竖向风电设备以及操作这种设备的方法技术

一种竖向风电设备(10)，包括两个或多个沿竖向机器轴(MA)上下布置的单元(Z1，Z2)，其中所述单元(Z1，Z2)中的每个均包括多个竖向叶片(13)，所述多个叶片在所述单元(Z1，Z2)内布置在环绕所述机器轴(MA)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(20)连接，且其中所述叶片(13)在所述单元(Z1，Z2)中以能够各自围绕特别是贯穿其内部的竖向旋转轴(12)旋转的方式支承。通过以下方式来达成高效：所述叶片(13)中的每个均配设有构件，借用所述构件能够使得所述叶片(13)在绕所述机器轴(MA)环绕期间以与其他叶片无关的方式绕其旋转轴(12)占据预定且可随时变化的旋转位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】竖向风电设备以及操作这种设备的方法
本专利技术涉及的是风电设备的领域。本专利技术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。本专利技术还涉及一种操作这种设备的方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
因此，本专利技术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。本专利技术的另一目的是提供一种操作这种设备的方法。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。根据本专利技术的又一实施方案，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。本专利技术的操作根据本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种竖向风电设备(10)，包括两个或多个沿竖向机器轴(MA)上下布置的单元(Z1，Z2)，其中所述单元(Z1，Z2)中的每个均包括多个竖向叶片(13；F1‑F6)，所述多个叶片在所述单元(Z1，Z2)内布置在环绕所述机器轴(MA)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(20)连接，且其中所述叶片(13；F1‑F6)在所述单元(Z1，Z2)中以能够各自围绕特别是贯穿其内部的竖向旋转轴(12)旋转的方式支承，其特征在于，所述叶片(13；F1‑F6)中的每个均配设有构件(39；39a，b；49，50；52)，借用所述构件能够使得所述叶片(13；F1‑F6)在绕所述机器轴(MA)环绕期间以与其他叶片无关的方式绕其旋转轴(12)占据预定且可随时变化的旋转位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.06 CH 00868/141.一种竖向风电设备(10)，包括两个或多个沿竖向机器轴(MA)上下布置的单元(Z1，Z2)，其中所述单元(Z1，Z2)中的每个均包括多个竖向叶片(13；F1-F6)，所述多个叶片在所述单元(Z1，Z2)内布置在环绕所述机器轴(MA)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(20)连接，且其中所述叶片(13；F1-F6)在所述单元(Z1，Z2)中以能够各自围绕特别是贯穿其内部的竖向旋转轴(12)旋转的方式支承，其特征在于，所述叶片(13；F1-F6)中的每个均配设有构件(39；39a，b；49，50；52)，借用所述构件能够使得所述叶片(13；F1-F6)在绕所述机器轴(MA)环绕期间以与其他叶片无关的方式绕其旋转轴(12)占据预定且可随时变化的旋转位置。2.根据权利要求1所述的竖向风电设备，其特征在于，每个单元(Z1，Z2)均包括与所述机器轴(MA)同心布置的第一及第二环(11，16，19)，所述环在上方及下方界定所述单元(Z1，Z2)，且所述单元的所述叶片(13；F1-F6)以可旋转360°的方式布置于所述环之间。3.根据权利要求2所述的竖向风电设备，其特征在于，单元(Z1，Z2)的所述叶片(13；F1-F6)在其端部以可旋转360°的方式支承于所述第一及第二环(11，16，19)上。4.根据权利要求2所述的竖向风电设备，其特征在于，相邻的单元(Z1，Z2)各自共同具有一个环(16)。5.根据权利要求2所述的竖向风电设备，其特征在于，用于改变所述叶片(13；F1-F6)的旋转位置的所述构件(39；39a，b；49，50；52)布置在所述环(11，16，19)上。6.根据权利要求5所述的竖向风电设备，其特征在于，用于改变所述叶片(13；F1-F6)的旋转位置的所述构件(39；39a，b；49，50；52)包括电动或液压驱动的电动机(39a，b)。7.根据权利要求6所述的竖向风电设备，其特征在于，所述电动或液压驱动的电动机(39a，b)的旋转运动在电动发动机中通过齿轮(49，50)或者在液压驱动电动机中直接传递至相关的叶片(13；F1-F6)。8.根据权利要求7所述的竖向风电设备，其特征在于，所述电动或液压驱动的电动机(39a，b)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(49，50)之间借助于齿带传递。9.根据权利要求7所述的竖向风电设备，其特征在于，所述电动或液压驱动的电动机(39a，b)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(52)。10.根据权利要求1所述的竖向风电设备，其特征在于，所述单元(Z1，Z2)中的最下方单元与地面具有预定的距离，以及，所述主轴(20)支承在所述最下方单元(Z1)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。11.根据权利要求10所述的竖向风电设备，其特征在于，所述主轴(20)由多个在轴向上相...

【专利技术属性】
技术研发人员：卡尔·巴恩米勒，汉斯·托马斯·胡格，
申请(专利权)人：敏捷风力发电有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH