风力涡轮机及启动或阻碍其旋转的方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2012年11月27日提交的美国申请号为61/730,268的申请的优先 权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003] 本发明涉及风力涡轮机，以及启动或阻碍风力涡轮机的旋转和转矩的方法。
【背景技术】
[0004] 在过去的几年里，风力发电已在全世界范围内大大增长。随着风力发电行业中的 技术不断成熟，风力发电的发展预计会持续到未来几十年。
[0005] 随着风力涡轮机规模的增长，与机舱有关的重量也随之增加。在现有的市售涡轮 机中，功率输出被认为随叶片长度非线性增加，并且转子重量（从而转动惯量）也随叶片长 度非线性增加。另外，风力涡轮机通常配备盘式或滚筒式制动设备以及相关的液压和冷却 系统，这些都位于机舱中。这些是非常重的组件，由于被安置在机舱中，使得整个装置头重 脚轻。而且，这些组件不是定期使用，仅当场地风力状况超过设计参数，风力涡轮机不得不 作为保护措施闭锁而减速或停机时，这些组件才被使用。
[0006] 风力涡轮机的优选属性包括以下内容：
[0007] 1.应能够以尽可能低的风速启动。
[0008] 2.应能够尽可能快、持续且平滑地达到它的额定转速。
[0009] 3.应能够关于其额定转速在尽可能窄的范围内旋转；
[0010] 4.应能够在不良的高风力状况期间，无需任何重型制动机构，为闭锁而自身减速。
[0011] 已多次尝试使用机械、电气、液压和气动设备和控制设备或它们的组合以实现上 述属性，但是，就可操作性、可维护性和投资成本而言，没有一种是令人满意的或有效果的。
[0012] 在现有风力涡轮机的操作过程中遇到以下若干问题：
[0013] 1)需克服高初始惯性
[0014] 现代风力涡轮机没有已经证实的以及有效的方式在预启动阶段中克服与增加的 叶片重量相关的高初始惯性。已多次尝试使用发电机、来自输电网的拉拔功率，作为电动机 来反冲式启动（kick-start)涡轮机。然而，大部分的现代风力涡轮机依靠阵风来克服转子 的初始惯性和机械阻力，或设计为不施加电力负荷的特定最小风速（称为"切入风速"）以 启动旋转。
[0015] 2)涡轮机至其额定转速的可控起转
[0016] 现代风力涡轮机仅依赖盛行风条件将它们的转速从静止状态斜升到额定转速。在 从静止状态开始旋转后，若风力逐渐消失，则涡轮机也将减速，从而花费更长时间到达它的 额定转速。若风力状况改善或保持良好，则需要涡轮机叶片的变桨控制从而实现可控制的 转速斜升。
[0017] 3)为闭锁减慢涡轮机转子
[0018] 除了在失速区内叶片的变桨控制外，为了使风力涡轮机减速或减掉多余能量，风 力涡轮机需要重型制动机构，该机构通常在机舱内配有冷却系统。在任何危险的风力状 况到达风力涡轮机或农场之前，通常利用机载制动机构使涡轮机停止并锁定转子不让其转 动，直到风力状况再次变得良好。重型制动系统具有如上所述使风力涡轮机头重脚轻的缺 点。
[0019] 本发明力图解决或缓和至少一个上述问题，或者至少为现有的风力涡轮机提供一 个有用的替代选择。
【发明内容】
[0020] 概括来说，本发明提出一种通过从风力涡轮机的一个或多个叶片喷射压缩气体来 促进或阻碍风力涡轮机的旋转的方法，以及一种风力涡轮机，该风力涡轮机具有一个或多 个有压缩气体喷射机构的叶片。
[0021] 在一方面，本发明提供一种启动风力涡轮机的旋转的方法，该风力涡轮机具有一 个或多个叶片，所述方法包括：
[0022] 当叶片静止时，从所述叶片的至少一个排放气体，所述气体在一方向上被排放从 而产生反作用力，所述反作用力足以启动所述叶片在期望方向上转动。
[0023] 在另一方面，本发明提供一种阻碍风力涡轮机的旋转的方法，该风力涡轮机具有 一个或多个叶片，所述方法包括：
[0024] 当叶片在旋转方向上转动时，在大体上与所述叶片的运动方向相反的方向上从所 述叶片的至少一个的前缘排放气体，从而产生阻碍所述旋转的反作用力。
[0025] 在又一方面，本发明提供一种风力涡轮机设备，所述风力涡轮机设备具有：
[0026] -个或多个叶片，所述叶片由风驱动，在第一旋转方向上关于轮毂旋转；
[0027] 电力产生系统，所述电力产生系统由于所述叶片的所述旋转而产生电力；
[0028]-个或多个第一反作用喷射器（reaction jet)，所述第一反作用喷射器设置在所 述叶片的至少一个上，用于在一方向上排放气体，从而产生推动所述叶片在所述第一旋转 方向上旋转的反作用力；
[0029] 压缩气体产生系统；
[0030] 气体传输系统，所述气体传输系统用于将压缩气体从所述压缩气体产生系统传输 至所述第一反作用喷射器；以及
[0031] 控制系统，当所述叶片静止时所述控制系统运作以启动至所述第一反作用喷射器 的气体传输，从而启动所述叶片的旋转。
[0032] 在又一方面，提供了一种风力涡轮机设备，所述风力涡轮机设备具有：
[0033] -个或多个叶片，所述叶片由风驱动，在旋转方向上关于轮毂旋转；
[0034] 电力产生系统，所述电力产生系统由于所述叶片的所述旋转而产生电力；
[0035] -个或多个第二反作用喷射器，所述第二反作用喷射器设置在所述叶片的至少一 个的前缘上，用于在大体上与所述旋转方向相反的方向上排放气体，从而产生阻碍在所述 旋转方向上的旋转的反作用力；
[0036] 压缩气体产生系统；
[0037] 气体传输系统，所述气体传输系统用于将压缩气体从所述压缩气体产生系统传输 至所述第二反作用喷射器；以及
[0038] 控制系统，当所述叶片转动时所述控制系统运行以控制所述气体传输系统将压缩 气体传输至所述第二反作用喷射器；
[0039] 凭此，所述第二反作用喷射器在大体上与所述叶片的运动方向相反的方向上排放 所述压缩气体，从而产生阻碍所述旋转的反作用力。
【附图说明】
[0040] 现在将参照附图，仅通过非限制性示例描述本发明的实施例，其中，
[0041] 图1为根据实施例的风力涡轮机的示意图；
[0042] 图2为图1的风力涡轮机的转子的局部主视图；
[0043] 图3为图2的转子的叶片的叶尖的特写图；
[0044] 图4为根据实施例的风能发电系统的框图；
[0045]图5为根据实施例的风能发电系统的示意图；
[0046]图6为描述由压缩气体辅助的风力涡轮机起转过程的实施例的底层控制概念的 逻辑框图；以及
[0047]图7为描述由压缩气体辅助的风力涡轮机惰转过程的实施例的底层控制概念的 逻辑框图。
【具体实施方式】
[0048] 本发明实施例在风力涡轮机的辅助启动和达到风力涡轮机的额定转速的可控制 的起转，和/或风力涡轮机的闭锁的转子制动上获得应用。
[0049] 参照图1-4,示出了具有塔架110和机舱120的风力涡轮机100,机舱120安装有 转子130。转子130包括安装有多个叶片132、134、136的转子轮毂131。
[0050] 在塔架110内是多个与机舱120中的出口 122流体连通的压缩空气存储单元112。 出口 122向叶片132、134、136 (图2)的空气输入通道供气。在可选的实施例中，空气存储 单元112不必包含在塔架110内，而可以在塔架110的外部，例如，在地上和/或地下的储 罐中。
[0051] 如图4所示，空气压缩机230产生压缩空气以向压缩空气存储单元112供气。所 存储的压缩空气的包括压力、温度、可用体积和体积流率的参数由各种传感器定期测量，且 由与主涡轮机控制单元200数据通信的空气流量控制器220监控。主涡轮机控制单元200 可为本领域已知的任意涡轮机控制器，且适当地将空气流量控制器220配置为与主涡轮机 控制单元200进行通信。
[0052] 如图2和3所示，叶片132具有后缘140和前缘142。第一对反作用喷嘴152沿 着后缘140设置。第二对反作用喷嘴162沿着前缘142设置。反作用喷嘴152、162接近叶 片132的叶尖（径向外端）150设置。每个后缘反作用喷嘴152与方向阀154相关，方向阀 154优选地由电磁驱动，例如为电磁操作阀。其它本领域已知的驱动系统也可被使用。类似 地，每个前缘反作用喷嘴162与方向阀164相关，方向阀164可具有与方向阀154相同的类 型。
[0053] 喷嘴152和162由压缩空气输入通道144供气，压缩空气输入通道144与压缩空 气存储单元112流体连通。如图3所示，这两对喷嘴由单个的空气输入通道144供气，但应 当理解，在一些实施例中喷嘴152、162可以由分开的通道进给。例如，空气输入通道144可 在叶尖150之前的一点处分叉为两个通道。
[0054] 转子130的运动可通过喷嘴反作用力被精确控制，该喷嘴反作用力由喷嘴152或 162根据空气流量控制器220的指令喷射的压缩空气产生。为了影响转子130的运动，控制 器220发送控制信号204 (图4)到主涡轮机控制单元200,主涡轮机控制单元200反过来 根据期望施加到转子130的转矩的大小或方向，开启阀门154中的一个或两个，或开启阀门 164中的一个或两个。具体地，喷嘴152或162可根据以下一个或多个参数提供正转矩或 负转矩：（1)它们的相对于转子旋转方向的取向（orientation) ; (2)排放喷嘴的数量；（3) 排放压缩空气的喷嘴的尺寸；以及（4)喷嘴保持排放模式的持续时间（即，相关的阀154或 164保持开启的持续时间）。喷嘴152、162可为相同尺寸，或喷嘴152、162可具有不同尺寸 以提供不同反作用力。两个以上的喷嘴可被设置在前缘和后缘中的任一处或这两处。
[0055] 借助喷嘴152、162和空气流量控制器220,用于反冲式启动或惰转转子的叶尖力 可容易地且可控制地产生。因此，能够反冲式启动转子（通过克服由于转子的重量引起的 惯性阻力和/或机械阻力），从而不依靠自然发生的阵风，实现对风力涡轮机达到额定转速 的可控制的起转。此外，相同的系统就能提供制动转矩，而不需要基于机械和/或液压的制 动系统的重型机舱。
[0056] 例如，在辅助的启动过程中，期望从静止位置启动在方向170(图2和3)上旋转的 转子130,控制器220向涡轮机主控制器200发送数字控制信号从而使后缘阀门154开启， 以便压缩空气（