风力涡轮机的制作方法

本发明涉及能量转换系统，并且更特别地涉及为一般连续风和频繁变向风设计的风力涡轮机系统。本发明通过增强自启动的新的惯性装置和新的选择性止动装置介绍了运动的守恒。

集中于更加生态可持续的经济发展的能源政策的新近推动已导致从风源中提取能量。用于从大气风中收集能量的机器分为水平轴线风力涡轮机(HAWT)和竖直轴线风力涡轮机(VAWT)。在机器不必在大气风中(从而在水平风中)操作的一般情况下，HAWT是其中旋转轴线平行于(parallel to)风矢量的机器(HAWT成为PAWT)，而VAWT是其轴线线与风矢量交叉(cross)的机器(VAWT成为CAWT)。

PAWT必须与风矢量相反转动其轴线，而CAWT则内在地在包含风矢量的平面内全方向转动。

CAWT分为拉力操作机器和升力操作机器：以Savonius命名的拉力型驱动装置通常在TSR～1下工作，而以Darrieus命名的升力型驱动装置在TSR＞＞1下工作。TSR被定义为叶片末梢的切向速度和实际风速之比。已知功率是扭矩和转速的乘积，结果就是Darrieus型机器比Savonius型机器更有效率，但是在另一方面，升力型驱动装置的开始旋转的问题也是公知的，以致到了关于CAWT的新近专利的大部分都旨在提高这些机器的自启动能力的程度。

近来的另一类专利覆盖从包含在交通系统的道路例如机动车道、高速公路、隧道以及铁路旁边产生的风中的特别的能量源中收集能量的一般的以及创新的想法。大体上，这些专利包含用于沿着道路交通系统的一般位置中的风力发电站的装置的概念性表示，但是没有特别地旨在用于由交通产生的风的机械装置的特别的发明。收集由车辆交通产生的风能可被视作寻求可持续能源政策与交通领域中的更可持续的发展的结合。

例如，在讨论可再生能源的最优水平时，Munasinghe(2009)指出可再生能源系统的边际成本的量恰好等于避免与化石燃料产生的能量相关的成本，包括环境破坏。至于用于交通产生的风的风力发电站，我们可以看到，总会有与运输需求增量相关的能源供应的最优增量：假设其中交通系统不基于化石燃料且从交通产生的风中收获的能量的固定成本低于相关的空气动力学损失的更加可持续的未来的话，则现在这个量处于其最大值，这是由于交通系统基于化石燃料且总会有与空气动力学损失内在相关的基本的量。

本发明的CAWT涡轮机可用于使用交通产生的风的上述风力发电，但应强调的是，该特定的用途被包括在本发明特别涉及的可变风力涡轮机的更一般的环境中。

背景技术：

Darrieus专利，1931 US1835018，可被认为是升力型CAWT风力涡轮机的先祖：Darrieus设想具有直的H或悬链的几何形状的叶片，这为在大型应用中减少因离心力产生的结构负担提供了好的解决方案，同时还引入了可变节距叶片的首次应用。

源自Darrieus概念的用于CAWT涡轮机的专利族涉及涉及利用被动可变节距系统的原理来改进自启动旋转的能力，如US4299537所示。该启动实际上与在低叶片速度/风速比率下迎角的显著变化相关，其涉及超过叶片的失速阈值，借此最小化升力并由此最小化扭矩；改变叶片的节距的有效的被动系统在低TSR下将迎角降低到低于失速阈值，且必须为更高的TSR提供用于从最小值到无的修正。引起节距变化的叶片的枢转通过由机构激活的扭转弹簧来使空气动力学力矩与再激活力矩相等而获得的。特别地，该再激活扭矩由刚性分量的向心加速度[Kirke，1998]或由其刚度随离心力的增大而增大的弹性体分量[Pawsey]提供。后者在高TSR下提供更多的控制以有效地锁定叶片并防止附加的和不必要的俯仰。

关于可变节距叶片的专利族由其它相关概念补充：如在例如US2013078092的示例中，叶片延伸部的枢转可被用于控制转速；或者如在US20120195761A1的示例中，铰接到叶片定点的翼片可被用于抑制超速。

另一个关于CAWT的专利族使用叶片的部分的辅助运动/枢转以便改变暴露于空气阻力的表面。由于枢转叶片在初始瞬态之后可被升力驱动或者保持在拉力的影响下，这些专利可被认为基于Darrieus或Savonius概念。

在US20120039714中，叶片相对于转子径向配置并具有在它们的轴线上枢转来改变它们的拉力表面的能力，而在专利WO13026127中，叶片使用凹槽和浮凸来增大拉力表面。相反，在US8057159B2中，(拉力型)叶片的可动部分沿叶片本身的固定部分平移并由径向弹簧保持，从而随着转速的增加(连同离心力)而减小拉力表面。在专利US5083901A中，弹簧被用于打开/关闭V形叶片以在打开时使拉力表面最大化。

第三个CAWT涡轮机的专利族包括叶片或部分叶片的平移/枢转的主动控制。例如在WO2011021733中，伺服电动机被用来改变叶片与旋转轴之间的距离，而在US2007257494A1中，叶片的辅助动作(绕它们的轴线的旋转，在径向方向上的平移)由计算机主动控制。主动控制应用于最大化/稳定在可变风的情况下的能量收集。

最后一个CAWT涡轮机的专利族是使用辅助机制以被动地改变涡轮机的几何形状以获得在一定风力条件下的最优配置。例如在DE29716129U1中，叶片在径向臂中的导轨上枢转并可平行于该径向臂滑动(在低TSR下拉力表面暴露在风中)，直到到达臂中的最终位置，于此叶片可在叶片的弦与叶片的圆周运动相切的情况下枢转(在高TSR下叶片轮廓工作于升力驱动模式中)。专利DE29716129U1还要求这种滑动/旋转机构可以通过自动控制来激活。在US5083901A中，虽然空气动力学概念的相当不同之处在于CAWT是不打开的，但其基于与叶片产生Venturi效应的筒表面，所以在低TSR下通过使用压缩弹簧来将叶片沿径向方向朝中心推压。专利CN102562441A旨在利用风的峰值，且配重的辅助被动运动被用来在风的峰值的下降部分中限制涡轮机的减速。

技术实现要素：

本发明所述的装置是风力涡轮机，其结构在采用经典Darrieus方法的同时进一步被设计成有助于初始加速并防止机器在出现风源短暂下降、无风的气潭时止动或者在较长的无风情况下止动在预定的位置中止动。根据下述实施例或配置，这提高了涡轮机的自启动的能力。

如下所述，向专利族的现有技术中加入创造性的步骤，即使用辅助机构以被动地改变涡轮机的几何形状来实现在一定风力条件下的最优配置(US5083901 A、DE29716129U1、CN102562441 A)是本发明的目的和优势，用以提供新的手段来使机器的几何形状适应可变风。

本发明的有助于初始加速以及暂时防止机器止动的机制基于变量稠度原理，其中转子稠度被定义为Nc/R，其中N是叶片数目，c是叶片的弦的长度，R是转子的半径。与本发明相关的变量是通过半径R来获得，且这种可变性以I＝Nm1R2作用在机器的主惯量上，其中，m1是单个叶片的质量。本发明的机制允许在启动过程中发展最小惯量以提高加速度，同时如果风源整体下降的话则提供最大惯量，以便与类似情况中的现有技术的机器相比而言减小减速度并保持较大的转速。根据无风气潭的形状、持续时间并且基于机器的尺寸，本发明的机制允许涡轮机避免止动，因此：(1)这样避免了接下来的阶段需要能量消耗来重新启动，不然的话这将在旨在用于能量收集的任意阶段之前不可或缺，以及(2)机器被保持在相对高的转速，这为它提供了直接发电的能力，即使在渐变速期间。

因此，本发明优于现有技术的整体效果在于涡轮机在一般与风速瞬间下降相关的变化速度下操作的改进，从而使得可以利用机器的功率曲线的更有效的区域。

考虑到在启动/减速阶段叶片的弦c相同的情况下，与惯量I＝Nm1R2随R2二次降低相比，空气动力学力矩随RFTR线性减小(其中FT是独立于R的空气动力学切向力)。

附图说明

本发明的细节和不同的实施例可以在附图的帮助下得到更好的理解，其中：

图1示出了第一实施例的示意图：风力涡轮机(A)为竖直结构，也就是说，其具有竖直的轴或旋转轴线(Z)以及半径(R)可变的转子，其中半径(R)是叶片(1)和旋转轴线(Z)之间的距离；在这种结构中，每个叶片(1)的相对于涡轮机(A)的旋转轴线(Z)的径向运动通过伸缩平移而发生。

图2示出了第二实施例的示意图：风力涡轮机(A)为水平结构，也就是说，其具有水平的旋转轴线(Y)以及半径(R)可变的转子；在这种结构中，每个叶片(1)的相对于涡轮机(A)的旋转轴线(Y)的径向运动通过伸缩平移而发生。

图3a示出在第三实施例的示意图：具有半径(R)可变的转子的另一种水平或竖直结构。根据该第三实施例，该设计也可设想被动重力系统以改变叶片(1)的倾斜角；在该结构中，叶片(1)的运动通过在导轨或臂(3)上的平移而发生，其中局部止动元件(CC)在每个臂(3)上且与臂(3)本身成一体。

图3b示出了第四实施例的示意图：具有半径(R)可变的转子的水平或竖直结构。根据该第四实施例，该设计也可设想被动重力系统以改变叶片(1)的倾斜角；在该结构中，叶片(1)的运动通过在导轨或臂(3)上的平移而发生，其中止动元件(CC1)在臂(3)之间完全延伸，所述止动元件例如具有与叶片(1)相同的长度。

图4a和4b从两个剖面分别示出了叶片(1)的纵剖面(图4a)和叶片(1)的横剖面(图4b)，可变的半径(R)的操作通过用同轴的牵引弹簧(13)将叶片(1)安装到径向的臂(3)的方式来实现，这适用于本发明的第一和第二实施例(图1、图2)；

图5a是示出了可变的半径(R)的操作的剖视图，通过用同轴牵引弹簧(13)将叶片(1)结合到装有空气动力学止动元件(CC、CC1)的臂(3)的方式来实现，这适用于本发明第三和第四实施例(图3a、3b)；这种情况还包括被动重力系统和臂(3)与叶片(1)之间的可能的间隙以改变叶片的倾斜角：在详细表示中，叶片保持在沿着臂(3)的中间位置，在最小半径和最大半径之间。

附图示出了用于叶片(1)的径向平移的主轮(4)，其中通过结合到主轮(4)的两个轴(12)上的至少一个压缩弹簧(41)，主轮(4)自由或保持与臂(3)的导轨(2)接触，轴(12)依次在槽孔(42)中滑动。

图5b是示出了可变的半径(R)的操作的剖视图，通过用同轴牵引弹簧(13)将叶片(1)结合到装有空气动力学止动元件(CC、CC1)的臂(3)的方式实现，这适用于本发明第二，第三和第四实施例(图3a，3b)；在这种情况下，通过消除臂(3)和叶片(1)之间的间隙，改变叶片(1)的倾斜角的被动重力系统是无效的：在详细表示中，叶片(1)保持在沿着臂(3)的中间位置，在最小半径和最大半径之间。

图5c是具有可变的半径的叶片(1)的平面图，该叶片用同轴的牵引弹簧(13)结合到装有空气动力学止动元件(CC，CC1)臂(3)，这适用于本发明第三或第四实施例，在后一个实施例中可能具有被动系统以改变节距：在详细表示中，叶片(1)保持在最小半径和最大半径之间的中间位置中。

图5d以两种可能的位置示出了如何能够改变叶片(1)的角度的的示意图。

图6示出具有可变的半径(R)的叶片(1)的剖面，该叶片用同轴的牵引弹簧(13)结合到装有空气动力学止动元件(CC、CC1)的臂(3)，这适用于本发明第三或第四实施例，在后一个实施例中可能具有被动系统以改变节距：在详细表示中，叶片(1)保持在由止动元件限制的最大半径(Rmax)处，并且，空气动力学止动元件(CC)连同具有拱形翼面形状的叶片(1)一起在这个位置中形成对称翼型(P)。

图7示出适用于本发明的第四实施例的选择性止动装置，其结构为轴线线(Y)水平，表明用于选择性止动的稍有不同的2个最大半径(RmaxA，RmaxB)，选择性止动是通过其自身的几何形状或弹簧(13)结构或通过在叶片(1)或臂(3)上的最合适的位置中施加重量以获得期望的不平衡来实现的。

在图7的示例中，止动位置是Y形的，其中处于其最大半径(RmaxB)的叶片(1B)面向下，表征0°的位置。

图8示出了在瞬变风的情况下CAWT的自由运行速度(ωfr)的行为的四个曲线图，并且其叶片安装在具有足够的刚度的弹簧上以允许叶片在最小和最大半径之间振荡，与现有技术中具有固定的最小半径和最大半径的两个CAWT相比。

图10是示出了对于典型的对称翼型(NACA 0015)和典型的不对称翼型(NACA4415)，作为叶片速度/风速比的函数的无量纲扭矩系数的曲线图。

叶片长度和叶片的弦之间的折合比是叶尖涡旋的形成的主要原因，该叶尖涡旋表征为第三维中能量交换过程，即在竖直于机器的轴线的平面之外。应尽可能地避免来自上述平面的尾流的这个偏差，这是因为其降低机器效率。特别地，在CAWT涡轮机中，来自叶尖的涡量与能量收集机制无关，而是仅与前述平面涡量有关，因此可以研究叶片的轮廓以便避免这个偏差。

具体实施方式

风力涡轮机(A)包括适于竖直或水平地定位的旋转轴或轴线(Z，Y)以及安装在轴线(Z，Y)上的N个叶片(1)。

旋转轴或轴线(Z，Y)适于适当地以及在任何情况下连接到至少一个发电机(B)，如图1、图2、图3a和图3b所示。

在附图的实施例中，风力涡轮机(A)包括三个叶片(1)，所述叶片被布置成实质上平行于旋转轴线(Z，Y)且轴对称分布。然而，这些叶片(1)可能具有实质上的盘旋状、螺旋形、悬链或其它形状。

每个叶片(1)具有特定形状的翼型，例如不对称的驼峰状或凸面布置，或任意其他形式。

每个叶片(1)经由一个或更多径向臂(3)间接地结合到轴(Z，Y)，所述径向臂又与轴(Z，Y)成一体，其中，由于叶片(1)本身由于风力作用而旋转期间产生的离心力，叶片(1)可在径向方向上相对于轴(Z，Y)移动。

在图1和图2的实施例中，叶片(1)具有相对于相对应的臂(3)在径向方向上完成平移运动的能力，如图5详细示出的，经由弹性装置彼此结合。

与US5083901A所涉及的在中心筒和径向叶片之间的“Venturi槽”不同，本发明的创新还在于叶片不是由压缩弹簧推到最小半径，而是由牵引弹簧(13)朝向最大半径驱动。

在所示实施例中，叶片(1)包括用于臂(3)的自由端(31)的插入的孔(103)，所述臂又装有用于臂(3)在叶片(1)上的孔(103)的内壁上滑动的装置或轮或轴承(32)。

叶片(1)也可能包括装置或轮或轴承(104)以用于叶片(1)的一部分沿臂(3)的外表面(33)滑动，其中无论在有间隙还是没有间隙的情况下发生滑动都允许叶片(1)相对于臂(3)的任意倾斜。

叶片(1)的至少朝向外侧的径向平移被同轴地插入臂(3)中的弹簧(13)抵消，该弹簧又将一端(132)结合到臂(3)而将相反端(131)结合到叶片(1)。

在图3a、图3b、图5a、图5b、图5c和图6的实施例中，叶片(1)沿着相对应的臂(3)在径向方向上可移动，在通过将径向臂(3)部分分为例如两个C型导轨而获得的导轨(2)上滑动。

此外，与US5083901 A不同，本发明的创新在于这样的事实，即叶片不是由压缩弹簧推到最小半径，而是由牵引弹簧(13)朝向最大半径引导。

借助于至少一个但优选为至少两个沿导轨(2)滚动的主轮(4)，每个叶片(1)能够在径向上平移。一个或优选为两个或更多的主轮(4)中的每一个都安装在通过一个或更多端板(6)与叶片(1)成一体并且组装在一起的滑动框架(5)上，所述端板(6)用固定装置(7)例如螺栓连接安装到叶片(1)本身。为此，叶片(1)设有用于径向臂(3)的插入的至少一个孔(8)，其形如沿圆周方向具有外偏移或间隙(9)的臂(3)本身。外偏移(9)的空间容纳适当数量的较小的轮(10)，其允许在它们的滚动轮廓和径向臂(3)的外壁(31)之间的间隙(11)：间隙(11)被设计为允许叶片(1)围绕主轮(4)的轴线(12)轻微旋转，从而允许被动可变的倾斜。

图5a和5d示出了如何通过在两个边缘上存在的具有稳定功能的至少一个或优选为两个轮(10)来允许和控制间隙的示意图。

可选地，如图5b所示，上述间隙可被最小化或消除，且在这种情况下，优选配置是在两个边缘上设置单个轮(10)。

与包括US4299537的专利族不同，在图3所示的实施例中，本发明的可变倾斜由重力控制。相反地，在图5b的情况下，间隙(11*)被最小化为机械公差以使得能够滚动，借此消除叶片(1)的倾斜的变化的影响，因此在本发明的领域中所述叶片也可能以固定节距安装。

每个主轮(4)的轴(12)相对于叶片(1)重心以及叶片(1)的翼型的压力中心的相对位置也是本发明的一部分，这是因为所述相对位置通过平衡随着叶片(1)和臂(3)之间的约束的变化而变化的离心、空气动力学和重力影响来控制。

滑动框架(5)还包括连接牵引弹簧(13)的钩(131)的铰链关节(51)：当离心力起作用时，牵引弹簧(13)通过其刚度调整涡轮机(A)的可变的半径(R)，阻碍叶片(1)至少向外的平移运动。

作为其应用领域的一部分，在可变风条件下本发明的用途包括由交通产生的风源，其最优布置是水平配置(图2、图3)，其中涡轮机(A)的较低负载被处于法律所允许的相对于道路表面或者轨头的水平的最小公差水平。

作为对图7所示的实施例的进一步说明，允许稠度Nc/R变化的与本发明图5所示相同的装置可能被设计以与单个叶片(1)特别不同的方式运行。

事实上，约束一个叶片(1)的拉力弹簧(13)可能具有不同于约束其余叶片(1)的那些的刚度或结构或机械特性，从而使得涡轮机(A)具有不对称分布的叶片(1)以便于选择止动位置。

例如，在N＝3的情况下，例如由但不仅仅由叶片(1)相对于其他两个叶片的缠绕数目确定的弹簧(13)的刚度的增加引入了不平衡，所述不平衡允许机器止动在颠倒的Y位置。

与此相反，例如由但是不仅仅由叶片(1)自身相对于其他叶片的缠绕数目确定的弹簧(13)的刚度的降低引入不平衡，根据重力(G)和来风(W)的方向，所述不平衡允许机器止动在Y位置。

期望的不平衡通过改变弹簧(13)的配置或机械特性和/或根据最合适的布置对臂(3)和/或叶片(1)施加一个或更多重量而获得的。

在图7的示例中，处于其最大半径(RmaxB)的叶片(1B)面向下，呈Y形结构，确定0°位置。

这些实施例在轴(Y)水平定位的情况下是适用的。然后类似的装置可能允许同时实现前述的主惯性效应以及在两个优选位置中的选择性止动：与叶片的初始不平衡相关联的Y位置对于本发明而言是尤其相关的。实际上，原型和仿真的扭矩图示出了在N＝3且没有转速的情况下，只要机器具有大约从-5°至+5°的优选的启动角，即所述装置产生不平衡所获得的Y位置，则CAWT中的扭矩值对于所有叶片均为正。因此，本发明通过使用这种选择性止动装置能够改进自启动能力。

新的风力涡轮机(A)还包括，在每个臂(3)上的适于限制叶片(1)朝向外侧平移的至少一个止动元件(CC，CC1)，并且其中当叶片(1)在距轴(Z，Y)最大距离处时，叶片(1)与止动元件(CC，CC1)接触，形成由叶片(1)的轮廓和止动元件(CC，CC1)的轮廓的结合所确定的翼型。

在叶片的最大半径(Rmax)的位置中以及因此在静止状态下，叶片(1)克服空气动力学止动元件(CC，CC1)由离心力投射到径向弹簧(13)上，这可能是在径向臂(3)上的局部(图3a)或沿着叶片(3)的长度完全延伸(CC1)(图3b)：因此，根据本实施例，假定叶片被压靠在图6的止动元件(CC，CC1)上，则任何被动可变节距系统都被阻止运行，这是因为叶片(1)被挡在最大半径(Rmax)处，即在经典的“Darrieus”切向位置中。

自启动能力的改进可以通过使用图3b的结构中的非对称的驼峰状/凸面翼型来获得，当在全势能下操作并因此与延伸的止动元件(CC1)接触时，创建附加的翼型，这时该翼型基本上对称(图6)：因此，本发明通过在启动阶段使用非对称轮廓以及在全势能下使用必要的对称轮廓来优化机器的性能，如图9中的两条不同的曲线所示，它们都可被包括在本发明的表现中。与本发明的叶片(1)的末梢接触的止动元件(CC，CC1)也可以被设计成具有直的前缘(102)和钝的后缘(101)，如图3和图6所示，从而产生较低的涡量，进而降低转换之前的能量损失。

如图8所示，虽然现有技术中具有恒定半径的机器可在无风气潭期间提取最少的电力或不提取电力，但本发明的机器在这种情况下能够提取更多的能量，这是因为具有可变的半径(R)的涡轮机(A)的自由运行速度与半径(R1，R2)恒定的情况相比而言更高，多亏本发明的可变惯性设备。

因此，参考前面的描述和附图，声明以下权利要求。