理工作。因此，重要的是，每个风能系统包括制动装置。然而，诸如轮 碟形制动器或鼓形制动器的常规制动器是不适合的，因为它们受制于高磨损。此外，必须确 保永久的制动能力。基于摩擦的制动器可能会自身加热直至发生制动失效。在现有技术中， 可能通过使用无磨损涡流制动器来解决这个问题。然而，这会导致的问题在于，涡流制动 器不允许单独的控制，并且它们在电源失效或控制失效时也就不起作用了。当电能失效或 者控制失效时，现有技术中具有可调整的转子叶片的系统不再能够消除风的作用，使得风 能会依然持续地驱动转子而造成自我损坏。因此，需要一种风能设备，当存在故障的时候， 该风能设备分别具有自我控制的自动制动促动和自动关闭。在现有技术中，当诸如雷击的 紧急情况发生时还会产生其他的问题，电力控制装置会失效，从而不可能关闭风力涡轮机 (HAffT 禾口 / 或 VAffT) ο
发明内容
本发明的目的在于提供一种尽可能最有效的能力来通过制动器以无磨损方式控 制竖直轴风力涡轮机14的转动，该制动器在存在故障时能够自我促动而无需额外的控制， 而且能够使竖直轴风力涡轮机14停止。根据本发明，该问题通过根据所附权利要求(特别 是权利要求1)所述的用于空气动力制动器的控制装置1而得以解决。根据本发明的一个方面，提供一种用于空气动力制动器的控制装置1，其分别具有 至少一个气翼区段和竖直气翼叶片区段，包括具有扭转元件3的弹簧组件总成，其中扭转 元件3另外还设置有用于在缩回位置对空气动力制动器进行预载的弹簧元件；具有至少一 个配重元件5的配重组件总成4，用于通过由足够高速的转动而产生的离心力来延伸空气 动力制动器，以及抵抗弹簧元件的预载；具有促动器8的促动器组件总成7，其与空气动力 制动器相联结并且被促动以延伸空气动力制动器，也抵抗如果存在的弹簧元件的预载。扭转元件使得促动器组件总成7和配重组件总成4能够扭转。根据本发明实施例的空气动力 制动器能够控制竖直轴风力涡轮机14的扭矩特征。根据本发明的另一个方面，提供了一种用于竖直轴风力涡轮机的气翼区段，其包 括至少一个位于竖直轴风力涡轮机的至少一个气翼区段中的用于竖直轴风力涡轮机的空 气动力制动器的控制装置，包括扭转元件3，该扭转元件可以包括弹簧元件，以在缩回位 置的方向上对空气动力制动器进行预载；至少一个配重元件，以通过由气翼区段的足够高 速的转动而产生的离心力来延伸空气动力制动器，甚至抵抗弹簧元件的预载；杠杆臂，与促 动器连接，其中所述杠杆臂被所述促动器所促动，以延伸空气动力制动器。根据本发明的另一方面，提供了一种风能系统，包括至少一个转子，该转子具有至 少一个用于竖直轴风力涡轮机的气翼区段，该竖直轴风力涡轮机包括至少一个位于竖直轴 风力涡轮机的至少一个气翼区段中的用于竖直轴风力涡轮机的空气动力制动器的控制装 置，包括扭转元件3，该扭转元件可以包括弹簧元件，以在缩回位置的方向上对空气动力 制动器进行预载；至少一个配重元件，通过由气翼区段的足够高速的转动而产生的离心力 而延伸空气动力制动器，以通过由气翼区段的足够高速的转动而产生的离心力来延伸空气 动力制动器抵抗弹簧元件的预载；杠杆臂，与促动器连接，其中所述杠杆臂被所述促动器促 动，以延伸空气动力制动器。根据本发明的另一方面，提供了一种对具有控制装置的竖直轴风力涡轮机进行空 气动力制动操作的方法。本发明另外具有的优点是这种配置不仅能够以无磨损的方式对竖直轴风力涡轮 机14进行制动，也可以在风过大时以无磨损的方式控制它的转动速度。结果是，本发明在 高风速和风条件(风向、暴风等)迅速改变的情况下也可以允许对竖直轴风力涡轮机14进 行操作，而常规的竖直轴风力涡轮机14在此时必须关闭以防止它们受到损害。
图1示出了根据本发明的控制装置的实施例的分解图，其中没有扭转元件3。图Ia示出了根据本发明的图1中的控制装置1的实施例的分解图，其中没有扭转 元件3。图2示出了根据本发明的控制装置1的实施例，其中具有连接元件18。图3示出了根据本发明的具有多个组装后的控制装置1的气翼区段6。图4示出了根据本发明的组装在气翼区段6中并且被促动器8所促动的控制装置 1的实施例。图5示出了气翼区段6的轮廓以及在利用根据本发明实施例的控制装置1的制动 作用期间的气压分布。图6示出了气翼区段6的轮廓以及在利用根据本发明实施例的控制装置1的制动 操作期间的气流分布。图7分别示出了竖直轴风力涡轮机H(VAWT)类型的风力系统和风能设备。图8示出了在气翼区段的引导边部16的区域内的横截面部分。
具体实施例方式为了更加清晰地描述三维空间，分别在图1、2、3和4中，存在由具有三个轴线方向 x、y和ζ的空间所限定的方向。需要注意的是，这些方向在所有附图中都是一致的。χ方向 自轮廓17的端部朝着引导边部16延伸。y方向相对于竖直轴风力涡轮机H(VAWT)的旋转 轴线径向地朝外延伸。ζ方向沿着VAWT的气翼区段和竖直轴叶轮(runner)区段6的长度 方向自底而上地延伸，即，自VAWT的基部垂直地延伸至VAWT的顶部。它表示轴线沿与VAWT 的竖直旋转轴平行的方向定位。根据本发明实施例的控制设备1包括三个组件包括至少一个扭转元件3的弹簧 组件总成(未示)，其可以包括用于朝着缩回位置对空气动力制动器进行预载的弹簧元件。 这样，这种弹簧元件可以对空气动力制动器施加一预载力。扭转元件能够使配重组件总成 4和促动器组件总成7产生扭转。缩回位置对应于空气动力制动器的非启动状态。弹簧元 件设计为拉簧结构，但也同样可以包含在扭转元件(例如，扭转元件3)中，如图2所示。在 本发明(图幻的实施例中，这种扭转元件3设置在气翼区段6中，使得其旋转轴和扭转轴 分别自气翼区段6的引导边部16延伸至拖尾边部17，但是根据本发明也可以组装为其它的 形式，这取决于相应的需求，例如，可用空间或已经预定的内部结构。预载可以使得空气动 力制动器保持在缩回位置，在该缩回位置不会产生制动效果。然而，也可以使用其他类型的 弹簧元件，例如，充气弹簧、液动弹簧、客车弹簧或扭簧，并且应当根据针对竖直轴风力涡轮 机14的需要来进行选择。在图1中，示出了本发明实施例的第二 4和第三7组件的各个部件。与标记4和 7相应的箭头只是指出这些部件所属的各个组件，各个部件因此还具有相应局部的附图标 记。配重组件总成4包括至少一个配重元件5，该配重元件用于通过由气翼区段6的足够高 速的旋转而产生的离心力来延伸空气动力制动器，甚至对抗弹簧元件的预载，如果存在这 种预载的话，如图Ia所示。在实施例中，定位配重元件5使得离心力产生出配重元件5相 对于竖直轴风力涡轮机14的旋转轴的径向运动，即，在y方向上，因此基本垂直于竖轴叶轮区 段和气翼区段的纵向轴，它通过诸如杠杆装置的惯性臂12施加力，以便延伸空气动力制动器。图Ia示出了本发明的实施例，其中，联结装置11提供了两个总成之间的同步，以 确保联结过程。此外，图Ia示出了作用于配重组件总成的离心力和弹性力的方向。另外， 弹簧拉伸和弹簧元件分别被表示为小的常规弹簧(stylised spring)。这种弹性效果能够 通过安装在扭转元件3或类似物中的常规的卷簧元件或任意其它像扭簧的弹簧来实现。为 了更清楚地理解，配重组件总成描绘为水平条块，而促动器组件总成被描绘为竖直条块。限 制器9和10、联结装置11和配重元件用黑色示出。完全延伸位置对应于空气动力制动器的促动状态(图1和图2)。本发明的实施 例也可能不包括任何弹簧元件。可选地，配重组件总成4可以取代弹簧元件的任务。在这 种情况下，可以定位配重元件5使得配重元件5的重量通过利用用于传递力的杠杆装置和 /或齿轮装置来使得空气动力制动器的预载朝着缩回位置。配重元件5的重量可以在负ζ 方向上起到预载力的作用，此时离心力将配重元件5相对于竖直轴风力涡轮机14的旋转轴 15径向朝外推动，即，在基本垂直于气翼区段的纵轴的y方向上。当竖直轴风力涡轮机14旋转时，配重元件5被离心加速度沿径向朝外驱动(图1、 2、3和4中的y方向)，进而延伸空气动力制动器，这种操作抵抗了与竖直轴风力涡轮机14
6的转动，并因此对其减速。如图2所示，通过实施例的创造性设置，配重元件的运动传递给 空气动力制动器。图2示出了本发明的组装后实施例。此处，连接元件18，例如驱动杆或 者推拉杆，以可运动的方式分别附接在连接点A和B上，从而使得连接元件在制动作用过程 中分别沿y方向和负y方向运动。当然，本发明并不限于两个驱动杆。可以附接任意数量 的这种驱动杆。仅包括一个这样的驱动杆的实施例也是可以的。在完全制动作用(100%) 过程中，空气动力制动器使得流经竖直轴风力涡轮机14的气翼的气流几乎完全中断。这将 在下文中详细描述。在实施例中，配重组件总成4包括具有第一和第二端的惯性臂12。惯性臂12固定 地接合到介于其第一和第二端之间的扭转元件，所述第一和第二端垂直于扭转元件的旋转 轴19。根据优选实施例，配重组件总成4还包括具有第一和第二端的耦合臂13，其中该耦合 臂13也固定至介于其第一和第二端之间的扭转元件，所述第一和第二端以同惯性臂12相 似的方式垂直于扭转元件的旋转轴19，并且垂直于惯性臂(见图1)。惯性臂12和耦合臂 13也可以分别以彼此相关的其他角度比率结合在一起，所述角度比率可以由本领域技术人 员根据需要设置。在另外的实施例中，在本发明的运转操作期间，角度比率的变化调整也是 可以的。这些子组件可以例如是诸如杆、管或类似物的杠杆装置。弹簧组件总成可操作地连接至配重组件总成。这可以通过焊接、铜焊或螺纹连接 而将弹簧组件总成和配重组件总成4直接连接在一起。然而，也可以将中间元件19插在弹 簧组件总成和配重组件总成之间，以便通过一个或多个中间元件19在弹簧组件总成和配 重组件总成之间形成间接连接。这些中间元件19可以例如是使得力改变方向的齿轮装置。 因此，可能的是，在本发明的不同实施例中，扭转元件和配重元件5能够在同一旋转方向或 相反方向运动。子组件没有必要一定是对称的。在本发明的实施例中，配重元件5有利地附接于耦合臂的第一端(图1和图4)。 然而，也可以通过惯性臂自身的形状和材料的选择来提供配重元件5，从而不必将另外的配 重元件附接于耦合臂。根据本发明，当竖直轴风力涡轮机14工作时，机械能被配重元件5 存储，这是因为离心力和离心加速度分别通过竖直轴风力涡轮机14的旋转而影响该配重 元件5，其试图相对于旋转轴15径向朝外(y方向)地加速配重元件5。促动器组件总成7与促动器8相连(图1和4)，其可以被促动以延伸空气动力制 动器。促动器组件总成7能够被促动器8所促动，从而使得空气动力制动器可以通过联结 装置11被移动并保持在缩回位置以及在缩回位置和延伸位置之间的任何中间位置，这将 在下文中详细描述。因此，中间位置代表了竖直轴风力涡轮机14的可渐进调整的部分空气 动力制动作用(在0%和100%之间，其中0%对应于完全缩回位置，而100%对应于完全延 伸位置)，而完全延伸空气动力制动器代表了竖直轴风力涡轮机14的完全空气动力制动作 用。在实施例中，促动器8包括调整马达(未示)，该调整马达通过至少一个诸如驱动杆的 连接元件8连接到至少一个杠杆臂20。在实施例中，该杠杆臂20可枢转地安装到扭转元 件，如图4所示。在本发明的另一实施例中，促动器组件总成7还可以包括重置元件(未示)，该重 置元件在促动器8未被促动或者存在缺陷时迫使促动器8抵抗弹簧元件的预载来延伸空气 动力制动器。这具体来说用于没有离心力可用来抵抗弹簧元件的预载而延伸空气动力制动 器的情况，即，当竖直轴风力涡轮机14不转动时。这种重置元件可以例如是另外的弹簧元件。配重组件总成和促动器组件总成7可以设置有限制器9和10，这些限制器将各个 组件的运动自由度限制在一预定的调整范围内。基于实施例，可以在一个或多个组件中使 用一个或多个限制器9。例如在图1和2中的该实施例包括用于促动器组件总成7的限制 器9，该限制器限定了促动器组件总成的最大的可能的调整，并且通过其与配重组件总成4 的固定连接，还限定了对配重组件总成4的最大的可能的调整。因此，促动器组件总成7包 括制止臂21，这在图1中可见。制止臂21将限制器9驱动至限制器9的预定位置，并且限 制了促动器组件总成的运动。促动器元件8使得制止臂21在缩回位置靠在相应的限制器9 上。然而，类似的制止臂21可以提供给本发明的每个组件，例如限制器10。子组件自身可 以起到用于限制器9和10的制止臂21的作用，从而作为附加部件的制止臂21可以省略。为了在配重组件总成4和促动器组件总成7之间提供有效地连接，根据本发明提 供了联结装置11。在本发明的实施例(未示)中，联结装置11可附接于促动器组件总成4， 以便将促动器组件总成7与弹簧可选择地和配重组建4联结和解除联结。联结装置11也 可以定位在促动器组件总成7上，或者更为具体的，定位在促动器8的杠杆臂20上，以便于 以有效的方式将促动器组件总成7与配重组件总成4可选择地联结和解除联结。如果联结 装置11位于配重组件总成上，促动器组件总成7可以包括相应的匹配部分，以固定该联结。 反之亦然。因此，匹配部分是联结装置11的一部分。如图Ia所示，在本发明的优选实施例中，联结装置也可以是单独的部分。所述可 选实施例的联结装置11执行与联结装置11 一样的任务，这将会在下文中详细描述。选择 使用联结装置11还是单独的联结装置11要基于各个实施方案的具体技术要求并且可由本 领域技术人员进行选择。联结装置11能够对在一边的弹簧和配重组件总成4与在另一边的促动器组件总 成7之间的连接进行解除或者再连接。只要联结装置11保持在一边的配重组件总成4与在另一边的促动器组件总成7 之间的连接，促动器组件总成7就会对配重组件总成4施加一可调且可控的力，从而使得配 重元件5实际上不能有效地克服弹簧元件的预载，也不会对由竖直轴风力涡轮机14的转动 而产生的离心力起反作用。空气动力制动器的运动性质和相应位置由促动器8所支配和设 定。当空气动力制动器处于在延伸和缩回位置之间的中间位置时，该位置由与促动器8连 接的促动器组件总成7所保持，并且配重元件5不能通过在竖直轴风力涡轮机14转动期 间所存在的离心力将空气动力制动器设置到延伸位置。促动器组件总成以这种方式设计， 该方式使得只要联结装置11保持在一边的配重组件总成4和在另一边的促动器组件总成 7之间的联结，它就能够调整并保持空气动力制动器的任何可能位置，对抗弹簧(如果存在 的话)以及配重元件5的离心力的作用。换而言之，能够确保的是，只要联结装置11保持 在一边的配重组件总成和在另一边的促动器组件总成之间的联结，空气动力制动器的控制 只通过促动器组件总成7来执行。联结装置可以是但不限于提供联结作用的具有附接的柱 塞的电磁螺线管。当联结装置11释放在一边的配重组件总成4和促动器组件总成之间的连接时，促 动器组件总成的定位效果被废止。在这种未联结状态下，促动器组件总成7不再保持配重 组件总成的配重元件5。因此，在竖直轴风力涡轮机14的转动期间存在的离心力会使配重元件5相对于竖直轴风力涡轮机14的转动方向(y方向)沿径向朝外运动，即，基本垂直于 气翼纵轴的方向。由于该配重元件5能够通过离心力克服弹簧元件的影响，在这种情况下， 空气动力制动器被促使自当前位置，即自缩回位置或任意中间位置，朝着完全延伸位置运 动。因此，空气动力制动器被完全促动；竖直轴风力涡轮机14的驱动气流几乎完全中断并 且竖直轴风力涡轮机14的转动减速直至停止。促动器组件总成与其他组件的联结解除可以采用不同的方法来触发。例如，可以 根据需要来促动开关或按钮(未示)，该开关或按钮促使联结解除。同样地，可以通过计 算机的电子控制器的指令来促使联结解除。在本发明的实施例中，通过中断动力造成这种 联结解除，该联结解除在竖直轴风力涡轮机14的任意组件发生错误、缺陷或电气系统故障 (即，由雷击造成)时生效。因此，无需操作者或软件的发出指令，就形成了竖直轴风力涡轮 机14的转动的自动紧急关闭。根据本发明的另外的实施例，也存在通过多种不同的方式来 产生联结解除。联结装置11可以通过手动开关也可以自动地促动。在本发明的实施例中， 联结装置11包括磁性联结。在这种情况下，对至少一个电磁管(螺线管)永久地提供用于 分别保持在弹簧和配重组件总成与促动器组件总成之间的联结和连接。该电流一中断，电 磁场就衰退，并且连接由此就被解除。通过这种作用，促动器8失去了其对空气动力制动器 的位置的支配影响，即，促动器8和空气动力制动器彼此解除联结。结果是，存储在配重元 件5中的动能被释放，而空气动力制动器由此被延伸。根据本发明的空气动力制动器包括至少一个分别的可缩回装置或阻流板，其附接 在竖直轴风力涡轮机14的气翼区段6上并且通过至少一个连接元件18和/或至少一个铰 链装置23与控制装置1连接。该连接元件18是管或杆元件。在一个实施例中，可缩回装置 是阻流板22，其能够以其表面定位在气流中，从而使得气流基本被中断，从而产生完全制动 操作。根据本发明，可以提供以一限定角度直接延伸到气翼区段表面6的外部的阻流板22。 在本实施例中，不需要铰链装置23。在部分制动操作的情况下，气流被可选择地影响，其中 该部分制动操作对应于对竖直轴风力涡轮机14的扭矩变化进行分别的控制和调整。当竖 直轴风力涡轮机14处于完全制动操作时，表面定位到气流中，使得气流尽可能垂直地冲击 表面，以便达到最大托拽以及对中断提升/扭转的产生。在部分制动操作或部分限定扭转 量的情况下，阻流板22仅仅部分延伸。在本发明的实施例中，对于每个控制装置1，可缩回 装置包括两个阻流板22。然而，也可以对于每个控制装置使用仅仅一个阻流板22或者多个 阻流板22。如图3和4所示的这个实施例包括内和外阻流板22。空气动力制动器的所有阻 流板22都连接到它们相应的控制装置1，使得它们在缩回位置时与气翼区段6的表面齐平， 即是缩回的；或者在延伸位置时以其表面相对于驱动气流基本垂直。根据本发明的实施例， 彼此对置的阻流板22相对于彼此在相反的方向上延伸，这是因为，为了影响在两侧的驱动 流体，它们安装在气翼的相对的侧部。还可以是，阻流板22在处于缩回位置时定位在气翼 区段6的凹腔中，并在延伸期间至少部分地离开空腔。在一实施例中，多个阻流板22通过 相连接的子组件(例如互联臂1 而彼此相连，使得阻流板22的运动相同和/或对称。然 而，阻流板22可以通过互连的子组件而彼此相连，使得它们的运动被不对称地相关联，即， 阻流板22在彼此不同的位置同时或者延时延伸。本领域技术人员应当知晓本文所需的机 械杠杆变换装置，因此，在此不再赘述。在图3的实施例中，空气动力制动器和阻流板22分别对称运动。然而，根据本发明，阻流板22相对于彼此不对称地运动也是可以的。这可以根据需求通过使用不同长度的 连接元件18或不同的齿轮传动比率而容易地调整，比如，在这种情况下，在本实施例中，可 以在配重组件总成中使用相对于扭转元件(此处为扭转元件幻具有不同距离的连接元件 18。根据本发明，如图3中可见，多个控制装置1也可以以联结的方式操作。它们通过 连接元件18彼此连接，所述连接元件可运动地附接于相应的控制装置1。在该实施例中，连 接元件18在点C和D处与配重组件总成4连接。因此，空气动力制动器的阻流板22或阻 流板对22的延伸和缩回动作可以传递给其它的阻流板22。根据本发明，气翼区段6也可以包括多个控制装置1。此外，气翼可以由多个具有 根据本发明的控制装置1的气翼区段6构成。具有根据本发明的控制装置1的气翼意在用 于竖直轴风力涡轮机14，但是它们也可以用于其它技术应用。总之，还公开了一种根据本发明的控制方法，用于风能系统的空气动力制动操作， 该风能系统具有根据本发明的控制装置。这种制动方法可以由操作者诸如利用计算机而通 过电力触发或自发地触发。自发触发是对风能系统中的缺陷或故障的响应。本发明的方法 包括首先对弹簧和配重组件总成与促动器组件总成解除联结。这经由诸如电磁联结的联结 装置11来执行。在本发明的实施例中，永久性地对电磁联结提供电能，以便保持弹簧和配 重组件总成与促动器组件总成之间的联结。在风能系统，具体来说是控制装置1，出现缺陷 或故障的情况下，供电被中断，弹簧和配重组件总成4与促动器组件总成7之间的联结被废 除，从而总成4和7被解除联结。弹簧和配重组件总成4与促动器组件总成7之间解除联结的结果是，通过利用离 心力移动配重组件总成4，空气动力制动器基本延伸至垂直于翼部气翼区段6的旋转方向 的位置。具体地，在风中定位阻流板22，使得它们尽可能垂直地定位在风的驱动气流中。气 翼区段6的流动特性发生了改变，使得风能系统的驱动气流变成湍流并且产生的提升产物 (扭矩)被中断。由于驱动气流的消失，竖直轴风力涡轮机14将不再能够收集风能。此外， 与风垂直地定位的阻流板22形成了对风流的屏障，从而使得竖直轴风力涡轮机14的任何 转动都被阻止。这可造成转动完全停止，导致了风能系统的关闭。当然，本发明所有的实施 例都可以彼此结合。图5和图6示出了根据本发明一实施例的空气动力制动器的制动效果。在两幅图 中，均示出了气翼区段6的轮廓。图5示出了在制动情况下的气压分布，而图6示出了在制 动情况下的气流分布。在图6中可以容易地看到，阻流板22形成了对抗来自引导边部16 的驱动气流的屏障，从而使得驱动气流中断，并且在阻流板22后方且朝向拖尾边部17的区 域中发生气流逆转。因此，气翼区段6不再将风能转化为转动能。图5中的气压分布示出 了在阻流板22后面朝向拖尾边部17处形成负压。与作为零级水平的一般周围环境压力相 比，其力反作用于气翼区段6的运动方向。然而，在阻流板22的前面以及在引导边部16处， 相比于作为零级水平的周围环境压力，产生了过压。此时，该过压也是反作用于气翼区段6 的运动方向，并且转子区段6的转动停止。当然，本发明的所有实施例都可以相互结合。根据本发明的风能系统包括至少一个转子和至少具有气翼区段6的竖直气翼叶 轮，其包括根据本发明的用于空气动力制动器的控制装置1以及至少一个能量消耗装置。 能量消耗装置可以例如是消耗分别由转子和竖直气翼叶轮的转动所提供的机械能转化为电能的发电机，该竖直气翼叶轮包括至少一个气翼区段6。然而该能量消耗装置也可以是不 同的设备，例如，泵、粉碎机或类似物。图7示出了竖直轴风力涡轮机H(VAWT)的分别的风 能设备和风能系统，其设置具有根据本发明的控制装置1。此外，加热装置也设置在根据本发明的风能系统中。该加热装置(图8)是形成 引导边部的结构部件，该加热装置将由电能和/或机械能转换装置提供的多余能量的一部 分传递到至少一个气翼区段6的引导边部的内侧，以便加热至少一个气翼区段6的引导边 部。多余的热能来自能量消耗装置并被直接引入到至少一个气翼区段的引导边部的内侧。 由于已知在引导边部16处冰的形成发生最为严峻，根据一个实施例，热能仅沿着引导边部 16(图8)的内侧引导，即在气翼区段6的内前区域M中。如果能量消耗装置是发电机，那 么发电机的电能也可以用于加热至少一个气翼区段6的内侧，如果电加热装置与其一同在 气翼区段6的内侧工作的话。当然，所有可应用类型的能量都可用于加热气翼区段6的引 导边部，并且它们可以彼此结合，以便在具体执行的情况下实现气翼区段的引导边部的可 选择地加热。提供有一种根据上面的描述的控制装置，其中，惯性臂刚性地连接到扭转元件3， 该扭转元件3在与旋转轴垂直的惯性臂的第一和第二端之间。提供有一种根据上面的描述的控制装置，其中，互联臂刚性地连接到扭转元件3， 该扭转元件3在与旋转轴垂直且与惯性臂垂直的互联臂的第一和第二端之间。本发明的所有上述的实施例、变形和局部特征都可以彼此结合。同样，也可以在 竖直轴风力涡轮机14中应用根据本发明的多个控制装置1，它们可以独立操作或者彼此联 合。在一个竖直轴风力涡轮机14中的根据本发明的多个控制装置1也可以彼此独立地操 作。虽然对本发明的实施例已经进行了示例性的描述，但它们并非旨在理解为用于限 定所附权利要求的范围。本领域技术人员应当知晓，对于所描述的实施例可以进行不同的 改变和变型，并且在不脱离本权力要求的范围的情况下，各实施例的多种其它结构或组合 也能够达到同样的结果。事实上，本发明会建议用于其他工作的方案和用于其他应用的采 用。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，申请人意在通过权利要求覆盖本发明的所有 应用以及改变和改进，这通过出于公开的目的的实施例而实现，。参照上面的描述，本发明的多种变型和改变都变得可能。因此，应当理解的是，在 权利要求的范围之内，本发明也可以采用与所具体描述的不同的方案来实现。附图标记列表
1控制装置
3扭转元件
4配重组件总成
5配重元件
6气翼区段
7促动器组件总成
8促动器
9限制器(多个)
10限制器
11联结装置
12惯性臂
13互联臂
14竖直轴风力涡轮机
15转动轴
16引导边部
17拖尾边部
18连接元件
19扭转元件的转动轴
20杠杆臂
21制止臂
22阻流板
23铰链装置
A用于在4和22之间的连接元件18的连接点
B用于在4和22之间的连接元件18的连接点
C用于相邻控制装置1之间的连接元件18的连接点
D用于相邻控制装置1之间的连接元件18的连接点
E用于促动器8的连接点
1权利要求
1.在竖直轴风力涡轮机的至少一个气翼区段中的用于竖直轴风力涡轮机的空气动力 制动器的控制设备，包括扭转元件，以能够扭转；至少一个配重元件，以通过由该气翼区段的旋转所产生的离心力而延伸该空气动力制 动器；和杠杆臂，与促动器相连接，其中所述杠杆臂由所述促动器促动，以延伸该空气动力制动ο
2.如权利要求1所述的控制装置，其中，该至少一个配重元件设置在惯性臂上。
3.如权利要求1所述的控制装置，其中，该扭转元件可操作地连接至惯性臂。
4.如权利要求2所述的控制装置，其中，该惯性臂的运动被限制器限制在一预定的运 动范围内。
5.如权利要求1所述的控制装置，还包括联结装置，该联结装置对该杠杆臂和该至少 一个配重元件进行可选择地联结或解除联结。
6.如权利要求1所述的控制装置，还包括联结装置，该联结装置经由互联臂对该杠杆 臂和该至少一个配重元件进行可选择地联结或解除联结。
7.如权利要求1所述的控制装置，还包括调整马达。
8.如权利要求4或5所述的控制装置，其中该促动器借助于该联结装置而联结至该空 气动力制动器。
9.如权利要求1所述的控制装置，其中，当该杠杆臂通过该联结装置联结至该促动器 元件时，该联结装置阻止该空气动力制动器的该阻流板被离心力延伸。
10.如权利要求1所述的控制装置，其中，当该杠杆臂与该促动器元件解除联结时，该 联结装置允许该空气动力制动器被离心力延伸。
11.如权利要求1所述的控制装置，其中，只要该联结装置将该杠杆臂和该配重元件联 结，该促动器就能够运动该配重元件。
12.如权利要求1所述的控制装置，其中，当该促动器至少部分地失效时，该联结装置 适合于将该杠杆臂与该互联臂解除联结，其中该联结装置适合于在供给到该联结装置的电 流中断时解除联结。
13.如权利要求1所述的控制装置，其中，该扭转元件包括弹簧元件。
14.如权利要求1所述的控制装置，其中，该杠杆臂可旋转地安装在该扭转元件上。
15.如权利要求12所述的控制装置，其中，该扭转元件从该气翼区段的该引导边部延 伸至该气翼区段的该拖尾边部。
16.如权利要求2所述的控制装置，其中，该惯性臂通过至少一个连接元件连接至该空 气动力制动器。
17.如权利要求1所述的控制装置，其中，该空气动力制动器包括至少一个护罩装置， 该护罩装置定位在该气翼区段的外表面，使得该护罩装置的表面能够从基本平行于该气翼 区段的旋转方向的位置可选择地延伸直到基本垂直于该气翼区段的旋转方向的位置。
18.如权利要求1所述的控制装置，其中，该配重元件被设置为，在该转子旋转期间该 配重元件通过离心力可径向朝外运动。
19.如权利要求1所述的控制装置，还包括制止元件，当该促动器未被促动时，该制止元件促使该促动器对抗弹簧元件的预载而 延伸该空气动力制动器。
20.用于竖直轴风力涡轮机的气翼区段，包括至少一个在竖直轴风力涡轮机的至少一 个气翼区段中的用于竖直轴风力涡轮机的空气动力制动器的控制装置，包括扭转元件，以能够扭转；至少一个配重元件，以通过由该气翼区段的足够高速的旋转所产生的离心力而延伸该 空气动力制动器；杠杆臂，可连接至促动器，其中所述杠杆臂由所述促动器促动，以延伸该空气动力制动器。
21.如权利要求21所述的气翼区段，包括多个控制装置，其中这些控制装置被至少一 个连接装置联结，以在相互之间传递惯性臂的旋转运动。
22.风能系统，包括至少一个转子，具有至少一个用于竖直轴风力涡轮机的气翼区段，该气翼区段包括至 少一个在竖直轴风力涡轮机的至少一个气翼区段中的用于竖直轴风力涡轮机的空气动力 制动器的控制装置，包括扭转元件，以产生扭转；至少一个配重元件，以通过由该气翼区段的足够高速的旋转所产生的离心力而延伸该 空气动力制动器；和杠杆臂，与该促动器相连接，其中所述杠杆臂由所述促动器促动，以延伸该空气动力制 动器。
23.如权利要求23所述的风能系统，还包括加热装置，该加热装置设置为将至少一个 能量消耗装置中的能量传导到该气翼的引导边部的内侧，以从内侧加热该气翼引导边部。
24.用于具有控制装置的竖直轴风力涡轮机的空气动力制动操作的方法，所述方法包括将机械能存储在配重元件中，其中杠杆臂与促动器连接并且被促动器所促动以延伸空 气动力制动器；将杠杆臂从惯性臂解除联结；通过利用离心力来运动该惯性臂，而将该空气动力制动器运动至一位置直到基本垂直 于气翼区段的旋转方向。
25.如权利要求25所述的方法，其中，该解除联结是由促动器的故障所触发的。
26.如权利要求25或沈的方法，其中，该解除联结是由供给到联结装置的电流的中断 所触发的。
全文摘要
提供了一种用于风能转换器的空气动力紧急制动器的无磨损的、自包含的控制系统，该控制系统包括多个组件，以便通过制动器提供最有效的手段来控制竖直轴风力涡轮机的旋转。它能够在存在故障时自我促动而不需要外部促动，并且能够关闭竖直轴风力涡轮机。因此，配重元件被用于存储机械能，进而被用于进行空气动力制动操作。还提供了一种用于控制和限制在大风条件下被涡轮机所吸收的扭转量的手段，并且因而提供了超过涡轮机的普通操作的风速的收集电能/机械能的能力。
文档编号F03D7/02GK102105683SQ200980103412
公开日2011年6月22日 申请日期2009年1月22日 优先权日2008年1月29日
发明者克劳斯·柯林 申请人:克劳斯·柯林