专利名称：风力涡轮机及控制风力涡轮机的方法
技术领域：
本发明涉及包括转子和主轴的风力涡轮机，其中，所述主轴与所述转子耦连，以将风能转化为主轴的转动动能，并且其中，主轴与风力涡轮机的主发电机机械耦连，其中所述主发电机实现为将转动动能转化为电能。本发明还涉及控制风力涡轮机的方法。
背景技术：
用于将风能转化为电能的风力涡轮机是公知的。风力涡轮机的强度和连续性随地点和时间变化，从而导致波动的能量被供应到风力涡轮机。此外，如果产生长期湍流，则风力涡轮机必须停止工作，导致100%的风能损失或导致在风力小的时期可以提供的电能降低。为此，风力涡轮机包括传统的制动器，以制动转子。实际上制动能量是被浪费了。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有改善的能量效率的风力涡轮机。本发明的这一目的由权利要求1所述的风力涡轮机和权利要求15所述的控制风力涡轮机的方法来实现。因此，所述风力涡轮机包括转子和主轴，其中，所述主轴与所述转子耦连，以将风能转化为所述主轴的转动动能，并且其中，所述主轴与所述风力涡轮机的主发电机机械耦连，其中所述主发电机实现为将转动动能转化为电能，其中，制动系统包括能量回收装置， 所述能量回收装置实现为当所述制动系统降低所述转子的转速时回收所述主轴的至少部分转动动能。这使得可以在风力涡轮机进行制动操作时存储动能并且在制动操作完成后使用所存储的能量。根据本发明，一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括转子和主轴，其中，所述主轴与所述转子耦连，以将风能转化为所述主轴的转动动能，并且其中，所述主轴与所述风力涡轮机的主发电机机械耦连，其中所述主发电机实现为将转动动能转化为电能，由此，所述方法包括步骤当所述制动系统降低所述转子的转速时存储至少部分回收的动能。具体地，如以下描述所示，本发明的优选实施例和特征由从属权利要求给出。由此，在风力涡轮机的背景下示出的特征也可以在风力涡轮机的控制方法的背景中实现。在一个优选实施例中，制动系统包括在制动所述转子时存储主轴的转动动能的动能存储装置。所述动能存储装置使得可以在风力涡轮机进行制动操作时快速和便利地存储动能。动能可以转化为电能，然后被存储。稍后，所存储的电能可以供应到风力涡轮机的其它电气装置或供应到与主发电机连接的电网。在进行制动操作时所述动能存储装置用作制动器。因此，风力涡轮机可以装配固定静止的转子的较小制动器而不是传统的制动器，该较小的制动器可以是例如用于固定转子的固定制动器。最后，较小的传统制动器可以与动能存储装置结合，以联合制动所述转子。与根据现有技术的风力涡轮机相比，这种较小的传统制动器导致需要较小舱的轻型风力涡轮机。
在一个优选实施例中，动能存储装置还包括与轴机械耦连的至少一个飞轮。动能从该轴传送到飞轮。该飞轮通过其转动运动存储动能。这种飞轮可以在短时间存储大量动能。例如，四个飞轮可以布置为四方布置，以避免不希望的动力效应。在另一优选实施例中，辅助发电机与飞轮机械耦连。这使得可以将飞轮中存储的动能转化为电能，该电能稍后可以用于供应风力涡轮机的其它电气装置。或者，此电能可以供应到与主发电机连接的电网。此外，与在制动操作期间动能从主轴传送到飞轮所用的时间相比，利用辅助发电机可以在更长的时间内分配所存储的电能。这使得所存储的能量能够以比存储比率更低的比率使用更长的时间。优选地，电能存储装置与辅助发电机电耦连。这使得可以存储源自飞轮所存储的动能的由辅助发电机产生的电能。此电能可以用于驱动风力涡轮机的电气装置或者可以供应到与主发电机连接的电网。在另一实施例中，设置AC/DC转换器，以转化所述辅助发电机产生的电能。这使得可以将电能方便地存储在诸如蓄电池、蓄能器等存储装置中。在一个优选实施例中，设置具有输入轴和输出轴的辅助齿轮，从而所述输入轴可以与主轴机械耦连。例如，这种机械耦连可以包括不存在任何中间齿轮的直接耦连。辅助齿轮使得可以通过将主轴的转动速度传送到输出轴来改善动能到飞轮的传输。由此，可以达到至少为1的传输率。优选地，辅助齿轮包括齿轮箱，该齿轮箱在所述输入轴和所述输出轴之间的具有无级变速(CVT，continuously variable transmission)速比。该辅助齿轮使得速比无级适应，并且因此改善从主轴到飞轮的动能传输。这种CVT齿轮包括两个V形带皮带轮，所述皮带轮垂直于它们的转动轴分开，它们之间运行有V形带。通过将一个皮带轮的两部分移动得更靠近并且将另一皮带轮的两部分移动得更分开来改变齿轮比。所述带的V形截面使得该带在一个皮带轮上较高而在另一个皮带轮上较低。这有效地改变了皮带轮的直径，从而改变整个齿轮比。皮带轮之间的距离不改变，带的长度也不改变，因此改变齿轮比意味着必须同时调节两个皮带轮(一个较大， 另一个较小)，从而在带上保持所需的张力。在一个优选实施例中，设置用于使动能存储装置与主轴机械耦连和分离的离合器。这可以例如使得辅助齿轮与主轴分开。这将提高辅助齿轮的寿命，因为在与主轴分离时辅助齿轮不需要被迫转动。在一个优选实施例中，主轴与主发电机直接机械耦连。这表示风力涡轮机是直接驱动型的，不需要齿轮将主轴的转动速度转换为其它更高的值。优选地，动能存储装置与主轴直接机械耦连。在这种布置中，在动能存储装置与主轴之间不需要齿轮。在另一实施例中，设置具有输入轴和输出轴的齿轮，由此，输入轴与主轴直接机械耦连并且输出轴与主发电机直接机械耦连。该齿轮使得可以通过提供优化的转动速度来提高发电机的效率。优选地，动能存储装置与齿轮的输出轴直接机械耦连。因此，由于齿轮在其输出轴提供的转动速度比在其输入轴所提供的更高，可以降低辅助齿轮的速比。
从以下结合附图考虑的详细描述中，本发明的其它目的和特征将变得显然。然而， 应该理解，附图是仅为图示目的的，而不是作为对本发明的范围的限定。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的物体。图表中的物理不必须按规定比例绘制。现在将参照以下附图描述本发明的例子。图1示出根据本发明第一实施例的风力涡轮机的剖面图， 图2示出根据本发明第二实施例的风力涡轮机的剖面图，
图3示出根据本发明第三实施例的风力涡轮机的剖面图， 图4示出根据本发明第四实施例的风力涡轮机的剖面图，以及图5示出根据本发明第五实施例的风力涡轮机的剖面图。
具体实施例方式参考图1至图5。风力涡轮机h、2b、2C、2dJe包括安装在塔状结构28上的舱26。舱沈中容纳用于将机械能转化为电能的发电机8。发电机8包括延伸到舱沈外的主轴6。可转动的转子 4刚性固定在主轴6的外侧末端，转子4包括具有叶片32的轮毂30，叶片32用于将风能转化为主轴6的转动，主轴6继而驱动发电机8以产生电能。根据图1的风力涡轮机加包括直接驱动器，其中主轴6与发电机8直接机械耦连。 与此相反，根据图2至图5的风力涡轮机2b、2c、2dje包括使轴6与发电机8机械耦连的齿轮14，用于将主轴的转速转化为另一转速，以提高发电机8的效率。这里，主轴6用作齿轮14的输入轴，从而齿轮14的输出轴与发电机8机械耦连。风力涡轮机2d具有支撑主轴6和主发电机8的三个轴承40。与此相反，风力涡轮机2b、2c和2e具有四个轴承40，从而两个轴承34支撑主轴6，两个轴承40支撑主发电机 8。]风力涡轮机h、2b、2C、2dJe包括例如在风力过大时用于制动转子4的制动系统。该制动系统包括能量回收装置，所述能量回收装置用于存储当制动系统降低转子4的转速时产生或释放的动能的至少一部分。制动系统包括用于存储所回收的主轴6的转动动能的动能存储装置10。所存储的动能将转化为电能并且可以在稍后使用。动能存储装置10包括以下作为主要部件的部件辅助齿轮16、至少一个飞轮22、 辅助发电机20、AC/DC转换器M、控制器38和蓄电池18。辅助齿轮16是具有输入轴和输出轴的齿轮箱。辅助齿轮16是允许输入轴和输出轴之间的连续可变速比的无级变速(CVT) 齿轮。CVT齿轮包括两个V形带皮带轮42，所述皮带轮42垂直于它们的转动轴分开，它们之间运行有V形带44。通过将一个皮带轮42的两部分移动得更靠近并且将另一皮带轮 42的两部分移动得更分开来调节齿轮比。由于所述带44的V形截面，使得该带44在一个皮带轮42上较高而在另一个皮带轮42上较低。这有效地改变了皮带轮42的直径，从而改变整个齿轮比。皮带轮42之间的距离不改变，带44的长度也不改变，因此改变齿轮比意味着必须同时调节两个皮带轮42 (—个较大，另一个较小)，从而在带上保持所需的张力。辅助齿轮16还包括测量辅助齿轮16的输入轴的转速的第一速度传感器34。此外，辅助齿轮 16包括测量辅助齿轮16的输出轴的转速的第二转速传感器36。控制器38与第一速度传感器34和第二速度传感器36连接，用于将用第一速度传感器34和第二速度传感器36测量的测量值传送到控制器38。此外，控制器38与辅助齿轮16连接。基于所述测量值，控制器38调节速比，以优化从主轴6传送到飞轮22的能量。 例如，当风力过大时，控制器38开始制动操作。因此，控制器38修改辅助齿轮16的速比， 从而开始将能量从主轴6传送到飞轮22。根据图1和图2的例子，主轴6用作辅助齿轮16的输入轴。这表示辅助齿轮16 与风力涡轮机h、2b的主轴6直接机械耦连。与此相反，根据图3的例子，齿轮14的输出轴用作辅助齿轮16的输入轴。辅助齿轮16与例如四个飞轮22耦连，飞轮22用于存储布置为四方的主轴6的机械能量，以避免动力效应。这种飞轮22由薄片制成。离合器(未示出)被设置用来，使飞轮 22与主轴6机械耦连并且在主轴6的转动能量将被回收时使飞轮22与主轴6分离，在机械能应该存储在蓄电池18中时使使飞轮22与主轴6机械耦连。与飞轮22机械耦连的是用于将飞轮22所存储的机械能转化为电能辅助发电机 20。与辅助发电机20电连接的是用于转化存储在蓄电池18中的电能的AC/DC转换器M， 蓄电池18因而与AC/DC转换器M电连接。当需要时，所存储的电能可以供应到其它电气装置，如风力涡轮机h、2b、2c的灯、升降装置或电气子系统(未示出)。风力涡轮机h、2b、2c的控制单元(未示出)只在风力涡轮机加、213、2(3通过修改辅助齿轮16的速比进行制动时与辅助发电机20接合，例如利用离合器(未示出)。在此情形中，辅助发电机20不降低发电机8的输出功率。此外，控制单元连续控制发电机8的终端电压。只要蓄电池的电压低于辅助发电机20的终端电压，则蓄电池18将被加负载。当所述蓄电池电压达到辅助发电机20的终端电压时，控制单元停止加负载。因此，设置测量蓄电池18的电压、温度和故障并将结果传送给控制单元的的智能蓄电池传感器(未示出)。传统的固定制动器(未示出)将在制动操作完成时(例如转子4不再转动或几乎已停止转动)固定转子4。或者，这种传统的固定制动器和动能装置10协同地对主轴6进行制动。为清楚起见，应该理解，本申请使用的标示不定冠词的“一”并不排除表示复数的情形，并且“包括”并不排除存在其它步骤或元件。
权利要求
1.一种风力涡轮机，包括转子(4)和主轴(6)，其中，所述主轴(6)与所述转子(4)耦连，以将风能转化为所述主轴(6)的转动动能，并且其中，所述主轴(6)与所述风力涡轮机 (2)的主发电机(8)机械耦连，其中所述主发电机(8)实现为将转动动能转化为电能，所述风力涡轮机的特征在于制动系统包括能量回收装置，所述能量回收装置实现为当所述制动系统降低所述转子 (4)的转速时回收所述主轴(6)的至少部分转动动能。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮机，其中，所述制动系统包括实现为存储所回收的动能的动能存储装置(10)。
3.根据权利要求2所述的风力涡轮机，其中，所述动能存储装置(10)包括与所述主轴 (6)机械耦连的至少一个飞轮(22)。
4.根据权利要求3所述的风力涡轮机，包括与所述飞轮(22)机械耦连的辅助发电机 (20)。
5.根据权利要求4所述的风力涡轮机，包括与所述辅助发电机(20)电耦连的电能存储装置(12)。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机，包括AC/DC转换器(24)，所述AC/DC转换器 (24)实现为将所述辅助发电机(20)产生的电能转化为DC电压。
7.根据权利要求6所述的风力涡轮机，包括实现为存储电能的蓄电池(18)。
8.根据权利要求1或7中任一项所述的风力涡轮机，包括具有输入轴和输出轴的辅助齿轮(16 )，由此，所述输入轴与所述主轴(6 )直接机械耦连。
9.根据权利要求8所述的风力涡轮机，其中，所述辅助齿轮(16)是齿轮箱，其包括所述输入轴和所述输出轴之间的无级变速速比。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的风力涡轮机，包括实现为耦连和断开所述动能存储装置(10)的离合器。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的风力涡轮机，其中，所述主轴(6)与所述主发电机(8)直接机械耦连。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中，所述动能存储装置(10)与所述主轴 (6)直接机械耦连。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的风力涡轮机，包括具有输入轴和输出轴的齿轮(14)，由此，所述输入轴与所述主轴(6)机械耦连并且所述输出轴与所述主发电机(8)直接机械耦连。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中，所述动能存储装置(10)与所述齿轮 (14)的输出轴机械耦连。
15.一种控制风力涡轮机的方法，所述风力涡轮机包括转子(4)和主轴(6)，其中，所述主轴(6)与所述转子(4)耦连，以将风能转化为所述主轴(6)的转动动能，并且其中，所述主轴(6)与所述风力涡轮机(2)的主发电机(8)机械耦连，其中所述主发电机(8)实现为将转动动能转化为电能，其中当所述制动系统降低所述转子(4)的转速时存储至少部分动能。
全文摘要
本发明涉及风力涡轮机及控制风力涡轮机的方法。本发明的风力涡轮机包括转子(4)和主轴(6)，其中，所述主轴(6)与所述转子(4)耦连，以将风能转化为所述主轴(6)的转动动能，并且其中，所述主轴(6)与所述风力涡轮机(2)的主发电机(8)机械耦连，其中所述主发电机(8)实现为将转动动能转化为电能。本发明的特征在于制动系统，所述制动系统包括能量回收装置，所述能量回收装置实现为当所述制动系统降低所述转子(4)的转速时回收所述主轴(6)的至少部分转动动能。
文档编号F03D7/02GK102465843SQ201110349800
公开日2012年5月23日 申请日期2011年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者M. 贝尼特斯桑切斯 A., 文茨克 K., 沃莱布 M., 施奈德 P., 李莹 申请人:西门子公司