可折叠的叶片风力涡轮机的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年12月3日提交的美国专利申请61/911000名称为可折叠的叶片风力涡轮机的优先权。本申请还涉及2009年8月21日提交的美国专利申请12/461716和2009年8月17日提交的美国专利申请12/461575。前述申请的内容因此将其全部内容整体并入本文。
本文描述的各种实施例通常涉及风力涡轮叶片的展开和收缩。更具体地，本文描述的各种实施例涉及使用电诱导的旋转和风力诱导的旋转的组合的风力涡轮机叶片的收缩和展开。
背景技术：
现代，风力驱动的发电机诞生于1970年代晚期。直到1970年代早期，风能满足小的机会市场，该机会市场供应用于磨谷物和泵水的机械能以及用于乡村电池充电的电力。除电池充电器和具有较大的电力产生的机器的少有实验外，1850年和甚至1950年的风力站与它们所源自的原始装置区别很小。截止2008年7月，风能提供大约1％的总的美国电力生成。具有多达30个叶片的较小设计对于农业中的灌溉是常见的。
大多数现代风力涡轮机典型地具有安装在60-80米塔顶上的具有10-80米直径的3-叶片的转子。2006年在美国安装的普通涡轮机能够产生大约1.6兆瓦的电力。涡轮机电力输出通过当叶片围绕转子毂旋转时使叶片围绕它们的长轴旋转以改变相对于相对风力的冲角(倾伏角)来控制。涡轮机通过使吊舱围绕塔旋转(偏转)来指向风中。涡轮机典型地采用30-150个机器的阵列(场)来安装。(用于叶片倾伏角的)倾伏角控制器调节电力输出和转子速度以防止对结构组件过载-在非常强的风力条件期间。通常地，涡轮机将在大约5.36米/秒的风中开始产生电力以及在大约12.52-13.51米/秒(每小时28-30英里)达到最大电力输出。涡轮机将使叶片倾斜或使叶片与水面平行以停止电力产生和以大约22.35米/秒(每小时50英里)的旋转。
已经做出努力提供以下机制：是叶片从打开的展开位置过渡到闭合的收缩位置(收拢)，在所述打开的展开位置中，叶片基本上平行于桅杆以及径向围绕旋转毂，在所述闭合的收缩位置中叶片通常采用紧密的群集来垂直于桅杆。这允许在高的风力环境中降低表面积，以及允许存储和易于运输。合并到本文中的美国专利申请12/461716和12/461575均公开用于打开和闭合叶片的设计。
技术实现要素：
根据本发明的实施例，提供一种风力涡轮机。该涡轮机包括支撑装置，具有旋转轴；发电机；多个叶片，相对于所述旋转轴而可旋转地安装在所述支撑装置上，所述叶片能够在基本上平行于所述旋转轴的收缩位置和基本上垂直于所述旋转轴的完全展开位置之间移动；所述叶片连接到所述发电机，使得所述叶片在风力所诱导的方向上的旋转导致所述发电机发电，以及对所述发电机的供电使所述叶片旋转；以及控制器，连接到所述发电机，用于传递电流到所述发电机，所述电流足以使所述叶片从所述收缩位置朝所述完全展开位置移动，且所述电流不足以使所述叶片一直移动到所述完全展开位置。所述电流诱导所述叶片在风力所诱导的方向上旋转，所述旋转形成离心力，所述离心力使所述叶片从所述收缩位置朝所述完全展开位置移动。当所述叶片从所述收缩位置移动时，所述叶片具有增加的暴露于环境风力的部位以接收来自环境风力的额外的旋转力，以及所述额外的旋转力单独或与所述电流组合足以使所述叶片移动到所述完全展开位置中。
附图说明
根据本公开的各种实施例将参考图进行描述，其中：
图1展示了本发明的实施例在闭合位置的侧视图。
图2展示了本发明的实施例在闭合位置的立体图。
图3展示了本发明的实施例在部分展开位置中的侧视图。
图4展示了本发明的实施例在部分展开位置的立体图。
图5展示了本发明的实施例在理想完全展开位置的侧视图。
图6展示了本发明的实施例在理想完全展开位置的立体图。
图7展示了根据本发明的实施例的控制器的功能模块图。
图8展示了本发明的另一实施例在闭合位置的侧视图。
图9展示了本发明的实施例在部分展开的位置的侧视图。
图10展示了本发明的实施例在理想完全展开位置的侧视图。
具体实施方式
在下面的描述中，各种实施例在附图的图中将作为示例以及不作为限制来展示了。对该公开中的各种实施例的引用不一定是相同的实施例，以及这样的引用意指至少一个。尽管讨论特定的实现和其他细节，要理解的是，这样做仅仅为了说明目的。本领域技术人员将意识到，在不脱离要求权利的范围和精神的情况下，可以使用其他组件和配置。
在附图中示出叶片配置。通常垂直的桅杆支撑涡轮机。多个涡轮机叶片在它们的根部枢转地安装到吊舱上的支撑毂。枢轴允许叶片在完全展开/打开位置和踏缩到完全闭合/收缩位置之间移动。叶片也可以采取展开和收缩位置之间的部分展开位置。
图中的完全展开位置示出叶片为垂直的，尽管在实践中实施例的性质可能具有偏离垂直大约0-15度的一些小的角度。在该上下文中，本文中的“水平的”和“垂直的”的任何使用要理解成被“通常”修改为说明与正常位置中绝对完美这样的偏差。
涡轮机通常能够围绕桅杆旋转以取向成主要风的方向。本文中参考的涡轮机优选是顺风涡轮机，其中叶片朝(相对于风的)毂和吊舱的顺风的涡轮机尾部取向。
支撑毂连接到用于生成电的发电机/马达(本文之后简称“发电机”)，例如永磁电动机。叶片的旋转导致发电机中的旋转，所述发电机采用已知的方式来生成电。使支撑毂互连到永磁电动机的各种元件在风力涡轮机领域中是熟知的以及因此不再本文中示出。
可滑动的跟踪环定位在支撑毂的后面的轴上。跟踪环枢轴支撑若干连接杆，所述若干连接杆连接到叶片。单独连接的杆保持通常的角度以用于展开各个叶片，使得叶片相对于彼此具有相同的位置，而不论展开位置。
当在完全展开位置中时，跟踪环在它最向前的位置中以及最接近支撑毂。当叶片开始闭合时，跟踪环将向后移动。完全闭合位置将使跟踪环(或连接到其的一些限位器)接近于轴上的末端或限位器。优选地，跟踪环和/或轴的末端中的一些组件将在其中具有磁性材料以建立对于闭合位置的弱磁锁定以防止组件的轻度位移。这也可以通过弹簧-加载的机械滑动或滚动制动装置。
以上涉及的架构的非限制示例在图1-6中示出，现在参考图1和2，吊舱102支撑在桅杆104的顶上。吊舱102具有朝支撑毂106延伸的旋转轴。涡轮机叶片110具有枢轴安装到支撑毂106的轴108。在图1和2中，叶片110在收缩位置中，尽管他们可以围绕枢轴连接旋转以支撑毂106到其他位置中，如以下讨论的。
吊舱102包括发电机112。发电机112响应于叶片110的风诱导的旋转而生成电，发电机112将电转发到一般由控制器/电池114示出的下游设备(尽管下游设备的功能不一定限于控制器和/或电池)。发电机112也充当马达以驱动叶片110的旋转。吊舱102的内部的全部架构与本领域的知识一致以及不在本文进一步讨论。发电机112可以包括用于减慢旋转的机械制动器。
图3和4示出部分展开位置中的图1-2的组件，以及揭示支撑杆116和安装在其上的滑动环118的存在。每个叶片110的轴108经由托架120和枢轴点122来枢轴连接到滑动环118。图5和6示出理想完全展开位置中的图1-2的组件。
现在参考图7，控制器114控制叶片展开的打开、闭合和全部位置。控制器可以是任何软件和/或硬件组合以执行发电机112所施加的扭力的控制。就存在计算机控制来说，那么存在包括存储器、处理器等等的典型计算机元件。经由电池或其他源的能量源被提供以支持控制器114和/或提供电流以使叶片110旋转。控制命令可采用软件的形式驻留在计算机上，以及同样存储在适当的计算机可读介质上，例如硬件驱动器或闪存驱动器。本发明不限于任何特定类型的计算机架构和/或存储介质，以及图7的组件和功能性可以按适当捆扎或分布。
为了从收缩位置打开叶片110，来自电池或其他电源的反向电流施加到发电机112；优选地，该电流从零到预定值来逐渐施加，尽管这不需要是这样，以及如果渐近，它不一定是线性的。电输入导致发电机112充当旋转马达以使叶片110的整个组件在与风力将诱导的相同方向上旋转。
该旋转运动导致叶片110通过旋转动作所给予的离心力的影响从它们的顶端向外移动。叶片110因此将移动到收缩和完全展开位置之间的过渡中间位置。该过渡一般通过比较图1和3以及2和4来分别示出。图3和4示出过渡中间位置的一般45度角，但是这仅仅是为了展示了目的以及不基于电流来限制叶片110的展开状态。
当叶片110从收缩位置向外移动时，相对于风力的叶片110的表面积增加。因为叶片110设计成在风力存在时围绕轴旋转，当风在叶片110上移动时进入的环境风力将开始对叶片110施加旋转力；当叶片110进一步展开时该旋转力增加。尽管由于小的展开角而风力的影响初始可忽略，在足够的展开角处，风力的交互作用将导致叶片比电流诱导的速度更快地旋转。该速度增加进一步增强离心力作用以使叶片110朝图5和6中完全展开位置的进一步展开。风力也将使叶片110向后朝收缩位置物理偏离，但是在正常的操作中离心力的打开作用比直接风力的闭合作用强；来自风网的收集力导致叶片110朝完全展开位置的进一步展开。
该循环随叶片110继续展开而继续，在展开期间表面积的增加捕获更多的风力，风力捕获的增加进一步增加旋转速度，旋转速度增加使离心力增加，这导致进一步展开。循环继续直到速度和离心力达到叶片110移动到完全展开位置的点。
在从收缩位置到完全打开位置的初始过渡中，呈现给风力的叶片110的表面积不足以诱导单独来自风力的足够旋转以展开叶片110。如果在该初始阶段中施加的反向电流被去除或减少，叶片110将保持在它们的当前展开状态中或收缩到收缩位置。
以上展开的方法论仅仅需要用于叶片110的足够展开的足够的反向电流以达到过渡点，其中风力单独可诱导叶片110的足够旋转以继续展开过程而没有来自电流的帮助。与该过渡事件一致的系统参数可以是最大旋转速度的百分比、涡轮机的电输出和/或展开角；也可以使用其他适当的系统参数。一旦该过渡点达到(或稍微超过的点，如可以通过预定电压、速度、百分比或诸如此类来测量的)，控制器114就开始使反向电流的施加逐渐减少回到零，同时风力施加必要的能量以继续展开。如果由于一些原因在完全展开之前速度减少(例如，风速减小)，反向电流可以重新接入以再发起展开过程。在备选中，在整个展开循环期间电流可以继续施加。
以上控制方法论因此初始依赖于反向电流诱导的旋转以部分展开叶片110。该反向电流优选不足以诱导完全展开，使得在没有风贡献的情况下叶片110将不会达到完全展开位置。一旦达到过渡点，反向电流可以降低以及发电机112慢慢开始充当电的发电机而不是马达，同时风力接管展开。如果由于任何原因存在反向滑动(例如，风力的突然减少)，则控制可增加反向电流以使发电机12回到优选的展开状态。
一旦叶片110达到完全展开位置，它们在没有控制收缩时将趋于保持展开。这是因为旋转导致的离心力克服风力的趋势以迫使叶片110向后。该平衡保持展开而不管正常操作范围内的风速。
发电机112提取来自风力涡轮机叶片110给予的旋转力的能量，它们形成扭力牵引，所述扭力牵引允许风力将叶片110从它们的完全展开位置稍微向后推动成稍微锥形的配置，这可以对于到风中的涡轮机的直接控制是有一些益处的(以及也诱导锥形或部分打开位置以减轻损坏风的作用以及仍然允许部分操作)。这里是减慢旋转的发电机112给予的扭力和对叶片110施加的风力的向后力之间的平衡点，所述向后力导致叶片110被向后推动到部分展开或锥形位置中。换句话说，当叶片110加速时，发电机112自动通过它的基本形式来给予另外的扭力，因此减慢叶片110的旋转，稍微保持部分展开或锥形位置。以及相反地，当风速稍微减慢时，风力对叶片110给予的向后力也减少，允许叶片110朝它们的垂直操作位置打开更多。该活动可以自动地形成强的潜在损坏风中安全锥形操作的期望平衡点。控制器114也可以用于加强该自然发生条件。这可以说明从完美垂直的完全展开位置中的一些偏差，以及这在本文中称为一般竖直或一般垂直于涡轮机的旋转轴。
有时可以期望的是，使展开的叶片110移动离开完全展开位置到部分展开位置或收缩位置中。例如，风力可以达到它们在完全展开中对系统施加不适当的应力的点。叶片110的部分收缩将降低风力对叶片110的作用，以及因此降低系统的整体应力。这可以通过添加来自发电机和/或机械制动器的扭矩来进行。在另一示例中，风力可以达到叶片110需要闭合的必要临界点。在再另一示例中，叶片110可能需要闭合以执行涡轮机再定位或维护。
用于使叶片110从完全展开位置移动到部分展开位置或收缩位置的方法论依赖于足够风力的存在。
在存在足够风力的情况下，叶片110典型地在它们的完全展开位置中以及将保持这样，因为旋转诱导有利于展开的离心力，所述离心力强于有利于收缩的对叶片110的收缩风压。该平衡通过经由控制器114将受控的制动应用于例如发电机112诱导的叶片110的旋转来改变，发电机112添加过多的扭矩或可靠的机械制动。减慢叶片110的旋转将降低使叶片110保持在完全展开位置中的离心力。当离心力的展开影响下架低于对叶片的风力的直接结果压力时，风流将开始使叶片110移动离开完全展开的位置。
当叶片110移动离开完全展开位置时，环境风力提供越来越少的旋转力。如果该施加的力下降低于减少的离心力，达到平衡点以及限定部分展开位置，其中叶片110将安定和继续旋转。然而，如果离心力不足以维持叶片在任何展开位置中，它们将移动一直到收缩位置。
制动可以通过按照控制器114的机械制动操作来发起。另外和/或备选地，永磁发电机可以充当制动器，如果控制器导致发电机提取比它们在正常操作期间将正常使用的显著更多的电能。当这发生时，制动动作通过发电机112应用于旋转轴和叶片组装件。
应用的制动优选地控制成使叶片110按期望移动。为了完全闭合，叶片110将简单地允许移动，尽管优选地对旋转的约束仅将足以允许慢的过渡(而不是可能损坏架构的非受控的运动)，
为了部分闭合，制动的应用将足以达到期望的展开角，以及调节成保持叶片110在该位置中。在备选中，在制动可以释放的这样的情况中一个或多个物理限位器或锁定器可用于维持期望的角度，但是限位器物理防止超过期望的角度的另外的展开。风速、旋转速度和/或其他系统传感器可以提供以监测展开的状态，所述展开的状态允许控制器对其作出反应。大约45度的收缩的向上角度可以是可能，尽管本发明不限于此。
在存在足够风力的情况下，以上收缩方法论将不是有效的，因为没有足够的风力来诱导叶片110的向后运动。在这些情形中(其中叶片110将静止或轻度旋转)，控制将反向电流施加到发电机112以使叶片110在风力将正常诱导的方向的相对方向上旋转。这形成对叶片110的反向力，该反向力迫使叶片110朝收缩位置，以及它们将如此移动。
图8-10示出本发明的另一实施例，其中类似的标号表示类似的元件。该实施例示出吊舱102可以省略而有利于支撑组件。限位器124也可以设置在杆116上以防止滑动环118的另外移动。限位器124也可以包括如本文描述的锁定组件以使叶片110保持在收缩位置中。
本文描述的计算元件可以在其他通用或专用计算装置中执行，诸如个人计算机、台式计算机或膝上型计算机、或主计算机、以及运行移动软件的和能够支持多个联网和消息发送协议的蜂窝、无线、和手持装置。可以存在运行任意各种商业可用的操作系统和其他已知的应用的任意数量的工作站。这些装置也可以包括其他电子装置，例如虚拟终端、瘦客户端、游戏系统和能够经由网络通信的其他装置。
大多数实施例利用将对本领域技术人员熟悉的至少一个网络以用于支持使用任意各种商业可用的协议的通信，例如tcp/ip、ftp、sftp、upnp、nfs和cifs。网络可以例如是局域网、广域网、虚拟私用网络、因特网、内联网、外联网、公共交换电话网络、红外网络、无线网络和其任意组合。
在计算装置包括服务器的实施例中，服务器可以运行任意各种服务器或中间层应用，包括http服务器、ftp服务器、cgi服务器、数据服务器、java服务器和商业应用服务器。一个或多个服务器也可以能够响应于来自用户装置的请求而执行程序或脚本，例如通过执行可以实现为以任何编程语言写的一个或多个脚本或程序的一个或多个web应用，例如
环境可以包括如上讨论的各种数据存储装置和其他存储器和存储介质。这些可以驻留在各种位置中，例如在一个或多个计算机本地(和/或驻留其中)的或跨越网络的与任意或所有计算机远离的存储介质上。在特定的一组实施例中，信息可以驻留在本领域技术人员熟悉的存储域网络(“san”)中。类似地，用于执行分布给计算机、服务器或其他网络装置的功能的任何必要文件可以按适当地本地和/或远程存储。当系统包括计算化的装置时，每个这样的装置可包括硬件元件，所述硬件元件可以经由总线电耦合，所述元件包括例如至少一个中央处理单元(cpu)、至少一个输入装置(例如，鼠标、键盘、控制器、触摸屏、或小键盘)和至少一个输出装置(例如，显示装置、打印机或扬声器)。这样的系统也可以包括一个或多个存储装置，例如盘驱动器、光学存储装置和固态存储装置，例如随机存取存储器(“ram”)或只读存储器(“rom”)以及可移除介质装置、存储器卡、闪存卡等等。
这样的装置也可以包括如上描述的计算机可读存储介质读取器、通信装置(例如，调制解调器、网卡(无线的或有线的)、红外通信装置等等)和工作存储器。计算机可读的存储介质读取器可以连接到或用于接收计算机可读的存储介质、表示远程、本地、固定和/或可移除的存储装置以及暂时和/或更永久地包含、存储、传送和检索计算机可读信息的存储介质。系统和各种装置也将典型地包括多个软件应用、模块、服务或位于至少一个工作存储器装置内的其他元件，包括操作系统和应用程序，例如客户端应用或web浏览器。应该意识到的是，备选实施例可以与以上描述的多种变形。例如，定制的硬件也可以使用和/或特定的元件可以实现在硬件、软件(包括便携式软件，例如小应用程序)或两者中。另外，到例如网络输入/输出装置的其他计算装置的连接可以使用。
用于包含代码或部分代码的存储介质和计算机可读介质可以包括本领域已知的或使用的任何适当的介质，包括存储介质和通信介质，例如但不限于采用存储和/或传送信息(例如，计算机可读指令、数据结构、程序模块、或其他数据)的任何方法和技术实现的易失和非易失的、可移除的和非可移除的介质，包括ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字通用光盘(dvd)或其他光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁存储装置或能够用于存储期望的信息和能够被系统装置访问的任何其他介质。基于本文中提供的公开和教导，本领域技术人员将意识到实现各种实施例的其他方式和/或方法。
因此，要在说明而不是限制的意义中看待说明书和图。然而，将明显的是，在不脱离如权利要求中陈述的本发明的更宽的精神和范围的情况下可对其做出各种修改和改变。
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