竖向风电设备以及操作这种设备的方法与流程

本发明涉及的是风电设备的领域。本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的竖向风电设备。本发明还涉及一种操作这种设备的方法。

背景技术：

除市场中大量制造和使用的配设有三个叶片的输出功率为兆瓦级的常见水平风电设备外，还一再提出可以按照不同原理工作的竖向风电设备。

公开案us3,902,072a揭示一种具有水平旋转平台的风力发电机，其外周上布置有数个竖向叶片，这些叶片全部绕中心轴同轴旋转并且各自绕其自有的轴旋转。竖向叶片的旋转取决于风向及风速的变化，并且每个叶片的旋转如此地受到控制，使得在平台循环路径的3/4上获取风力，而在其余路径上，则将叶片设置成使其对风提供最小阻力。通过中央齿轮机构与共用的伺服电动机，实现对叶片的控制。

公开案us4,410,806a描述一种具有旋转结构的竖向风电设备，该旋转结构包括一列可旋转的竖向叶片，对这些叶片的位置进行控制，使得只要风速足够，旋转结构便达到恒速。微处理器控制系统处理关于风速、风向及旋转结构转速的信息并且生成用于设定叶片位置的电子信号。该设备的控制系统包括电子叶片致动器，借助该电子叶片制动器来调制旋转结构的叶片。叶片调制控制用来确定转子的转速的攻角。风速表输出设备开机及停机的数据，而风向表则用于使叶片的折翼保持与风向成90°和270°。该控制系统被设置成在风速介于19至40英里/小时时保持恒定的转速。

公开案us4,494,007a揭示一种竖向风电设备，其中由一个风向标通过共同机构在其绕中心轴环绕期间控制绕共同中心轴旋转的叶片的定向，以便当风速改变时，在补偿方向上改变叶片的旋转位置。

公开案us4,609,827a描述一种具有翼型叶片的竖向风电设备。通过布置于转子外的机构来控制正极且同步的叶片定向系统。两个新型装置改进空气动力效率并且增大旋转力。

在公开案us6,379,115b1中公开的风电设备包括三点转动的旋转轴以及多个装于轴上的旋转支撑臂，这些支撑臂之间旋转式支承有用于接收风力的叶片。风力计测量风向及风速。叶片上的伺服电动机依据所测的风力数据来控制叶片的位置。该案提出了不同的相关控制方法。

公开案us2008175709a1描述一种从气流或水流高效产能的涡轮机。该涡轮机具有带多个叶片的中心轴，这些叶片可绕轴以叶轮的方式绕转。每个叶片具有与叶片纵向及中心轴平行的叶片轴并且可绕叶片轴旋转。在涡轮机工作期间，每个叶片与流向成一定攻角，当叶片绕中心轴旋转时，对攻角进行动态控制，以使叶片绕轴的转矩最大化。

最后，公开案wo2009086648a2说明一种具有至少一个可绕竖轴旋转的转子的风电设备，转子包括在两个上下间隔平置的轴承面之间分布于圆周上布置的各自可绕垂直枢轴枢转的多个转子叶片，这些转子叶片的转动范围在两侧借由止动装置来限定，其中转子叶片的宽度小于圆周半径的大约1/3。特别是，在此情形下能够将转子叶片上下布置于多个平面内。

已知的竖向风电设备是针对地表风来设计的，因此具有相对较低的总高度。但如果针对与水平风电设备的高度相当的高度来设计这种设备，则必须将风速和(视情况甚至)风向的高度相关性考虑在内，才能以最高效率来产能。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种竖向风电设备，其能够在更高的总高度上工作，且在结构简单且性能可靠的同时实现高效。

本发明的另一目的是提供一种操作这种设备的方法。

本发明用以达成上述这两个目的的解决方案为权利要求1和18的特征。

本发明的竖向风电设备包括两个或多个沿竖向机器轴上下布置的单元，其中所述单元中的每个均包括多个竖向叶片，所述多个叶片在所述单元内布置在环绕所述机器轴分布的同心圆上并且以可以在这个圆上共同运动且抗扭的方式与主轴连接，且其中所述叶片在所述单元中以能够各自围绕特别是贯穿其内部的竖向旋转轴旋转的方式支承。所述竖向风电设备的特征在于，所述叶片中的每个均配设有构件，借用所述构件能够使得所述叶片在绕所述机器轴环绕期间以与其他叶片无关的方式绕其旋转轴占据预定且可随时变化的旋转位置。

本发明的竖向风电设备的一种实施方案的特征在于，每个单元均包括与所述机器轴同心布置的第一及第二环，所述环在上方及下方界定所述单元，且所述单元的所述叶片以可旋转360°的方式布置于所述环之间。

特别地，单元的叶片在其端部以可旋转360°的方式支承于所述第一及第二环上。

特别地，相邻的单元各自共同具有一个环。

特别地，用于改变所述叶片的旋转位置的所述构件也布置在所述环上。

具体地，用于改变所述叶片的旋转位置的所述构件包括电动或液压驱动的电动机。

在此情形下，所述电动或液压驱动的电动机的旋转运动能够在电动发动机中通过齿轮或者在液压驱动电动机中直接传递至相关的叶片。

具体地，所述电动或液压驱动的电动机以电动机轴平躺式布置于环平面内，以及，在电动驱动中，所述旋转运动在所述齿轮之间借助于齿带传递。在液压式变型方案中，所述液压电动机直接(即无传动机构地)与叶片旋转轴连接。

所述电动或液压驱动的电动机也可以以电动机轴垂直于环平面的方式布置，以及，为在电动驱动中传递所述旋转运动而中间连接有锥齿轮传动装置。

本发明的竖向风电设备的另一实施方案的特征在于，所述单元的最下方单元与地面具有预定的距离，以及，所述主轴支承在所述最下方单元与靠近地面布置的机器室之间并以可旋转的方式支承在其端部上。

具体地，所述主轴由多个在轴向上相继布置的区段组装而成，以及所述区段通过凸缘相连。

特别地，所述主轴包括柱形下区段、中区段及柱形上区段，所述柱形上区段的外径大于所述柱形下区段的外径。

优选地，产生电能的发电机的转子以抗扭的方式安装于所述柱形下区段上。

具体地，为以可旋转的方式支承所述主轴，在所述主轴的下端设有轴颈，在上端设有支撑辊道。所述轴颈配设有推力轴承，其承受所述转子的下部垂直重力，且所述轴颈配设有径向轴承，其容置所述主轴的水平的下反作用风力。

最后，所述主轴的构造成支撑辊轴承且容置所述主轴的竖向上反作用风力的上轴承，借由斜向下渐宽的支撑架而支撑于布置在所述机器轴之外的底座上，其中所述主轴的下部轴向及径向轴向轴承放置于所述发电机壳体中，所述发电机壳体在悬挂式布置于所述支撑架中的机器室内固定于上斜撑杆上。

根据本发明的又一实施方案，在所述单元中的每个上，在上部和下部各布置有一个用于测量风向和风速的测风装置，其优选包括超声波风速计。据此，能够以高精度测定每个叶片上的局部风力作用。

此外，在所述单元的每个上，在叶片轴承的上部和/或下部设有针对径向及切向力方向的测力装置，以便确定作用于叶片的力且将其考虑在内。

本发明的操作根据本发明所述的竖向风电设备的方法的特征在于，彼此独立地依据风速、风向、所述风电设备的转速及叶片在其绕机器轴环绕的位置的测量值主动控制所述风电设备的各叶片绕其旋转轴的旋转位置。

本发明的方法的一种实施方案的特征在于，针对描述叶片从与围绕所述机器轴的环绕圆周相切的初始位置产生偏转的叶片角度，提供虚拟凸轮，其各自通过所述叶片在所述环绕圆周上的位置来确定所述叶片角度的曲线，以及，依据所述虚拟凸轮实现对各叶片的主动控制。

特别地，为选择用于主动控制所述叶片的虚拟凸轮，连续测定所述风电设备的叶尖速比λ，其中所述叶尖速比λ给出所述叶片的周向速度与风速之比，且依据所测定的叶尖速比λ，对用于主动控制所示叶片的虚拟凸轮进行选择或者在不同的虚拟凸轮间进行切换。

具体地，所述虚拟凸轮针对的是所述风电设备的零位，以及所述零位与所述风向相关。

特别地，针对所述单元中的每个，均测定自有的且与地面上的高度相关的风速，以及依据针对所述单元所测定的风速，主动控制所述单元的各叶片绕其旋转轴的旋转位置。

附图说明

下面参照实施例结合附图对本发明进行详细说明。其中：

图1为本发明的竖向风电设备的实施例的简化侧视图，该竖向风电设备具有两个单元且主轴的下轴承结构位于悬挂式安装的机器室中；

图2-4为用于支承根据图2的设备中的叶片的三个环的俯视图(a)及侧视图(b)；

图5为根据图1的设备的主轴的侧视图；

图6为根据图1的设备的叶片与上轴承及下轴承的侧视图；

图7为承载叶片的下环上的两种不同类型的用于调节叶片的电动机安装的局部透视图；

图8为用于调节叶片的安装电动机的水平下环的另一视图，其受盖板保护；

图9为所述设备在叶尖速比为0.4时算出的经过360°旋转的最优叶片位置的图表(a)及轴向俯视图(b)；

图10为缓和的叶片控制曲线，其将传动机构的技术限制考虑在内；

图11为根据本发明的实施例对叶片位置的机电控制的框图；以及

图12为根据本发明的另一实施例对叶片位置的电液控制的框图。

具体实施方式

在图1中以简化的侧视图示出根据本发明所述的竖向风电设备的实施例。

图1的风电设备10包括两个单元z1和z2，这两个单元沿垂直的机器轴ma上下布置。单元z1和z2中的每个均具有两个与机器轴ma同心定位的水平环11、16或16、19，竖向叶片13的多个(在示例3中)以能够各自围绕自有旋转轴12旋转的方式支承于两环之间。中环16等分于两个单元z1和z2中。

环11、16和19的构造参阅图2、图3和图4。环11、16和19中的每个均构造成等边三角形或正多边形，叶片13借助于相应的支承座而支承于环角中(还参阅图7)。周围由杆件33构成，这些杆件经由径向延伸的杆件31及管件32与位于中央的竖向管件35连接。在环的下侧，扁铁片34用于斜撑牵引。围绕中央管件35布置有径向肋片37，其同样支撑构造于管件35的端部的凸缘36。

单元z1、z2连同其叶片13通过中央管件15和18与以可旋转的方式支承于单元下方的垂直主轴20以抗扭的方式连接，使得其能够随主轴20共同围绕机器轴ma旋转。主轴20在上端借助支撑辊而以可旋转的方式支承于支架23中，其通过斜向下叉开的管件24的框架支承于在外部平躺的底座29上。在图1的实施例中，下部的竖向及径向轴承放置于发电机壳体中，其固定于悬挂式布置于框架24上的机器室26中。通过这种方式，在外部平躺的底座中采用多个重块，由此提高总体结构的平稳力矩。高度h1能够例如为75m或更高(例如，超过200m)。叶片13以其旋转轴12运动的圆周直径d1例如为20m。单元z1、z2中的每个均因高度不同而遇自己的风速vw¹和vw²。

例如图5，主轴20由直径较小的柱形下区段45、向上呈锥状渐宽的中区段43及直径较大的柱形上区段41组成。区段41、43和45经由凸缘42和44紧固相连。在柱形上区段41的上端装有支撑辊道40，在柱形下区段45的下端装有下轴颈46。这些区段具有长度h1、h2和h3，例如为4m、11m和0.5m。

如图1中所示，柱形下区段45承载发电机的转子22以及制动器21，二者均放置于机器室26中。单元z1和z2与主轴共同构成风电设备的绕机器轴ma旋转的转子。

在图2(a)中示例性地图示出每个叶片13所属的致动器38的位置。在此情况下，致动器39布置成以平行于环19的杆件33的方式紧邻相应叶片的支承座38平放。在图7的局部放大图中更加清楚地看到，所示两个致动器中的一个致动器39a采用与杆件33平行的位置。相关的叶片13在支承座39上方的叶片旋转轴上配设有第一齿轮49。在电动式伺服电动机的情况下，致动器39a通过锥齿轮传动装置52作用于第二齿轮50，其与第一齿轮49位于同一高度且与其通过(图中未示的)齿带以传动方式连接。若要避免使用锥齿轮传动装置，也可以在竖向上安装致动器(39b)，固然会产生更大的流体阻力。如图8，平躺式布置的致动器39a能够以简单的方式配设有盖板51，以使其不受气候影响。

致动器39或39a、b通过相应的馈电线路从中央供电单元供能且通过对应于预定值的控制信号启动控制系统。倘若代替电动而采用液压致动器(电动机)，则经由相应的液压管路从中央液压单元获得供电。

关于主动叶片控制概念的概述参阅图11的框图。

单元z1和z2的叶片13或f1至f6主动地借助于致动器39a(通过锥齿轮传动装置52)或39b(直接地)绕其纵轴旋转。每一任意叶片角度(叶片在转子圆周的切线与弦线的夹角)能够针对每个叶片在圆周上的每个位置来单独调整。

主动叶片控制的目的是，两个单元中的全部(在示例12中)叶片13或f1至f6行至随转子位置而改变的叶片角度。根据风速及转子的转速，针对转子位置行至另一叶片角度曲线。为此，产生不同的虚拟凸轮并且将其保存在存储器中。于是，叶片角度遵循所选虚拟凸轮的边缘曲线。在此情形下，转子位置的零点与风向相关。由风速接收器67及风向接收器68测量风向及风速。

在如图1的本发明的设备中，风测十分重要。图1中所示类型的竖向风力涡轮机10具有在转子的整体有效高度上均匀配置的叶片13，这些叶片在每个转子的旋转期间均能够单独得到最优控制。叶片13相对于风入流的攻角应在转子旋转的每个时间点均能得到控制。叶片在转子旋转的过程中拟在具有转子半径的环形轨道上围绕转子的中心或机器轴ma“飞转”，且在径向上产生升力并在切向上产生推进力。应随时能够优化推进力，使得涡轮机10获得最大的推动力。

出于叶片的静态及动态负荷的原因，转子根据风力涡轮机的尺寸在有效高度上分成一到四个单元(例如图1的两个单元z1和z2)。单元z1、z2各自包含三个叶片13，这些叶片在下部和上部各自以可旋转的方式支承于径向臂部的端部且如此与转子的中心紧固连接。三个臂部各自在每个单元的上部和下部均构成假想环。

由于全部转子单元均与转子紧固连接，它们也始终如同转子一样快速旋转。然而，风向及风速可能在转子的有效高度上变化极大，特别是在大型(高)涡轮机的情况下。为确保对推进力的最优控制，须在转子旋转的每个时间点精确掌握每个叶片相对于风入流的速度和方向。通过静态测风，在竖向上且与转子间隔，能够针对高度测量风速及风向(测风杆)。由于测风杆固定且与涡轮机保持一定距离，其可能在不利风向时处于涡轮机的背风面且还因距离而提供并非对应于叶片实际情况的不准确测量结果。

因此，本发明提出将每个环的每一测风装置w1至w3(图1)均在外侧固定于每一环臂部上。此时，测风装置w1至w3在转子旋转的每个时间点均测定精确的相对风入流方向及相对于臂部的速度，因而也测定相对于叶片的速度。优选地，测风装置不像风向标及风轮那样包含机械式动态测量组件，而会借助于超声波来测量风向及风速(超声波风速计)，因为机械式测量组件可能因转子的离心加速度而显示错误结果。测风装置w1至w3与臂端部需具有足够的距离，才不会受臂端部的空气涡流区域的影响。

已知风向及风速在转子的有效高度上可能变化极大(风切变及湍流)。假如无法因时因地足够精确地测出这类现象以便最优地控制叶片13，涡轮机空气动力效率会显著降低。如果在每个单元z1、z2中，在上部及下部于圆周上进行动态即时的测量，则也能将每个叶片均始终控制到最优的相对攻角。为确定叶片中间高度上的风情，对叶片上部及下部的各自风测的取均值，以便由此产生叶片控制信号。由相对入流的测量，通过各时间的转子圆周速度也可以采用三角法计算出绝对风速及风向。根据这些测量，能够非常即时地确定涡轮机的最优叶尖速比及最优匹配的叶片攻角。

借用测量装置也能确定瞬间遽升的局部湍流，这可能导致叶片及涡轮机超负荷。由此，也可能进行可行的叶片去负荷调节或者完全使叶片断电(释放)。借用测风装置w1至w3对每个环的每一臂部的测量均使得单元与其叶片彼此无关地单独得到控制。

此外还提出，在每个单元z1、z2处，在下环或上环上，在每一臂部上于叶片轴承旁安装针对径向及切向的力方向的测力装置k1至k3。通过切向力测量，能够连同测风装置w1至w3一起优化叶片的推进力，因而优化涡轮机的效率。这两种测量装置w1至w3及k1至k3的信号会借助于自学习控制程序而持续地主动提高涡轮机的效率。

径向测力信号应结合切向测力信号持续监测叶片的负荷曲线。通过这种测量，能够确定叶片应力的积聚及强度，与此同时也确定叶片的剩余寿命。

作为前述用来确定叶片应力的测力的替代或补充，也能够在叶片中间的表面上安装应变计(例如用于叶片13，图1中的dm)，其连同测量系统一起测量叶片13中的弯曲应力的积聚及强度。于是，由这些测量能够确定叶片13的剩余寿命。所述方法可能因必须将旋转中的叶片的测量信号传递至环臂部而复杂化。然而，应变计装置只不过仅用于测量叶片应力，而并不用于优化叶片推进力。

主动叶片控制的基本概念参阅图11中的框图。以短划线框出(图11中的转子块53)的组件在配电盘中安装于转子上。通过与相应的wi-fi发射器57和66的wi-fi连接，塔状结构上的控制系统与数据采集系统进行通信。通过滑环62，进行三相电源71(3x400vac，1x零线及1x接地线)的供电。位于转子上的功能块通过24伏直流电源56来供电。24伏直流模拟电源65也设置于转子之外。

虚拟凸轮(随转子位置的不同叶片角度曲线)保存于转子(运动控制器58)上。而在工作中能够通过wi-fi连接对其进行更改。在塔状结构(不旋转)上，通过与计算机70协作的存储器可编程的控制系统(sps)64的i/o来处理风速、风向及转子的转速。通过到运动控制器58的wi-fi连接，将须采取哪个虚拟凸轮传递至转子。在转子以及塔状结构上，可具有i/o。

在最简单的情况下，6个致动器39a或39b遵循同一凸轮，但具有120°的角位移(例如，在每单元三个叶片的情况下)。转子位置的零值与风向相关。在较高设备和/或两个以上单元中，单元的风速明显不同，针对单元中的每个，均根据相关的风速选择自己的虚拟凸轮。此外，针对所述单元z1、z2中的每个，均测定自身与地面上的高度相关的风速(vw)，且依据针对该单元所确定的风速(vw)主动控制单元的各叶片13、f1-f6的旋转位置。因为风速与地面上的高度的相关性遵循标准曲线，在某一高度测量风速便足以由此确定针对其他高度的值。因此，所有单元具有相同的绕机器轴ma的转速，但因高度不同而具有不同的风速。相应得出不同的叶尖速比，再关于整个设备对其取均值而确保最大产能。

具有运动控制器58的配电盘位于转子上。也应在转子上测出转子位置。为此，能够采用相应的旋转编码器。而在图11的示例中，替换为零位54的传感器。在塔状结构上确定转子的转速。由此产生的步进脉冲通过sps64来读取且通过到运动控制器58的wi-fi连接而传递到转子上。

主动叶片控制包含多个直接来自测量系统的输入信号，该测量系统包括风速接收器67、风向接收器68及可选的转子转矩接收器69。此外，还输入转速的脉冲63。根据这些输入信号，叶片控制系统64确定须如何控制各个叶片(使用哪个凸轮，何处为转子位置的零点)。出自运动控制器58的控制信号通过功率模块59传至输出模块60并自此通过配电盒55传至各个致动器39a或39b。

周期性地重新选择叶片角度曲线(不同的凸轮)。风向确定转子位置的零位。由调控所需的输入信号各自算出一定时间内的中位数。对控制参数取均值的刷新时间以及时间窗应可自由选取。专用的控制系统61能够发出用于关闭设备或降低转速的命令。

可以定义不同叶片角度曲线(虚拟凸轮)的最大数目，其通过运动控制器58来限定且可以例如为99个。使用哪个叶片角度曲线与涡轮机的工作状态及叶尖速比λ相关。通过已知的方式由风速vw及转子转速(或转子圆周速度)算出叶尖速比。

借助于针对不同叶尖速比的分析模型，计算叶片13在理论上的最优叶片角度曲线。在图9中，结合每隔30°的叶片的物理位置的线图(b)示出叶尖速比为0.4的示例(a)；

应指出，在实际中无法达到图9中的最大加速度。因此，使最优叶片角度曲线缓和且将所产生的特性曲线与可用驱动电动机的典型属性相比较。图10示出两种不同缓和曲线的示例。

叶片对应于虚拟的导向轴来定位。借由零脉冲(零位54)及转速来确定导向轴。sps64以预定的频率保存当前的风速、转子转速及风向。周期性地计算风速及转子转速的中位数。由此，算出前一时间窗内的平均叶尖速比λ且选出凸轮。同样，周期性地计算风向的中位数。由此，确定凸轮的零位。

倘若涡轮机的叶尖速比<0.4，则使用恒定叶片角度曲线，以便提高转速。一旦叶尖速比>0.4，则涡轮机正在工作中。

在关机时，发电机的风力涡轮机受到制动，使转速降至0。叶片控制系统从设备的控制系统61接收达到关机工作状态且叶片驱动装置39a或39b断电或在液压驱动装置时液压电动机断开的信号。

转子转速为0且关闭风力涡轮机的制动器。叶片控制系统未断电，因而其也不会错失转子位置。电动机断电或者液压电动机断油压。与此同时，叶片13对准风。

借用制动器21尽可能快速地制动风力涡轮机。叶片13在紧急停机的操作时在物理上断电或断油压。

在图12中描绘出类似于图11的对单元中叶片的电液控制的框图。为操作各个叶片所设置的液压致动器ha11至ha1n和ha21至ha23配设有必要的阀和断开装置，这些液压制动器通过单元中敷设的液压管路从一个(或多个)中央(布置于转子的中央)液压机组73供有油压。该液压机组73从连接至能量传递装置(滑环62)的各个电源72获得其工作电流。

液压致动器ha11至ha1n和ha21至ha23可以构造得非常紧凑且能输出很高的调节力。另外，通过打开相应的阀就能很容易地实现必要的叶片空转。

附图标记列表

10风电设备(竖向)

11上环

12旋转轴

13叶片

14，17杆件

15，18管件

16中环

19下环

20主轴

21制动器

22转子(发电机)

23支架

24管件

25杆件

26机器室

29底座

31，33杆件

32管件

34扁平片

35管件

36凸缘

37肋片

38支承座

39致动器(叶片)

39a，b伺服电动机

40支撑辊道

41上区段(柱形)

42，44凸缘

43中区段(锥形)

45下区段(柱形)

46下轴颈

47，48轴承(例如，自动调心辊轴承或自动调心球轴承)

49，50齿轮

51盖板

52锥齿轮传动装置

53转子块

54零位

55配电盒

5624伏直流电源

57wi-fi发射器

58运动控制器

59功率模块

60输出模块

61控制系统

62滑环

63转速的脉冲

64sps

6524伏直流电源

66wifi发射器

67风速接收器

68风向接收器

69转子转矩接收器

70计算机

71，72三相电源

73液压机组

d1直径

dm应变计

fp翼型

f1-f6叶片

ha11-ha1n液压致动器(整合有阀及断开装置)

ha21-ha23液压致动器(整合有阀及断开装置)

h1总高度

h1-h3高度

k1-k3测力装置

ma机器轴

w1-w3测风装置

z1，z2单元