能平移运动的风力机组的制作方法

本发明涉及一种风力发电机，其包括能围绕水平的或近似水平的轴线转动地支承的用于将风的流动能量转化为旋转能量的风轮，该风轮带有一个或多个叶片或其他的导风面，该风力发电机还包括至少一个联接在风轮的轮毂或轴上的发电机，其用于将旋转能量转化为电能。

背景技术：

为了对迄今的能源载体进行补充和减负，在所谓的能源转型方面也强化了对可再生能源的利用，尤其是风能。

然而，在很多地区风吹得非常不规则，并且即使在多风的时期也常常要克服无风或息风的阶段。此外在弱风时期经常会无法使风力机组的庞大的转子开动，从而风力机组一般只有在较高的风速下才能提供能量。

技术实现要素：

由所描述的现有技术的缺点引起了推动本发明的问题，即，以如下方式构造一种风力发电机，即，使流入的相对风速是尽可能大的或者其可以使得流入的相对风速尽可能大。

该问题的解决方案通过以下方式实现，即，风轮连同轮毂和转子轴以及联接在转子轴上的能转动运动的并且能围绕同一转动轴线旋转的零件的重心能平移或近似平移地运动。被视为平移运动的尤其是被这种支承或引导所允许的运动，其中，相关的零件至少能局部沿水平或近似水平的方向运动，尤其是沿风轮的转动轴的方向运动。换而言之，平移运动的轨迹可以沿着曲线延伸并且并不一定是直线延展的。由于这样的运动自由度，一方面存在能够直接回避强风并且由此能减低相对流动速度的可能性。而在另一方面，则可以——例如在这种大风消退之后——通过风轮的复位运动再次提高相对流动速度并且由此提升能量产出。在此利用了如下可能性，即，风轮能够被平移地驱动，以便虚拟地提高风的流入速度。在为此利用尽可能适宜地提供的驱动能量时，由此甚至可以在微小的或者没有风流动时产生电能。在此，作为初始能量考虑了其他的流动能量，例如河流中的水流动(水力)或者海边的水流动(潮汐力)或者竖直的空气流动(对流能)，在必要时通过电能或其他的化石能源载体例如出于启动的目的进行辅助。然而如以下将说明的那样，还能想到针对根据本发明的平移运动使用风能作为初始能量。

证明适宜的是，风力发电机的平移运动以平行于基座的面引导的方式进行，尤其是以平行于优选水平的平面引导的方式进行。因为风几乎总是主要水平地吹，所以可以保证主要的风方向和平移运动处在同一平面内，例如大约处在水平平面内。

此外，风轮或风轮零件的风阻可以是能调节的，尤其是以能改变一个或多个叶片或其他的导风面的迎角的方式，或者以风轮能相对于流入方向枢转的方式，或者以优选流线型的外罩能枢转到风轮前的方式。由此，可以控制风能到旋转能量的转化。在此，示例性地列举的用于对风阻施加影响的措施不同地影响转化率：

如果叶片或其他的导风面调整得与风向更呈横向，那么风阻以及由风能到旋转能量的转化率提高；如果叶片或导风面调整得与风向更加平行，那么风阻以及由风能到旋转能量的转化率降低。

如果风轮的转动轴线相对风向尽可能陡地安置——在理想情况下与之反平行——，那么风阻以及由风能到旋转能量的转化率提高；如果风轮由风转动，即风向与风轮的转动轴线之间的中间角提高，那么风阻以及同时由风能到旋转能量的转化率降低。

最后，如果流线型的外罩枢转到风轮前，那么一方面提高风阻，而另一方面能量产出降低，即由风能到旋转能量的转化率降低。

如能看出的那样，视措施而定地，风阻与能量产出之间的改变关系可以是顺应的，也就是说，在风阻提升时能量产出也提升；但是也可以是悖逆的，也就是说，在风阻提升时能量产出降低。

本发明例如可以以如下方式实现，即，风力发电机尤其是借助底侧的轮移动式地构造。因此存在如下可能性，即，风轮能按需运动并且因此产生相对于周边空气的速度，这使得转子可以(启动)运转并且产生电流。

证明适宜的是，风力发电机布置在车辆的厢体上。车辆在此可以是优选机动的公路车辆或轨道车辆。

本发明可以按如下方式改进，即，车辆可以在轨道上行进。在此情况下，沿轨道方向的平移运动是可行的，而与之横向的其他运动是不可行的。

此外，与本发明的教导相应的是，轨道以圆形铺设。由此，在其上引导的车辆或行进机构可以沿两个方向无限长地行进。

在本发明的范畴中，轨道布置在塔架或者其他的高耸的建筑上。由此，风轮相对于周围地形处在较高的水平上，在那里自然存在较高的风速，从而能实现能量产出的提升。

风力发电机和/或其风轮在转动运动方面不应该与其中一个底侧的轮关联。换而言之，风轮的旋转能量不应该或者没有直接地传递到底侧的轮上，这是因为在此情况下将会降低布置的效率。

本发明可以按如下方式改进，即，吊舱能够偏心地围绕竖直的枢转轴线转动或枢转地支承。在这种在地面上方引导的吊舱的情况下，沿着圆的圆周铺设的轨道通过围绕竖直的枢转轴线的中央支承部替代。

本发明推荐的是，吊舱能够偏心地围绕竖直的枢转轴线以圆形枢转地支承，其中，风轮的转动轴线大致与由吊舱划出的圆形相切地定向。在此情况下存在流入的风能和由其转化得出的旋转能量之间的最大的关联。

优选的是，车辆或行进机构或吊舱设有或联接有用于其平移驱动的装置，尤其是设有马达。至马达的或来自马达的能主动影响的功率流提供了如下可能性，即，相应于特定要求地控制或甚至调节平移运动。

驱动装置可以构造为内燃机或者电动机，或者构造为能围绕竖直轴线转动地支承的螺旋桨，其由优选向上指向的对流流驱动。马达的类型视所使用的初始能量的类型而定。马达的联接可以以不同的方式实现，以便使风能机组处于平移运动。一方面，可以由其直接驱动车辆或行进机构的底侧的轮，由此间接地导出其平移运动。或者马达与车辆或行进机构的底盘连接或联接，以便对其继续引导。在此，一方面想到的是弓形件或悬臂，其将布置在中央的马达与能沿着环绕的外围行进的车辆或行进机构连接；另一方面，马达与车辆或行进机构之间的联接还可以通过牵引器件实现，例如通过沿着车辆或行进机构的路线延伸的绳索实现。

另外的优点以如下方式得出，即，用于驱动行进机构或车辆或吊舱的装置(尤其是马达)的重心的投影处在由车辆或行进机构或吊舱在车辆或行进机构或吊舱运动时划出的圆的内部，优选处在其中心点上或中心点附近。在此，马达可以布置在车辆或行进机构的厢体上；然而优选地，在这种布置的情况下马达静态地布置，也就是说不随车辆一起运动，而是仅与之联接。由于其居中的位置，马达不必跟随车辆或行进机构或吊舱，而是通过牵引器件、推进器件或枢转器件与车辆或行进机构或吊舱联接。

优选的布置的特征在于，用于驱动车辆的装置(尤其是马达)的重心在引导车辆的基座上的投影处在由底侧的轮在基座上的竖立区域撑开的四边形之外，这例如可以通过以下方式实现，即，驱动器件不处在车辆的厢体上，而是处在外部地点。

另一方面，风轮或风力发电机的重心在引导车辆的基座上的投影处在由底侧的轮在基座上的竖立区域撑开的四边形以内。换而言之，风轮支承在车辆或行进机构的厢体上，其中，出于最大的稳定性的原因力求的是对称的重量分配，其中，风轮或整个风力发电机尽可能居中地处在车辆或行进机构上。

根据本发明的风轮不应该布置在风道中或由导风板围绕以便能够在风轮的每个定向中始终捕获流入的空气的最大值。此外，风道或类似装置在风斜着流入的情况下可能提供增加的风侵袭面，这带来了不稳定的风险。

风轮的直径应当大于车辆或行进机构的最大宽度，尤其是大于在车辆或行进机构的不同侧上的车辆或行进机构的两个底侧的轮之间的侧向间距。由此可以捕获风能的最大值并且转化为旋转能量。

在引导装置上——也就是在轨道上或在竖直的枢转轴线上——可以同时引导多个行进机构或吊舱。据此，机组的效率可以进一步提升，这是因为能量产出通常大致与风轮或风力发电机的数量成比例。

本发明进一步设置的是，在同一引导装置上引导的多个行进机构或吊舱彼此连接或联接，以便实施同步运动。这种连接一方面带来运动的同步性，即仅是相位偏移，而另一方面提供了如下的可能性，即，能够在不同的行进机构或吊舱之间传递力，尤其是用于根据本发明的平移运动的驱动力。

多个行进机构或吊舱上的风轮的被风流入的那些侧可以沿与连接器件的相同的运动方向相应的局部方向指向。换而言之，它们例如相应地处在沿运动方向看的前侧。在圆形引导的情况下——也就是以圆形铺设轨道或以居中的枢转轴线的情况下，相关的风轮例如分别沿顺时针方向靠前地布置，或者备选于此地分别沿顺时针方向靠后地布置。在息风时的共同环绕的情况下，所有风轮经受大致相同的流入；而在风流动时，在两个风轮中始终有一个被风驱动，而另一个则同时被制动。

另一方面也存在一种布置，其中，多个行进机构或吊舱上的风轮的被风流入的那些侧沿与连接器件的相反的运动方向相应的局部方向指向。于是存在如下环绕位置，在其中，两个风轮朝向风的流入的空气，也就是说由其带入旋转中。

本发明可以按如下方式改进，即，风轮的叶片能围绕其纵轴线调节，以便能够匹配于流入的空气的不同的相对速度。在风轮沿着弯曲的曲线平移运动并且因此空气的相对流入速度发生改变时，这种功能尤其是在风中是有利的。

在风轮的叶片能连续地调节时，也就是以任意的不受限制的迎角调节时，则也可以实现与相对转动方向相对于流入的空气的反转的匹配。

当多个风轮在运动上彼此联接，并且为了力传递而相互连接时，那么可以实施如下的调节，即，该调节使多个(优选两个)相互连接的风轮始终朝着风取向，其方式为，沿相应的流入方向靠前的风轮的叶片的迎角相应按如下方式调节，即，使得该风轮的风阻提高，也就是说被流入的风向回推。因为针对翼片的迎角的调节仅需要最小的能量，所以可以以这种途径改进机组的效率；用于给风轮取向的实际的能量由风本身提供。

根据本发明的风能机组优选包括用于将获得的电能作为电流馈送至电网、尤其是馈送至交流电网或三相电网的装置。为了传递较大的功率，在此不可避免的是通过电缆，在交流电馈送的情况下至少通过双芯电缆，或者在三相电馈送的情况下通过至少一条三芯电缆将根据本发明的风能机组与电网连接。在环绕的布置中可能必要的是，通过汇流环将电流从风力发电机运输至地点固定的联接电缆。

在中欧地区，公共的三相电网和交流电网作为电网的一部分以50Hz的频率运行，在其他国家如北美则以60Hz运行。因而在每种情况下都需要用于将待馈送的电流与交流电网或三相电网中的电压的频率同步的装置。通常为此，在风力发电机中产生的电流由逆变器或转换器转换到相关的频率，并且然后相对电网的电压移送至电网中。通常为此，扫描电网电压并由此计算出电流的期望的相位，并且然后还计算出电流的振幅，然后相应地控制逆变器或转换器，这通过电流阀的适当的定时进行。

根据本发明还可以设置的是，在风轮与配属于风轮的发电机之间布置有自由轮，从而在逆向强风的情况下虽然存在风轮的制动，但是发电机可以凭借自由轮几乎不受制动地继续旋转。在此情况下，旋转的发电机没有由于逆向强风而抽走能量，由此进一步优化了效率。

此外，在风轮处(优选在其上游或下游)可以设置有用于使逆向强风或其余的对于风轮的正常转动方向不利的空气流动发生转向的装置。例如，环绕的风轮在其返回期间可以被风从后方流入，而不是像平常那样从前方流入。这种相反的流入方向会使风轮制动，并且因此应当在风轮的返回期间避免这种不常见的风流入。这可以通过使该流动转向来进行。

最后，与本发明的教导相应的是，用于使逆向强风或其余的对于风轮的正常转动方向不利的空气流动发生转向的装置构造为层片状的帷幕，其层片在空气的正常流入方向的情况下打开，在空气的相反的流入方向的情况下则关闭。

在此可以想到的是多个彼此平行的层片，其分别带有水平的纵轴线。它们分别以能围绕其纵棱边枢转的方式支承，尤其是以围绕相应的上纵棱边的方式，例如以侧向支承的方式支承。在通常的流动状况下，层片被风控制在大致水平的位置，从而层片之间的中间空间是自由的并且风可以近似不受阻碍地流至风轮，以便沿通常的转动方向驱动风轮。而在“不常见的”流动状况下，层片则下落到大致竖直的平面中，但是由于在那里的止挡元件而不能够进一步枢转，而是保持在该平面中并且因此共同地封闭整个流入区域，也就是使风轮避免了不利的风。风轮因此没有被制动。此外，风的现在负载在层片上的背压可以用作平移驱动，直到相关的风轮如此地平移加速式地再次到达带有通常的风状况的区域，并且然后由此可以获取旋转能量，其最后被转化为电能。

附图说明

基于本发明的其他特征、细节、优点和作用由对本发明的优选实施方式的以下说明以及结合附图得出。其中：

图1示出带有能在轨道上移行的风轮和风力发电机的风力机组；

图2示出带有两个能在轨道上移行的风轮连同各一个风力发电机的另一风力机组，其中，实现了相对风的方位取向的自动调节；

图3示出带有两个能在轨道上移行的风轮连同各一个风力发电机的又一变型的风力机组，其中，风轮设有可变的流动障碍件，以便避免相关的风轮的不利的流动状况。

具体实施方式

根据本发明的根据图1的移动风力机组1包括带有用于风轮4的支架3的行进机构2以及例如通过传动机构联接在其上的发电机5。

轮6以能在轨道7上移行的轮缘支承在行进机构2上。由此，风力机组1可以沿着轨道7移行。

例如通过与行进机构联接的马达或者经由与居中地布置在轨道圈内的马达8联接的悬臂9可以设置用于行进机构2的驱动器。

此外存在以下可能性，即，替代马达8地还设置有另一种驱动器，例如带有竖直轴线的对流轮，从而可以使上升的经加热的空气用作驱动能量，以便尤其是在空气流很小或者没有空气流的情况下提高流入速度。

本发明的优点在于，风轮4连同行进机构2在风过强的情况下可以沿着轨道7撤回，从而虚拟地降低流入速度。在风速减小时，行进机构2连同风轮4则又可以向前行进，由此虚拟地提升流入速度。因此可以在整体上实现相对恒定的虚拟流入速度。

在附图中，风轮4与行进机构2偏心地布置，也就是说不在其重心上。然而，这在另一种布置的范畴中可以相应地修改，尤其是按以下方式修改，即，由行进机构2、支架3、风轮4和发电机5组成的整体设施的重心大致处在由四个轮6撑开的面的中心，从而最小化了倾覆的风险。

还可以按如下方式抵抗行进机构2连同其结构的倾覆，即，轨道7不仅具有上滚道，而且具有由适当地引导的轮6从下方作用的下滚道。

在图2中能看到根据图1的布置的改进方案。在此，相应地设置有两个行进机构2a、2b，它们承载各一个风轮4a、4b以及各一个发电机5a、5b。该布置相对于正好在两个行进机构2a、2b之间延伸穿过的对称轴线10镜像对称。

于是在风向平行于对称轴线10时，得到风的最佳的流入。于是流动状况也以良好近似的方式彼此对称，并且因此，作用到两个风轮4a、4b上的力也以良好近似的方式彼此对称。因此这些力保持平衡。

因为两个行进机构2a、2b通过悬臂9a、9b彼此刚性地连接，所以它们始终沿着轨道圈7占据在直径上关于其中心点彼此对置的位置，中央的马达8处在该中心点处。

由行进机构2a、2b和悬臂9a、9b组成的整体设施是本身刚性的并且因此可以总是围绕中央轴线往复振荡，其中，两个行进机构2a、2b沿着轨道7行进。这种特性可以用于两个风轮4a、4b在考虑到流入的风流动或空气流动的情况下的自动取向。

这此外可以通过以下方式完成，即，将处在相对风相应靠前的行进机构2a、2b上的风轮4a、4b的叶片的迎角调整得更平，也就是说调整到横向于当前的风向的平面中。由此扩大了风轮4a、4b的暴露在风中的面积，并且产生了转矩，其将相关的风轮4a、4b再次向后压，而其中另一风轮4b、4a沿着圆形轨7再次向前行进。为之所需的力或驱动能量由风提供。

在其他方面，将风轮4a、4b增加一倍或多倍自然导致功率转换的相应提升。

在根据图2的风力机组1’中，整体设施大部分处在平衡状态中并且因此始终实施仅很小的补偿运动时，风力机组1”针对带有转速D的环绕运行进行了优化，尤其是即使在流入的风W的情况下。

也就是说，在由风轮4a、4b、行进机构2a、2b和悬臂9a、9b组成的整体设施围绕轨道圈7的中心点旋转时，两个风轮4a、4b始终有一个朝向风W，而另一个在同一时间点则恰好与之背对，也就是说风从后面流入，这会对该风轮4a、4b的旋转进行制动。

这种不利的效应例如可以通过以下方式避免，即，分别在风轮4a、4b与所属的发电机6a、6b之间布置各一个自由轮，其仅沿常见的转动方向传递驱动转矩，而不传递制动转矩。

为了避免风轮4a、4b的制动，还可以在每个行进机构2a、2b的区域中设置各一个层片状的帷幕11a、11b，其非常靠近地设置在风轮4a、4b后方。

层片状的帷幕11a、11b按如下方式创建，即，从前方流入到相关的风轮4a、4b上的风可以使可围绕其纵棱边(优选围绕其上方的纵棱边)枢转的层片向后偏转，也就是说沿风向W偏转。也就是说，层片从共同的平面中枢转出来，并且彼此平行，其中，在相邻的层片之间产生大的中间空间，其可以近似无阻碍地让风通过。

然而，如果风向W是相反的，那么通过止挡元件防止层片沿另一方向的相应的枢转离开。即，层片保持在共同的平面中，层片帷幕保持关闭，风无法穿过并到达相关的风轮4a、4b，并且也没有对风轮进行制动。

同时，风W的在关闭的层片帷幕上负载的背压提供了将由行进机构2a、2b、风轮4a、4b和发电机6a、6b组成的整体设施沿环绕方向驱动的转矩，其迎着风驱动相应靠前的风轮4a、4b，从而在图3中示出的位置中最大地产生了虚拟流量S，其通过

S＝W+D*2πR

得出，其中，R代表风轮4a、4b与轨道圈7的中心点12的平均距离。

当相加数D*2πR在此与相关的行进机构2a、2b的相应位置无关地近似保持恒定时，相加数W的影响取决于相关的风轮4a、4b的瞬时位置，例如根据正弦和余弦函数，从而流入量例如按以下方式得出：

S＝W*sinα+D*2πR,

其中，α是相对于对称轴线10的背向风W的边上的原点的转角。

上述自由轮以及以上概述的层片帷幕11a、11b在此防止了制动作用，尤其是在因子sinα小于零的情况下。因此，在该情况下总是适用的是：

S>D*2πR,

这是因为W*sinα是小于零的值。在此，在图3中处在对称线10正左边的层片帷幕11a相应提供驱动转矩D，层片帷幕是关闭的并且截住流入的空气，并且通过悬臂9a、9b分配到两个风轮4a、4b上。

这种更高的虚拟流量S导致风轮4a、4b的更高的转速，并且由此此外导致机组易于启动。

在另一备选实施方式中，风力机组1可以小型化地构造，并且布置在适合在公路上行驶的车辆的厢体上，从而该车辆可以例如在制动过程期间由其运动能量产生电流。为此优选地，这种风力机组布置在车身内，例如布置在引擎盖下方，并且一旦有多余的运动能量可用，例如在制动过程期间或者在下坡行驶期间，就可以按需要接通。为了此目的，可以将风轮隐藏在流线型的外罩后，流线型的外罩可以按需要打开，而在加速过程期间相反地关闭以免产生风阻。

附图标记列表

1 风力机组

2 行进机构

3 支架

4 风轮

5 发电机

6 轮

7 轨道

8 马达

9 悬臂

10 对称轴线

11 层片帷幕

12 中心点