专利名称：风轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风轮机，更具体地说，涉及一种用于安装在屋顶并且用于加热系统(家用或商用)、储能系统、蓄电系统或者地方或全国电网的风轮机。
背景技术：
英国政府在京都议定书中做出了到2010年降低CO2排放量至1/10的承诺，并且苏格兰行政部门已经设立了甚至更紧迫的环境目标。因此，最近已经侧重于可再生能源。能量需求分析显示英国每年能量需求的47％来自于建筑物，而它占英国CO2排放量的40％。本发明的技术将为超过33％的建筑物提供重大的经济效益并且差不多可以减少英国CO2排放量至13％。
尺寸适合于安装在屋顶以提供能量的现有风轮机仅仅设计用于平稳气流，随着建筑物上面和周围形成的压缩紊乱气流剧烈地振动，其产生噪声并且发电效率降低。
发明内容
本发明的一个目的是克服一个或多个上述问题。
根据本发明的第一方面，它提供了一种用于风轮机的转子，包括多个径向叶片和一个连接叶片外端的环形导流板扩散器。
优选的是，导流板扩散器从叶片的外端向下游延伸。叶片的外端可以在扩散器的前缘处或者靠近该处与扩散器相连。
优选的是，导流板扩散器从叶片的外端向外形成锥度，以形成一个基本上为截头圆锥体的扩散器，该截头圆锥体扩散器的旋转轴线基本上对准叶片的旋转轴线。
作为选择，导流板扩散器的至少一部分从叶片的外端向上游延伸，当从上游端延伸至下游端时，导流板扩散器径向向外形成锥度。
优选的是，导流板扩散器形成为阻止来自叶片的部分轴向和部分径向气流，当接触到导流板扩散器时所述气流变为周向。更优选的是，导流板扩散器的形状使得旋转时在叶片和扩散器组件的空气动力和声学特性方面存在综合的改进。
优选的是，在正常工作中导流板扩散器适合于阻止来自叶片外端的部分周向和部分径向气流，并且将所述气流转变为周向气流。
优选的是，叶片相对于一个垂直于转子旋转轴线的横向转子平面以某一角度倾斜。该倾斜角可以沿叶片的长度变化。
优选的是，各叶片的倾斜角在叶片的中间部分比叶片的外端大。优选的是，叶片在叶片的外端处基本上平行于横向转子平面。
根据本发明的第二方面，它提供了一种包括根据第一方面转子的风轮机。优选的是，该风轮机还包括一个适合于允许风轮机和转子绕垂直于旋转轴线的一个定向轴线旋转的机舱和安装装置。这允许风轮机取决于风的情况而朝向最佳方向。
优选的是，该风轮机还包括一个适合于在气流速度大于预定的气流速度时使转子绕定向轴线旋转以至于旋转轴线不平行于气流方向的卷收装置(furling means)。
优选的是，该卷收装置包括一个适合于在气流速度的第一低范围内不提供卷收并且在气流速度的第二高范围内提供不同程度卷收的非线性卷收装置。优选的是，该卷收装置包括至少两个向扩散器的下游延伸的尾鳍。优选的是，该卷收装置包括两个彼此相对直径设置的尾鳍，但是，倘若尾鳍的位置是平衡的，如果需要也可以设置更多尾鳍。
优选的是，一个尾鳍为铰链安装用于绕一个切向铰链线旋转的活动尾鳍。该活动尾鳍可以安装在一个安装悬臂上，并且铰链线可以设置在安装悬臂和机舱的连接点处以至于安装悬臂也旋转，或者设置在安装悬臂和活动尾鳍之间的连接处以至于仅仅活动尾鳍旋转，或者设置在沿安装悬臂长度的任何点处。
另外或作为选择，尾鳍可以在高风速下绕一个水平轴线旋转，导致一个尾鳍绕水平轴线折叠。
优选的是，该活动尾鳍通过偏压装置旋转偏压至一个静止位置，在该位置活动尾鳍的前缘比活动尾鳍的后缘更靠近转子的旋转轴线，以至于活动尾鳍与转子的旋转轴线形成一个静止攻角。偏压装置可以为非线性的。优选的是，偏压装置适合于保持活动尾鳍在静止位置直到气流速度达到预定的速度。优选的是，当气流速度增加超过预定速度时，该活动尾鳍旋转并且攻角减小。这在风轮机上产生非平衡气动负载，以至于风轮机绕其安装轴线旋转至一个卷收位置。
优选的是，根据本发明的第三方面，它提供了一种风轮机系统，该系统包括一个风轮机驱动的发电机和用于提供功率输出的装置。
优选的是，该系统还包括一个电子控制系统。
优选的是，该系统包括一个具有一个或多个能量消耗装置的倾卸元件(dump element)。该能量消耗装置可以为电阻元件的形式。
优选的是，倾卸元件为液体存储容器的形式，其中具有适合于加热所述存储容器中液体的电加热元件。
优选的是，控制装置可以用于当来自风轮机的能量超过预定能量时供应电能至所述一个或多个电加热元件。在一个实施例中，液体存储容器为一个冷水罐并且液体为水。在另一个实施例中加热元件为散热器。
优选的是，当因为切断、减小或分隔所述电负载而导致的电负载丧失或减小使得可以从风获得的能量超过功率输出时，该倾卸元件由电子控制系统触发。
优选的是，当转子速度增加至由风轮机转子扭矩和风轮机发电机扭矩的不平衡所产生的某一规定的“倾卸开始”转子速度之上时，所述倾卸元件被触发。所述风轮机转子扭矩取决于风速并且所述风轮机发电机扭矩取决于电负载。
此外，所述倾卸元件适合于增加风轮机发电机扭矩超过风轮机转子扭矩，从而减小风轮机转子速度直到它接近或达到气动失速。当风轮机转子速度低于某一规定的“倾卸停止”转子速度时，倾卸负载得到释放。所述“倾卸开始”和“倾卸停止”转子速度被确定与功率输出成比例，从而降低发电机扭矩。
优选的是，为了控制从风轮机获取的能量水平，根据本发明的风轮机系统设置有一个控制装置。因为效率的原因，风轮机的最大功率输出大约为60W，由Betz极限给出。该控制系统适合于少量增加或减小风轮机的功率输出并且临时将功率输出设定于该水平上。在一段时间以后，控制系统将再次测量风轮机的转子速度，并因此计算转子的加速度。在另外的时间段之后对转子速度进行另外的测量。这些值被用于对功率输出的所述增加或减小计算第一、第二和第三阶值，即速度、加速度/减速度和加速度/减速度的变化率。所述第一、第二和第三阶值的组合确定了当前功率输出的改变并且来自风轮机的能量数量再次被调节。上述步骤连续重复。
优选的是，系统包括一个根据本发明第一或第二方面的风轮机。
功率输出可以与一个加热系统连接，该加热系统还包括另一个液体存储容器、一个或多个适合于加热所述另一容器中液体的电加热元件和适合于控制所述发电机对所述一个或多个电加热元件的发电供应的控制装置。
优选的是，另一液体存储容器为热水罐并且液体为水。
另外或作为选择，加热系统包括多个电加热元件，并且控制装置适合于供应电能至一部分电加热元件，该部分取决于发电机产生的瞬时电能。
优选的是，在另一液体容器中的加热元件由一个管环绕。为了允许水从管下面流向加热元件，该管在其下端敞开。该管将基本上环绕并延伸越过加热元件的总长度。靠近加热元件的水将被加热，并且因为自然对流而向上流动。管的存在将引导热水流向靠近或位于容器顶部的一个区域。管的存在将能够在该另一液体存储容器中形成不同并且独立的热层叠热区。
另外或作为选择，功率输出可以连接到一个电网连接的或孤立的换流器。优选的是，该换流器适合于供应电能至地方或电网电力设施。
另外或作为选择，功率输出可以连接到一个储能系统。
根据本发明的第四方面，它提供了一种控制从风轮机获得的能量水平的方法，包括由控制装置采取的如下步骤(a)少量增加或减小风轮机的功率输出；(b)临时设置功率输出的水平；(c)在预定的时间段之后，对转子速度进行多个测量；(d)对功率输出的所述增加或减小计算第一、第二和第三阶值，即分别为速度、加速度/减速度和加速度/减速度的变化率；(e)相应于计算结果调节从风轮机获得的能量。
优选的是，步骤(b)至(e)连续重复。
优选的是，控制装置使用下面的逻辑确定调节(a)如果存在正的二阶转子速度响应(加速度)和转子速度的所述加速度的增加率(正的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加；或者(b)如果存在正的二阶转子速度响应(加速度)和转子速度的所述加速度的降低率(负的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加或者作为选择不改变；或者(c)如果存在负的二阶转子速度响应(减速度)和转子速度的所述加速度的增加率(正的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出降低；或者(d)如果存在负的二阶转子速度响应(减速度)和转子速度的所述减速度的降低率(负的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加或作为选择不改变。
优选的是，控制装置重复上述步骤以连续调节功率输出，以确保功率输出总是最大至风轮机的可用能量，这取决于转子平面处的局部风速。
根据本发明的第五方面，它提供了一个根据第二方面的风轮机，包括用于降低由风轮机、塔和安装结构内的简谐振引起的运行振动的装置。
优选的是，风轮机设置有一个机舱阻尼系统。根据本发明的机舱阻尼系统将有助于使发电机和风轮机中的振动与塔隔开。
优选的是，风轮机设置有用于在表面上安装风轮机的安装支架，该支架具有一种阻尼弹性材料和结构材料的夹层结构。
安装装置可以为任何横截面形状，但是通常为管形。优选的是，塔包括一个或多个柔性材料如橡胶的芯部，该芯部具有一些带有缩小直径并且不接触塔的内部径向表面的部分。这些具有缩小直径的部分与具有正常尺寸并且接触塔内部表面的部分交替。
这用于通过在能量到达安装支架之前消散在柔性芯部而吸收塔中的振动。该橡胶芯部因此通过吸收一定范围的振动频率而起作用控制系统的振频率在风轮机驱动频率之外。通过改变各缩小直径部分的横截面形状和长度，系统可以转为从安装结构中去除一定范围的振动频率。
该夹层安装支架得益于安装装置芯部的设计并且抑制来自机舱的振动。机舱自身通过设计为消除剩余频率的衬套支撑发电机。这三个系统充当高/低通滤波器，此时唯一没有被减弱的频率是那些超过风轮机运行范围的频率。
现在将参考
本发明的实施例，其中图1a和1b显示了根据本发明的风轮机的两个实施例的示意图；图2a和2b分别显示了根据图1a和1b的风轮机的转子和卷收装置的两个实施例的俯视图；图3详细显示了根据本发明的卷收装置的一个悬臂的实施例；图4显示了根据图3的悬臂与机舱的连接；图5a和5b显示了悬臂末端和尾鳍的连接；图6显示了适合与根据本发明的风轮机相连、用于加热水的加热装置的一个示意图；图7示意性地显示了根据图6的加热装置的控制系统的工作；
图8A、8B和9A、9B显示了适合与根据本发明的风轮机相连、用于加热水的加热装置的另一个实施例；图10显示了用于根据本发明风轮机的安装装置的一个横截面视图，其中内部设置有一个振动阻尼芯部；图11和12显示了根据图10的安装装置的一个横截面视图，作为振动阻尼芯部的可选实施例；图13显示了根据本发明第四方面的一种风轮机系统的示意方块图；和图14显示了根据本发明第五方面的一种风轮机系统的示意方块图。
具体实施例方式
在图1a和1b中显示了根据本发明的风轮机10、110的可能实施例。风轮机10、110包括一个具有芯部25、125的转子20、120和多个径向叶片30、130，径向叶片30、130从芯部25、125向叶片30、130的外端31延伸。转子包括一个连接到并且环绕转子叶片30、130的径向导流板21、121。转子20、120通过芯部25、125可旋转地固定到一个机舱41、141上。转子20、120可以绕旋转轴线26旋转。机舱41、141可旋转地安装在安装装置40的顶部。安装装置40允许风轮机10、110固定在一个支撑物(未示出)上面。而且，机舱41、141设置有一个卷收装置50、150。该卷收装置50、150包括第一悬臂51、151和第二悬臂52、152。悬臂51、151、52、152及其各自的端部设置有尾鳍53、153、54、154。
卷收装置50、150具有两个功能。第一个功能是保持转子20、120的旋转轴线26基本上平行于气流的瞬时方向。在图1中，气流通过箭头15示意性表示。卷收装置50、150的第二个功能是在风速超过风轮机的输出功率需要或者危及系统完整性时使转子20、120旋转离开风，从而保护风轮机10、110使其免受不可接受的高负载。卷收装置的结构和工作将在下面参考图2a、2b、3、4、5a和5b进行说明。
可以理解，虽然余下的说明涉及图1a的实施例，但是该说明同样适用于图1b的实施例。
如图1中所示，径向导流板21连接并且环绕风轮机叶片30。径向导流板21将在叶片末端附近形成微小的文丘里效应(venturieffect)，在这里所产生的气流速度增加对风轮机的功率输出具有最大的影响。这提高了风轮机10的整体效率，这一点将抵消重量上的微小增加和由导流板21的增加所引起的气动阻力。导流板也将沿转子叶片形成更好的层流。这非常重要，因为屋顶上的气流通常很紊乱。另一个优势在于如下事实径向导流板21的存在将增加转子20的机械强度，允许各叶片30具有更有效的导流板截面。另一个优势在于由于存在径向导流板21，包括气动涡流脱落的噪声得到消除或减小，从而使来自旋转风轮机转子叶片30的声音发射(噪声)减小。径向导流板21的存在还有助于减小紊乱气流通过转子平面的影响，并且这样也有助于减小声发射。
在图1中可以看到，叶片30的设计使得叶片30的外端31大体上垂直于旋转轴线26。
叶片的外端31连接在导流板21的前缘22附近。叶片30的数量可以变化。导流板21可以定位为相对于叶片30沿上游或下游方向延伸。
在图2中显示了根据图1的风轮机10的转子20和卷收装置50的俯视图。卷收装置50包括悬臂51、52，在它们的端部各设置有一个尾鳍53、54。气流15将在尾鳍53、54上施加一定压力。尾鳍将相对于气流15的方向平衡和稳定转子20的位置。当气流15的方向变化时，在尾鳍53、54上产生的压力也将变化。所产生的力将导致转子20旋转，以便保持气流15的方向与转子20的旋转轴线26大体上一致。在正常卷收过程中，导流板21的存在将减小由不平衡的叶片末端涡流脱落引起的振动。因为在卷收过程中导流板将用于使气流从叶片末端转移，因此这一点得以实现。
根据本发明的卷收装置50不仅维持转子20和气流15之间的最佳角度，另外还在超高风载过程中起保护风轮机20的作用。卷收装置50设计为当风速超过风轮机的输出功率需要或者风载危及转子20或其它风轮机部件的整体性时绕轴线42旋转风轮机(转子)20离开气流。如图2中所示，尾鳍53、54形成一基本上平行于风的方向指向风或背离风的楔。过大的风载将使尾鳍53、54相对于机舱41移动和/或旋转。优选的是，一个尾鳍不能移动或者只能受限制地移动，导致转子20绕轴线42卷收(或旋转)，而第二个尾鳍在高气流速度下继续旋转。这意味着，根据本发明的卷收装置50在中等风速下将保持转子20在稳定状态下并且相对于气流15成一个优选角度。为了保护其整体性，仅仅在超过某一预定风速之后，上述卷收装置50才会使转子20旋转离开风。
根据本发明的卷收装置50的结构导致卷收装置相对于风速非线性地作用。卷收装置50限制风轮机受阵风和湍流的影响程度。
微小的阵风不能使转子移动离开风。卷收装置50的安全功能将仅仅在高风速的环境下起作用以保护风轮机和各自的发电机。
如图2中所示，悬臂51和52沿转子20的下游方向从机舱延伸至尾鳍。各尾鳍53和54与转子20的外部尺寸基本上一致。根据本发明的卷收装置50的结构使得有可能获得紧凑的结构，并且并非必须在机舱41后面有自由空间。那意味着与现有风轮机相比该卷收系统的设计允许风轮机的总长度显著减小。
在图3和4中显示了悬臂51和各尾鳍53的第一实施例。箭头表示悬臂51相对于机舱41的运动。转子(未示出)旋转轴线26和尾鳍53之间的角度通过使用位于悬臂51根部的铰链60改变。如图4中所示，悬臂51通过一个盘簧61保持在关于轴线26的固定角度上。当尾鳍53上的风载足够大时，悬臂51和尾鳍53抵抗盘簧61的保持力而旋转，使得转子20上产生非平衡空气动力负载。该非平衡力将导致机舱绕其安装轴线42旋转(见图1)。应该注意到，图4中所示的盘簧61仅仅是出于举例的目的，任何类型的弹簧都可以用于铰链60中。
在图5a中显示了一个可选实施例，其中卷收鳍的旋转绕一个位于悬臂外端的铰链70发生。在另一个优选实施例中，铰链为一种弹簧铰链170，如图5b中所示。如图5中所示，尾鳍53在铰链70处的顺时针方向旋转受到一个端部挡块71限制。尾鳍53的逆时针方向旋转受到一个盘簧(未示出)或弹簧铰链170的作用限制。当气流15的速度增加到需要卷收的水平时，铰链70或弹簧铰链17中弹簧的保持力被克服，并且尾鳍53(或者在可选的优选实施例中的尾鳍154)将旋转。这使得转子上产生非平衡空气动力负载。该非平衡力将再次导致机舱绕其安装轴线42旋转，直到风轮机上的空气动力达到平衡。根据本发明的非线性卷收装置50将保持风轮机为迎风方向并且稳定，直到风速危及系统安全并且风轮机日益偏离风。因此，卷收装置50减小风轮机在阵风中的恒定偏离，否则将产生不希望的振动和风轮机叶片噪声。
可以理解，虽然在所述实施例中铰链特征位于悬臂51、52的末端，然而该铰链可以沿悬臂51、52设置在任何点。
另外，或作为选择，尾鳍53、54可以设置为沿它们的水平轴线折叠，由此导致不平衡。
因为导流板21的存在，保护风轮机所需的实际卷收角可以被限制。转子20的某一卷收将导致沿导流板21和/或叶片30的气动失速。失速一开始，气流15在转子20上的能量将降低。
在图6中，显示了风轮机加热系统的一个示意图。该风轮机加热系统包括第一贮水池118。在该贮水池中设置有一个或多个电加热元件114。电加热元件114通过一个控制单元116与风轮机10相连。由风轮机10产生的电流将传到电加热元件114从而加热贮水池118中容纳的水。当电加热元件的热传递效率可以认为接近100％时，按低于设计值的能量输入操作元件将导致更低的元件温度。风能的本质在于功率输出通常将显著低于加热系统的总额定功率。如此，有必要使用具有合适的功率额定值的加热系统114。
贮水池118设计为在使用之前存储温水。贮水池118可以是一个由铜合金制成的罐，但是任何形状或任何材料的罐都可以使用，例如搪瓷钢和塑料。钢罐更适合于高压仪器，而铜因为其固有的抗腐蚀性和相关的长使用寿命而引人注意。铜罐非常适合通风系统及其相关的低罐压。
使用根据图6的系统，当贮水池118中的所有水都已经加热到最高允许温度之后，控制单元116将不再允许加热元件114释放能量到贮水池118中。那意味着由风轮机产生的能量必须被“倾卸”到别处(倾卸元件)。只要风轮机10正在发电，有必要一直都有释放电能的装置。
当因为切断、减小或分隔所述电负载而导致的电负载丧失或减小使得可以从风获得的能量超过功率输出时，电子控制系统“打开”该倾卸元件而触发该倾卸元件。当增加的转子速度至由风轮机转子扭矩和风轮机发电机扭矩的不平衡所产生的某一规定的“倾卸开始”转子速度之上时，所述元件被触发。所述风轮机转子扭矩取决于风速并且所述风轮机发电机扭矩取决于电负载。所述倾卸元件用于增加风轮机发电机扭矩超过风轮机转子扭矩，减小风轮机转子速度直到它接近或达到失速。当风轮机转子速度低于某一规定的“倾卸停止”转子速度时，然后发电机扭矩通过释放倾卸负载而减小。所述“倾卸开始”和“倾卸停止”转子速度确定为与功率输出和电负载成比例。
在热水贮水池118中通过元件114加热的水趋向于形成层叠的层。因为热量将通过传导和对流传播，各层中的温度将不会有很大差异。在各层之间存在高的温度梯度。该现象在使用几个加热元件的情况下将很有用，顶层可以被加热，然后当更低的层顺序被加热时通过对流保持它下面的层不受干扰。
应该注意到，这里所述的加热元件设计可以带有或不带有串联的电源接头使用。当不能从风轮机获得能量时，该电源接头将允许浸没式加热元件(或专用的电源元件)以提供能量。
关于风轮机的效率，由转子从风中提取的能量应该限制在大约60％(59.6％)。因为根据本发明的风轮机可以在湍急气流中工作的事实，通过增加一个新的控制系统，可提高根据本发明的风轮机的效率。
图7示意性地显示了根据本发明的控制系统的工作。首先，风轮机上的负载接近一个预定的启动水平(LO)。在规定的时间段之后对转子速度进行多个测量。这些测量值被用于对功率输出的所述增加或减小计算第一、第二和第三阶值。决定当前功率输出变化和从风轮机所获得能量数量的所述第一、第二和第三阶值再次被调节。
控制从风轮机获得的能量水平的方法包括由控制装置采取的下面步骤(a)少量增加或减小风轮机的功率输出；(b)临时设置功率输出的水平；(c)在预定的时间段之后，对转子速度进行多个测量；(d)对功率输出的所述增加或减小计算第一、第二和第三阶值，即分别为速度、加速度/减速度和加速度/减速度的变化率；(e)相应于计算结果调节从风轮机获得的能量。
然后步骤(b)至(e)连续重复。
该控制装置使用下面的逻辑确定调节(a)如果存在正的二阶转子速度响应(加速度)和转子速度的所述加速度的增加率(正的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加；或者(b)如果存在正的二阶转子速度响应(加速度)和转子速度的所述加速度的降低率(负的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加或者作为选择不改变；或者(c)如果存在负的二阶转子速度响应(减速度)和转子速度的所述加速度的增加率(正的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出降低；或者(d)如果存在负的二阶转子速度响应(减速度)和转子速度的所述减速度的降低率(负的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加或作为选择不改变。
控制装置重复上述步骤以连续调节功率输出，以确保功率输出总是最大至风轮机的可用能量，或者产量，这取决于转子平面处的局部风速。
因为转子上的风速将连续变化的事实，用于增加和降低风轮机上负载量的时间间隔通常将在毫秒至数十秒的范围内。
当使用如图8中所示的可选贮水池128时，风轮机加热系统的效率可以进一步提高。贮水池128设置有一个电加热元件124。该加热元件124在其大致长度方向上被一个环绕管125覆盖。管125的底端126是敞开的。这使水可以流入加热装置124外部和管125内部之间。电流一通过元件124，电能就将转为热能，并且该热能然后传递到水中。直接环绕加热元件124的水膜将被加热，并且因为自然对流将流向贮水池128的顶部并且防止其径向扩散到贮水池128中。因为管125的存在，加热的水被引向贮水池128顶部的一个温水区130。由加热元件124产生的热量因此集中在贮水池128的顶部并且防止其径向扩散到贮水池128中。这将限制加热水至预定温度所需的时间，因此减小其能量消耗。
当由风轮机产生的能量增加时，传递到贮水池128的水中的热量也就增加。这意味着热水向贮水池128顶部的流动将增加，从而产生热层叠层的混合，并且产生增大的温水区130。该效应示于图9中。因为贮水池128的结构，能量不再必须被“倾卸”。因为下面事实风能的本质是使得功率输出经常波动而且低于加热系统的总额定功率，因此贮水池128的使用特别适合于风轮机。
在根据本发明的风轮机的正常运行中，由风轮机、塔架和安装结构内的简谐振引起振动。这些来自于因为转子、发动机或其它风轮机部件在运行过程中的变形、空气动力引起的振动或机械引起的振动而产生的叶片不平衡。消除微型风轮机中的振特别困难，因为它们在风轮机末端速度的很宽范围内运行。下述设计通过控制风轮机末端速度以至于它们保持外部固有振频率并且通过新颖的吸振措施来减小运行振动。
在建筑结构上安装一个水平轴线的风轮机需要临界频率的阻尼和移动谐波超过系统运行频率。屋顶风轮机上的阻尼系统被集成到风轮机的安装装置和机舱的设计中。这些吸振系统一起工作以形成无噪运行的屋顶风轮机。
新颖的风轮机安装支架使用一种阻尼弹性材料和结构材料的夹层结构。
该安装装置塔包括一个创新性的芯部，通常为橡胶，该芯部具有一些带有缩小横截面积并且不接触安装装置内表面的部分和一些接触安装装置内表面的部分。这用于通过在能量到达安装支架之前消散在橡胶芯部而吸收安装装置中的振动。该橡胶芯部也起到使系统的振频率超过风轮机驱动频率的作用。
在图10中以横截面显示了安装装置内部的一个可能的实施例。在该实施例中，安装装置横截面为管形。安装装置40包括一个中空芯部，其中存在一个圆柱形芯部元件90。该芯部元件90在其中间设置有一个中空部分91以允许元件，如电源线经由芯部元件90的内部通过。芯部元件90具有部分92，部分92的外径基本上与安装装置40的内径对应。这些部分与具有缩小直径并且不接触安装装置40内部径向表面的部分93交替。该夹层安装支架连同安装装置芯部的设计抑制系统中的振动。这些转动的主要来源是从风轮机传到建筑物的振动和障碍物周围的气动湍流，它们减小了功率输出但更重要的是缩短了风轮机的工作寿命。
在图11中以横截面显示了安装装置内部的一个可选实施例。
安装装置40的中空芯部设置有一个芯部元件94。该芯部元件94在其中间设置有一个中空部分91。芯部元件94设置有外径基本上对应于安装装置40内径的部分92。这些部分与具有缩小直径并且不接触安装装置40内部径向表面的部分93交替。当对比图10和11时，很清楚，各芯部元件90和94中的凹槽的形状不同。应该注意到，图10和11仅仅出于举例说明的目的。也可以采用芯部元件的可选实施例。
图12显示了安装装置40内部的另一个实施例。如图12中所示，安装装置40的内部包括多个插入安装装置中的芯部元件95，其中第一元件95紧靠相邻的元件95。在图12的实例中，各元件95中凹槽的形状又不同于根据图10和11的实施例。
在风轮机中，噪声来自于两个领域空气动力源和机械源。气动噪声从叶片发出，因为带有湍流的叶片表面与叶片周围边界层中的自然空气或粘性流的相互作用而产生。机械噪声是因为机械部件的相对运动以及它们之间的动力响应。如果机舱、转子和塔传播机械噪声并进行扩散，充当一个扩音器，该效应可以被放大。存在两种噪声问题直接从部件表面或内部传播到空气中的空气噪声和在由另一个部件发出之前通过结构传播的结构噪声。
风轮机安装和安装装置被设计为将整体结构的振频率推至由叶片不平衡、空气动力引起的振动、机械引起的振动与变形所产生的运行振动频率之外。该安装包括一个消除振动的阻尼系统。
如图13中所示，风轮机10可以形成风轮机系统200的一部分，该系统可以与一个孤立的或电网连接的换流器201相连，用于连接到地方电力设施或者地方或嵌入式的电网连接器202。系统200也可以设置有一个整流器203，该整流器对来自风轮机10的功率输出进行整流并且将整流后的电能输送至一个电子控制器204(如前面实施例所述)，该控制器可以“倾卸”过量负载205(可以通过一个外部阻抗负载如其它实施例所述进行)或者供应电能至换流器201。这样，风轮机系统200可以被用于供应电能至电力设施，如地方电网或全国电网。
如图14所示，风轮机10可以形成与储能系统301相连的风轮机系统300的一部分。该存储装置可以为电池堆的形式，或储能装置的任何其它合适的形式。系统300也可以设置有一个整流器303，该整流器对来自风轮机10的功率输出进行整流并且将整流后的电能输送至一个电子控制器304(可以通过一个外部阻抗负载如其它实施例所述进行)，该控制器可以“倾卸”过量负载305(可以如其它实施例所述进行)或者供应电能至存储装置301。这样，风轮机系统200可以被用于输送电能至存储装置用于以后使用。
可以对前述进行修改和改进而不脱离本发明的范围。
权利要求
1.一种用于风轮机的转子，包括多个径向叶片和一个连接所述叶片外端的环形导流板扩散器。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述导流板扩散器从所述叶片的外端向下游延伸。
3.根据前面权利要求中任一所述的转子，其特征在于，所述叶片的外端在扩散器的前缘处或者靠近该前缘处与所述扩散器相连。
4.根据前面权利要求中任一所述的转子，其特征在于，所述导流板扩散器从叶片的外端向外形成锥度，以形成一个基本上为截头圆锥体的扩散器，该截头圆锥体扩散器的旋转轴线基本上对准叶片的旋转轴线。
5.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述导流板扩散器的至少一部分从叶片的外端向上游延伸。
6.根据前面权利要求中任一所述的转子，其特征在于，当导流板扩散器从上游端延伸至下游端时，径向向外形成锥度。
7.根据前面权利要求中任一所述的转子，其特征在于，导流板扩散器形成为阻止来自叶片的部分轴向和部分径向气流，所述气流在接触到导流板扩散器时变为周向。
8.根据前面权利要求中任一所述的转子，其特征在于，在正常工作中导流板扩散器适合于阻止来自叶片外端的部分周向和部分径向气流，并且将所述气流转变为基本上为周向的气流。
9.根据前面权利要求中任一所述的转子，其特征在于，叶片相对于一个垂直于转子旋转轴线的横向转子平面以某一角度倾斜。
10.根据权利要求9所述的转子，其特征在于，倾斜角可以沿叶片的长度变化。
11.根据权利要求9或10所述的转子，其特征在于，各叶片的倾斜角在叶片的中间部分处比叶片的外端处大。
12.根据前面权利要求中任一所述的转子，其特征在于，叶片在叶片的外端处基本上平行于横向转子平面。
13.一种包括根据权利要求1至12中任一所述的转子的风轮机，还包括机舱和安装装置，它们适于允许风轮机和转子绕垂直于旋转轴线的一个定向轴线旋转，从而允许风轮机根据风的情况而朝向最佳方向。
14.根据权利要求13所述的风轮机，还包括卷收装置，所述卷收装置适于在气流速度大于预定的气流速度时使转子绕定向轴线旋转从而使所述旋转轴线不平行于气流方向。
15.根据权利要求14所述的风轮机，其特征在于，所述卷收装置包括一非线性卷收装置，其适于在气流速度的第一低范围内不提供卷收并且在气流速度的第二高范围内提供不同程度卷收。
16.根据权利要求14和15所述的风轮机，其特征在于，所述卷收装置包括至少两个向所述扩散器的下游延伸的尾鳍。
17.根据权利要求16所述的风轮机，其特征在于，两个尾鳍彼此径向相反设置。
18.根据权利要求16或17所述的风轮机，其特征在于，其中一个尾鳍为铰链安装的活动尾鳍，其绕一个切向铰链线旋转。
19.根据权利要求18所述的风轮机，其特征在于，所述活动尾鳍可以安装在一个安装悬臂上，并且铰链线可以设置在安装悬臂和机舱的连接点处从而使安装悬臂也旋转，或者设置在安装悬臂和活动尾鳍之间的连接处从而使仅仅活动尾鳍旋转，或者设置在沿安装悬臂长度的任何点处。
20.根据权利要求18或19所述的风轮机，其特征在于，尾鳍在高风速下绕水平轴线旋转，导致一个尾鳍绕水平轴线折叠。
21.根据权利要求18至20中任一所述的风轮机，其特征在于，活动尾鳍通过偏压装置旋转偏压至一个静止位置，在该位置活动尾鳍的前缘比活动尾鳍的后缘更靠近转子的旋转轴线，以至于活动尾鳍与转子的旋转轴线形成一静止攻角。
22.根据权利要求21所述的风轮机，其特征在于，所述偏压装置为非线性的。
23.根据权利要求21或22所述的风轮机，其特征在于，所述偏压装置适于保持活动尾鳍在静止位置直到气流速度达到一预定速度，并且当气流速度增加超过预定速度时，该活动尾鳍旋转并且攻角减小，从而风轮机上产生非平衡气动负载，使风轮机绕其安装轴线旋转至一个卷收位置。
24.一种风轮机系统，包括一个风轮机驱动的发电机和用于提供功率输出的装置。
25.根据权利要求24所述的风轮机系统，其特征在于，该系统还包括一个电子控制系统。
26.根据权利要求24或25所述的风轮机系统，其特征在于，该系统包括倾卸元件，所述倾卸元件具有一个或多个能量消耗装置。
27.根据权利要求26所述的风轮机系统，其特征在于，所述能量消耗装置可以为电阻元件的形式。
28.根据权利要求26或27所述的风轮机系统，其特征在于，倾卸元件为液体存储容器的形式，其中具有适合于加热所述存储容器中液体的电加热元件。
29.根据权利要求28所述的风轮机系统，其特征在于，所述控制装置可以用于当来自风轮机的能量超过预定能量时供应电能至所述一个或多个电加热元件。
30.根据权利要求28或29所述的风轮机系统，其特征在于，所述液体存储容器为冷水罐并且液体为水。
31.根据权利要求28或29所述的风轮机系统，其特征在于，所述加热元件为散热器。
32.根据权利要求26所述的风轮机系统，其特征在于，当因为切断、减小或分隔所述电负载而导致的电负载丧失或减小使得可以从风获得的能量超过功率输出时，倾卸元件由电子控制系统触发。
33.根据权利要求32所述的风轮机系统，其特征在于，当转子速度增加至由风轮机转子扭矩和风轮机发电机扭矩的不平衡所产生的某一规定的“倾卸开始”转子速度之上时，倾卸元件被触发，所述风轮机转子扭矩取决于风速，而所述风轮机发电机扭矩取决于电负载。
34.根据权利要求33所述的风轮机系统，其特征在于，所述倾卸元件适合于增加风轮机发电机扭矩超过风轮机转子扭矩，从而减小风轮机转子速度直到它接近或达到气动失速，并且当风轮机转子速度低于某一规定的“倾卸停止”转子速度时，发电机扭矩被释放，所述“倾卸开始”和“倾卸停止”转子速度被确定为与功率输出成比例。
35.根据权利要求24至34中任一所述的风轮机系统，其特征在于，风轮机系统设置有控制装置，适合于控制从风轮机获取的能量水平。
36.根据权利要求35所述的风轮机系统，其特征在于，所述控制系统适合于相对于总体功率输出少量地增加或减小风轮机的功率输出。
37.根据权利要求24至36中任一所述的风轮机系统，其特征在于，所述系统包括根据权利要求1至23中任一所述的风轮机。
38.根据权利要求24至37中任一所述的风轮机系统，其特征在于，功率输出连接到一个加热系统，该加热系统还包括另一液体存储容器、一个或多个适合于加热所述另一容器中液体的电加热元件以及适合于控制所述发电机对所述一个或多个电加热元件的电力供应的控制装置。
38.根据权利要求37所述的风轮机系统，其特征在于，所述另一液体存储容器为热水罐并且液体为水。
39.根据权利要求38所述的风轮机系统，其特征在于，所述加热系统包括多个电加热元件，并且所述控制装置适合于供应电能至一定比例的电加热元件，该比例取决于发电机产生的瞬时电能。
40.根据权利要求39所述的风轮机系统，其特征在于，在所述另一液体容器中的加热元件被一个管环绕，所述管的下端敞开并且适合于允许水从所述管下面流向加热元件。
41.根据权利要求40所述的风轮机系统，其特征在于，所述管环绕并延伸越过加热元件的总长度，从而使靠近加热元件的水将被加热并且因为自然对流而向上流动，所述管适合于可在所述另一液体存储容器中形成不同并且独立的热区。
42.根据权利要求24至41中任一所述的风轮机系统，其特征在于，功率输出连接到一个电网连接的换流器或孤立的换流器。
43.根据权利要求42所述的风轮机系统，其特征在于，所述换流器适合于供应电能至地方或电网电力设施。
44.根据权利要求24至43中任一所述的风轮机系统，其特征在于，功率输出连接到一个储能系统。
45.一种控制从风轮机获得的能量水平的方法，包括由控制装置采取的如下步骤(a)少量增加或减小风轮机的功率输出；(b)临时设置功率输出的水平；(c)在预定的时间段之后，对转子速度进行多个测量；(d)对功率输出的所述增加或减小计算第一、第二和第三阶值，即分别为速度、加速度/减速度和加速度/减速度的变化率；(e)相应于计算结果调节从风轮机获得的能量。
46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于，所述控制装置使用下面的逻辑确定调节(a)如果存在正的二阶转子速度响应(加速度)和转子速度的所述加速度的增加率(正的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加；或者(b)如果存在正的二阶转子速度响应(加速度)和转子速度的所述加速度的降低率(负的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加或者作为选择不改变；或者(c)如果存在负的二阶转子速度响应(减速度)和转子速度的所述加速度的增加率(正的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出降低；或者(d)如果存在负的二阶转子速度响应(减速度)和转子速度的所述减速度的降低率(负的三阶响应)；那么控制装置导致功率输出增加或作为选择不改变。
47.根据权利要求45或46所述的方法，其特征在于，所述控制装置重复上述所有步骤以连续调节功率输出，以确保功率输出总是最大至风轮机的可用能量，这取决于转子平面处的局部风速。
48.根据权利要求13至23中任一所述的风轮机，包括用于降低由风轮机、塔和安装结构内的简谐共振引起的运行振动的装置。
49.根据权利要求48所述的风轮机，其特征在于，风轮机设置有机舱阻尼系统，适合于使发电机和风轮机中的振动与塔至少部分隔开。
50.根据权利要求48或49所述的风轮机，其特征在于，风轮机设置有用于在表面上安装风轮机的安装支架，所述支架具有由粘弹性材料和结构材料形成的夹层结构。
51.根据权利要求48至50中任一所述的风轮机，其特征在于，所述安装装置为管形。
52.根据权利要求50所述的风轮机，其特征在于，所述塔包括一个或多个由柔性材料，如橡胶制成的芯部，所述芯部具有一些带有缩小直径并且不接触塔的内部径向表面的部分，使得这些具有缩小直径的部分与具有正常尺寸并且接触塔内部表面的部分交替，由此用于通过在能量到达安装支架之前消散在柔性芯部而吸收塔中的振动。
53.根据权利要求52所述的风轮机，其特征在于，所述橡胶芯部适合于通过吸收一定范围的振动频率而控制系统的共振频率在风轮机驱动频率之外。
54.根据权利要求53所述的风轮机，其特征在于，每个所述缩小直径部分的横截面形状和长度改变，由此调整系统以便从安装结构中去除一定范围的振动频率。
55.根据权利要求48至54中任一所述的风轮机，其特征在于，所述夹层安装支架得益于安装装置芯部的设计并且抑制来自机舱的振动。
56.根据权利要求55所述的风轮机，其特征在于，机舱通过设计为消除振动频率的衬套来支撑发电机。
全文摘要
本发明公开用于风轮机的转子，包括多个径向叶片和一个连接叶片外端的环形导流板扩散器。还公开包括该转子的风轮机，该风轮机包括适合于允许风轮机和转子绕垂直于旋转轴线的一个定向轴线旋转的机舱和安装装置，由此允许风轮机取决于风的情况而朝向最佳方向。本发明还公开卷收装置用以取决于风速改变朝向；还公开了风轮机系统，其包括风轮机驱动的发电机和用于提供功率输出的装置，功率输出连接到加热元件、适合于供应电能至地方或电网电力设施的电网连接换流器或孤立换流器、或者储能系统。还公开了控制从风轮机获得的能量水平的方法和一种风轮机，该风轮机包括用于降低由风轮机、塔和安装结构内的简谐共振引起的运行振动的装置。
文档编号F03D7/02GK1788155SQ200480007184
公开日2006年6月14日 申请日期2004年3月18日 优先权日2003年3月18日
发明者戴维·尤尔特·安德森, 查尔斯·劳伦斯·西尔弗通 申请人:可换部件轻便涡轮有限公司