技术领域
[0001] 本
发明涉及一种竖直轴线
风力涡轮发电机，其包括：
支撑架；轴，其具有第一端部、第二端部和沿发电机的纵向方向延伸的轴线；第一旋转构件，其联接到支撑件；第二旋转构件，其联接到轴的第一端部处的一部分，其中，第一和第二旋转构件能够围绕所述轴线旋转；具有两个自由端部的两个或更多个
叶片，其中，与第一自由端部相关的第一叶片部分安装在第一旋转构件上，并且与第二自由端部相关的第二叶片部分安装在第二旋转构件上，从而使得叶片能够围绕所述轴线旋转；以及致动装置，其布置成使第一和/或第二旋转构件沿着轴线朝向或远离彼此移动。
背景技术
[0002] US 2010/172759公开了一种风力
涡轮机发电装置，其中包括
翼型的叶片在操作期间是可缩回的。该特征旨在提供损坏防护和在大风条件期间保持操作的能力。还描述了控制缩回程度的计算机反馈回路。另外，描述了由离散段组装的轻质翼型涡轮叶片。
[0003] US 2010/314876公开了一种应用于使用启动
马达或将能够使用以
太阳能为动力的马达高效转动的各种类型的风力涡轮机的风力涡轮机太阳能控制系统。可再充电
电池用于在预定的时间量内保持足以启动
推进器的动力。风
传感器将被包括在内以确定是否存在足以打开推进器的风。控制箱可包括在内以
指定何时启动和关掉马达。它还控制电池充电量并调节何时停止充电。
[0004] WO 2009/047595公开了一种用于产生电力的具有光伏
热电联产的竖直轴线风力系统，该竖直轴线风力系统包括竖直轴线螺旋
转子以及固定或可移动的
定子护罩的系统，所述定子护罩将风指向到转子上同时增加其与转子的冲击速度，以便提高风力发电机的效率并且使得它甚至在风力条件特别不利的情况下也能够操作。
[0005] WO 2011/042687公开了这种转子系统，特别地用于风力涡轮发电机系统中的转子系统。提供了一种支撑件，该支撑件具有与其联接的第一和第二旋转构件，这些旋转构件能够绕公共轴线旋转。提供了具有至少两个端部的一个或多个柔性叶片，其中一个端部安装在第一旋转构件上并且另一端部安装在第二旋转构件上，使得它们可围绕公共轴线旋转。提供了致动装置，其布置成通过旋转构件中的至少一者沿着公共轴线的移动而使每个叶片的端部移动得更靠近一起。第一和第二旋转构件布置成相对于彼此旋转，所述旋转允许柔性叶片围绕轴线盘绕。
[0006] DE 10 2011 012910公开了一种Darrieus风力涡轮机，其具有安装在转子轴和
转子叶片之间的
剪刀系统，从而允许从转子轴拉动转子叶片以及将转子叶片推向转子轴。转子叶片的
水平移动由接收盘的竖直运动触发，该接收盘在升降机构上竖直地移动。转子叶片通过剪刀系统在转子轴处被拉出，并且
离心力系统被紧固到接收盘，其中转子叶片被张紧
弹簧在中心拉动。这解决了Darrieus涡轮机保护它们免受极端风力条件的影响的常见困难。
[0007] 在EP 0 049 634中示出了竖直轴线类型的另一种风力涡轮机。
发明内容
[0008] 竖直轴线涡轮机或Darrieus涡轮机的另一个主要困难是使其自启动。竖直轴线涡轮发电机常常不在和风或微风情况下启动。另外，叶片并不总是定向在可延迟
能量产生的最佳
位置中。最后，
现有技术装置不保护系统（如例如，太阳能面板）的叶片和附加元件免受大风的影响。
[0009] 本公开旨在解决现有技术中的至少一个技术问题。因此，本公开的目的是提供一种更早启动以产生能量的改进的竖直轴线涡轮发电机。在最初没有给出叶片的最佳位置的情况下，该装置通过不受该装置的功能的影响的集成式太阳能面板提供必要的能量而自我维持。电池设置在装置的轴中以在夜间能量存储，以便在没有自然光通过太阳能面板提供能量的情况下启动和
定位叶片。
[0010] 包括
权利要求1的前序部分中提到的特征的竖直轴线风力涡轮发电机还包括：太阳能面板，其安装在轴的第一端部上；以及控制单元，其连接到太阳能面板和致动装置，以向致动装置提供动力来使第一和/或第二旋转构件朝向或远离彼此移动和/或向发电机提供动力来启动叶片的旋转。
[0011] 太阳能面板可以通过接头（尤其是万向接头）附接在轴的第一端部上，从而为太阳能面板提供倾斜和/或旋转能力。所述接头可以包括
致动器以倾斜和/或旋转太阳能面板的取向。
[0012] 太阳能面板可以包括太阳位置
跟踪装置，该太阳
位置跟踪装置基于太阳的当前位置来感测太阳能面板的取向。
[0013] 太阳能面板可以安装在轴上以与轴一起旋转。在另一个
实施例中，太阳能面板安装在轴的非旋转部分上。然后，轴具有旋转部分和支撑架延伸部分。主中
心轴不一定是一件式元件。还有可能的是，下毂被设计成直接连接
交流发电机，并且
信号以及动力可以被运载穿过
基座毂、穿过臂延伸叶片至上毂而到上方的回转驱动装置和主面板上。然后，有可能使用
开关磁阻机构以在涡轮系统处于操作中时保持太阳能面板的静态取向。这样的
磁场允许保持稳定的平台并减少摩擦场和
湍流。然而，在涡轮机操作期间，太阳能面板将优选地定位在水平取向中。
[0014] 优选地，第一和第二连接构件可枢转地联接到旋转构件和叶片。
[0015] 连接构件包括笔直部分，并且各自包括以凸出的方式与另一者相对定向的弯曲部分。在装置的打开位置和构型中，连接构件的笔直部分在中心轴和弯曲部分的起点处在旋转构件之间彼此
接触，从而稳定打开位置。
[0016] 当连接构件具有内笔直轮廓时，于是内笔直轮廓可以定位成一者在另一者上，以在内轴线和竖直定向的叶片之间提供稳定的连接。上连接构件的下表面接触下连接构件的上表面。这些连接构件各自包括以凸出的方式与另一者相对定向的弯曲部分，使得在笔直轮廓的一者位于另一者上时，在将叶片保持在适当位置的不同元件之间实现更牢固的关系。
[0017] 内笔直轮廓可以彼此互补以在涡轮发电机的打开位置中联结在一起，以便形成空
气动力学轮廓。连接构件的弯曲部分自身也可以具有
空气动力学轮廓。
[0018] 竖直轴线风力涡轮发电机可以仅包括两个叶片。然后，叶片将围绕中心轴轴线以180°的
角距离安装。对于三个叶片，这三个叶片之间的角距离将为每次120°。当然，也有可以提供4、5或6个叶片，其相应的角距离为90°、72°和60°。而且，以相同的方式，更高数量的叶片是可能的。
[0019] 如在涡轮机的打开位置中所见，笔直轮廓可以定位在上自由端部处、下自由端部处或其间的任何距离处。在优选实施例中，在涡轮机的打开位置中，笔直轮廓定位成距上自由端部的距离为约三分之二且距下自由端部的距离为约三分之一，使得叶片的2/3在其间没有任何障碍物，以允许诱发的无湍流气流。
[0020] 叶片优选地以固定角度附接在连接构件处。然后，在改变叶片的展开状态时改变叶片的有效半径也更改了轮叶的迎角。这改进了涡轮系统抵抗不同风力条件的整体实度（solidity），由此更改可收集的风流量，即，较大的风比较小的风需要更小的直径来产生系统的交流发电机所需的相同的
扭矩；由此减少
齿轮布置结构上的总体需求的
载荷。
[0021] 下旋转构件以预定高度在支撑架处固定在其竖直位置中，使得当叶片完全延伸和展开时，叶片的下自由端部处于地面上方的预定最小高度。这种最小高度可以是2.50米；以确保人员和小型车辆可以在下面通过。
[0022] 太阳能面板的直径被预定成使得叶片的内表面靠近太阳能面板的外周向部分或者在俯视图中甚至位于太阳能面板下方，或者当叶片处于其完全缩回状态时在太阳能面板的外周向部分处触碰太阳能面板。当叶片的内表面在闭合构型中触碰太阳能面板结构的外周向部分时，于是太阳能面板以及叶片受到更好的保护以免受大风的影响。当涡轮机闭合时，尤其是在预载荷或预拉伸下，当弯曲的连接部分缩回时，从上方看，叶片的自由上端部定位成抵靠盘形太阳能面板的外边缘。然后，自由端部保持与安装在中心的太阳能面板的接触，同时叶片的中间部分经由弯曲部分与中心轴连接，使得该装置的任何元件都不易于振动。
[0023] 连接构件具有连接到旋转构件的内笔直轮廓和与相应的叶片用
铰链连接的外笔直轮廓。在中间的是提供叶片的连接和取向的弯曲部分。优选的是，在每个叶片的内表面处设置凹部以容纳优选地与内表面齐平的外笔直轮廓。
[0024] 在
从属权利要求中阐述了本发明的另外的实施例。
附图说明
[0025] 下文参考附图描述了本发明的优选实施例，附图是为了说明本发明的目前优选的实施例的目的并且不是为了限制本发明的目前优选实施例的目的。在附图中，图1示出了处于闭合构型的根据本发明的实施例的涡轮机的侧视图；图2示出了处于打开构型的根据图1的涡轮机的侧视图；
图3示出了如与图1的实施例结合使用的叶片轮廓的俯视图；
图4示出了处于闭合构型的根据图1的涡轮机的俯视图；
图5示出了处于完全打开构型的根据图1的涡轮机的俯视图；
图6示出了处于其闭合构型的根据图4的涡轮机的侧视图；
图7示出了处于半开构型的根据图1的涡轮机的侧视图；
图8示出了处于其完全打开构型的根据图5的涡轮机的侧视图；
图9示出了根据本发明的实施例的涡轮机的侧视图，该涡轮机具有倾斜的太阳能面板并且处于几乎闭合的构型；
图10示出了用于处于完全打开构型的图1或图9的实施例的连接构件的详细视图，所述连接构件具有其弯曲部分；
图11示出了用于处于半开构型的图1或图9的实施例的连接构件以及与叶片的附接的详细视图，所述连接构件具有其弯曲部分；以及
图12示出了用于图1或图9的实施例的连接构件的弯曲部分及其与叶片的附接的详细视图。
具体实施方式
[0026] 下文详细描述了本公开的实施例。在附图中示出了实施例的示例，其中从开始到结束相同或类似的附图标记表示相同或类似的部件或者具有相同或类似功能的部件。
[0027] 图1示出了处于半闭合构型的根据本发明的实施例的涡轮机的侧视图。图2示出了处于打开构型的同一个涡轮机。注意，太阳能面板50水平地定位，图2的视图是略微俯视的，以更好地区分太阳能面板50。
[0028] 竖直轴线风力涡轮发电机包括定位在地面上的支撑架11。它基本上是竖直地定向的，其被示为具有发电机的纵向轴线19。具有第一端部和第二端部的伸缩轴41沿着所述轴线19延伸。
[0029] 在一个实施例中，轴41确实旋转，水平地安装在轴41上的太阳能面板50也将如此。然后，存在具有旋
转轴41的两个替代性实施例。一个替代例使用固定地水平定向的太阳能面板50，其对即将来临的风的干扰最少。另一个替代例将使用开关磁阻机构，该开关磁阻机构使用交变场来保持稳定的太阳能面板。
[0030] 在另一个实施例中，轴41将不旋转，并且然后太阳能面板50可以在各种条件下倾斜，以通过正确安置太阳能面板50平面的主方向来收集最多的太阳能。
[0031] 另外，当存在不足以产生动力的风时，轴提供水平
太阳跟踪。
[0032] 第一旋转构件12联接到支撑件11。在图1的构型中远离第一旋转构件12的第二旋转构件13联接到轴41的第一端部处的一部分。这些附接允许第一旋转构件12和第二旋转构件13围绕所述轴线19旋转。
[0033] 为该发电机提供了具有两个自由端部15、16的三个叶片14、24和34。在更一般的方法中，该设备可以仅包括两个或多于3个叶片。叶片14、24和34中的每一者在其内侧上具有径向指向轴41的两个集成铰链。这些铰链在每个叶片的上部部分和下部部分处连接连接构件17和18的外端部，其中，连接构件17和18的内端部分别可枢转地附接在第一旋转构件12和第二旋转构件13处。因此，使得叶片能够围绕所述轴线19旋转。通过第一连接构件17将与第一自由端部16相关的第一叶片部分与第一旋转构件12连接以及当然第二连接构件18将与第二自由端部15相关的第二叶片部分与第二旋转构件13连接来提供这种安装。从发电机的运动学清楚的是，第一旋转构件12和/或第二旋转构件13朝向或远离彼此的移动使叶片14、24、34移动得更远离或更靠近轴41。在该移动内，叶片14、24和34保持完美竖直地定向。
图1示出了半开位置。图2示出了打开位置。
[0034] 提供了致动装置（附图中未示出），以使第一旋转构件12和/或第二旋转构件13沿着轴线19朝向或远离彼此移动。通过将轴41的下端部42推进到支撑架11中，实现了图1和图2之间的移动。
[0035] 与12和13同步旋转的中心伸缩轴41利用容纳在支撑架11内的通孔齿轮布置结构连接到交流发电机。
[0036] 太阳能面板50安装在轴41的第一端部上并连接到发电机的控制单元，以向发电机提供动力来使致动装置致动和/或启动叶片的旋转。清楚的是，虽然在附图中未示出，但是存在电线，所述电线设置在轴41旁边或集成在轴41中（尤其是经由竖直线性触点）并且终止于经由隔离动力和信号的滑环而容纳在支撑架11中的交流发电机前面。
[0037] 图1的实施例的第一连接构件17和第二连接构件18可枢转地联接到旋转构件12、13以及叶片14、24、34。枢转轴线在所有情况下都是水平的并且与所有叶片14、24、34的旋转圆相切，以用于在叶片处进行外部固定并在旋转构件12和13附近在一圆上闭合。
[0038] 在简单的实施例中，连接构件17和18可以是扁平带，但是它们优选地是NACA轮廓（每一者代表另一者的横截面的一半），这些连接构件各自包括以凸出的方式与另一带相对地定向并且融合以分别形成叶片14、24和34的缩进轮廓的弯曲部分27或28。上臂构件17和下臂构件18中的每一者分别具有邻近于与轮叶或叶片14、24、34的连接的该弯曲部分27或28，所述弯曲部分以从水平到竖直的曲线扫掠，从而确保至少在处于完全展开状态时的平滑的连续轮廓。因此，在臂到轮叶的接合处存在平滑过渡：从共联结部分的完整
空气动力学轮廓到上臂构件和下臂构件中的每一者在其最外部范围处的单独的弯曲空气动力学轮廓，并且尽可能无缝地联结轮叶的轮廓，从而允许铰链联接。
[0039] 竖直轴线风力涡轮机（VAWT）的原理是：扫掠区域越宽，需要的风力越小；扫掠区域越窄，所需的风速就越大。而且，存在“完美实度”的平衡点，在这种情况下，涡轮机以最佳速度运行，并且气流假定它在实体上运行。
[0040] 因此，致动器（未示出）基于传感器输入针对实度点来调节旋转构件12和13之间的轴41的伸缩高度。图2示出了叶片14、24和34的最大延伸位置，其中对于每一对带来说，连接构件17和18的一者位于另一者上，而弯曲部分27和28为始终竖直地定位的叶片的定位提供弹簧
偏压。在完全展开构型中，伸缩轴41完全缩回到支撑架11内，并且上连接构件17下降成与下连接构件18在一起。在该位置中，每一对可展开臂的上部构件和下部构件18联结在一起以形成空气动力学轮廓。该空气动力学轮廓给涡轮机带来空气动力学效率，并且可以被选择成调谐到涡轮机的预期操作速度。在这种状态下，顶部三分之二的轮叶没有任何障碍物；在那区域中的扫掠区域内部没有物体，并且因此气流没有诱发的湍流。具有延伸的叶片的装置的实施例的直径是例如4.5米。
[0041] 在打开位置中，内笔直轮廓17和18定位在上自由端部16和下自由端部15之间且距上自由端部16的距离为叶片14、24和34的整个长度的80％至60％之间，并且定位在下自由端部15和上自由端部16之间且距下自由端部15的距离为叶片14、24和43的整个长度的约20％至40％，使得叶片14、24和34的多于一半的长度在其间没有任何障碍物，以允许诱发的无湍流气流。换句话说，叶片14、24和34的自由端部在打开位置中上升到构造上方从而允许更好的气流，而在缩回位置中更低且更接近中心元件（如太阳能面板50）。
[0042] 图3示出了如与图1的实施例结合使用的叶片轮廓的俯视图。从示出叶片从上自由端部16到下自由端部15的整个长度的角度略微示出了轮廓。图3中所示的轮廓是所谓的“NACA 14”轮廓，其沿着等分线弯曲以遵循涡轮机
旋转轴线的半径，该轮廓在
电流测试时在全扫掠直径构型下产生最佳结果。与叶片14结合使用附图标记。在两个自由端部15和16处，分别设置了边缘25和26。弯曲的附接部分27和28被示为用铰链与叶片14联接。图3示出了处于这样状态的叶片14：当伸缩轴41缩回时，连接臂17和18朝向彼此铰接，从而使三个叶片向
外延伸到臂17、18彼此
覆盖以形成水平地延伸到竖直叶片的一组气动轮廓
辐条的位置中，这些竖直叶片处于全径向延伸以实现最大扫掠区域，如图2中所示。基本竖直地定向的前缘22迎风，而相对端部处的
后缘23标记叶片的端部，叶片的端部形成成避免叶片14、24和34后面的湍流。
[0043] 当以类似的尺度并列看图4和图5时，从它们可以看到根据本发明的实施例的涡轮机的一个重要概念和优点。图4示出了处于闭合构型的根据图1的涡轮机的俯视图，并且图5示出了处于完全打开构型的根据图1的同一个涡轮机的俯视图。盘形太阳能面板50在两个附图中是相同的，且因此具有相同的表面。当涡轮机闭合时，在俯视图中，三个叶片14、24和34的自由端部16定位成非常靠近盘形太阳能面板50的外边缘52。取决于第一和第二连接构件的布局，太阳能面板50甚至可以具有部分或全部覆盖自由上端部16的盘尺寸，因为太阳能面板50可以在涡轮机的闭合构型中安装在自由上端部16上方。在图5的打开构型中，连接构件17和18定位成基本上一者在另一者上，于是叶片14、24和34距中心轴41的距离更远。
[0044] 图4和图5之间的比较解释了本发明的另外的优点。每个叶片14、24或34具有迎角。该角度可以由叶片14、24或34的前部部分、中间部分或端部部分朝向径向
连接线（该径向连接线朝向轴41的中心）可具有的任何角度限定。如果叶片14的中间部分之间的距离是rclosed，则前缘到中心的距离是rclosed减去第一距离，并且前缘到中心的距离是rclosed减去第一距离。在图5的打开构型中，延伸距离d被加到处于关键时刻的所有值，使得前缘现在具有rclosed加上d减去第一距离的距离，而后缘现在具有rclosed加上d加上减去第一距离的距离。
虽然距中心的相关距离（rclosed加上d）现在也更高，但是第一距离的值对所述迎角的影响较小，且因此当叶片14、24、34处于打开构型时，迎角自身更小。
[0045] 图6示出了处于其闭合构型的根据图4的涡轮机的侧视图。可以看到，叶片14、24和34的上自由端部16定位在太阳能面板50下方，但是它们在第一旋转构件12处的铰链上方延伸。三个上连接构件17并列竖直地定位，并且弯曲部分27内切90度的转弯以在每个叶片14、
24和34的内侧上基本水平地接合铰链。附接在第二旋转构件处的下连接构件18同样如此。
[0046] 图7示出了处于半开构型的根据图1或图6的涡轮机的侧视图。此处，两个旋转构件17和18不再围绕轴41竖直地定向，而是具有一者指向另一者的几乎45度取向，其中，弯曲部分27和28开始折叠在一起。从图7可以看到，尤其是与图6相比，上自由端部16现在被定向得高于由太阳能面板50提供的平面。在附图中未示出的另一个实施例中，上旋转构件12下降以打开涡轮机，并且上自由端部16保持定位成低于水平太阳能面板。
[0047] 图8示出了处于其完全打开构型的根据图5的涡轮机的侧视图（未指示轴41和下旋转构件的位置）。由于上旋转构件12保持其到太阳能面板50的纵向距离，因此叶片14、24和34的主要部分现在位于太阳能面板50上方。上连接构件17和下连接构件18定位成一者在另一者上。上连接构件17的下表面37和下连接构件18的上表面38的互补形式在其径向长度（在分别连接到旋转构件12和13的铰链部分和发散的弯曲部分27和28之间）上提供空气动力学形成的水平定向轮叶，从而保持叶片14、24、34竖直地定向。
[0048] 图9示出了根据本发明的实施例的涡轮机的侧视图，该涡轮机具有倾斜的太阳能面板50并且处于几乎闭合的构型。上连接构件17的下表面37恰好离开中心轴41，并且叶片14、24和34的自由端部16上升。太阳能面板50略微倾斜。优选地，内轴41不旋转，并且太阳能面板指向太阳的当前方向。
[0049] 图10示出了用于处于完全打开构型的图1或图9的实施例的连接构件17、18的详细视图，所述连接构件具有其弯曲部分27和28。上连接构件17的上表面和下连接构件18的下表面一起形成空气动力学轮叶，从而分别稳定恰好接触的下表面37和上表面38。下表面37和上表面38可以是平坦的，或者它们可以是弯曲的，以在连接构件17和18之间具有形式配合类似的连接。另一方面，上表面47和下表面48优选地是弯曲的，并且在连接构件17和18的两个侧边缘上彼此触碰。
[0050] 弯曲部分27和28为每个叶片（此处为叶片14）提供通过连接构件17、18的配合支撑的稳定竖直位置的完美的90度
腹板。
[0051] 下一个附图页中的图11示出了用于处于半开构型的图1或图9的实施例的连接构件12和13以及与叶片14、24、34的附接的详细视图，所述连接构件具有其弯曲部分27和28。弯曲部分27经由笔直部分56在叶片14处连接到铰链55。从叶片14的后表面包括被设置成容纳笔直部分以及弯曲部分27的转移部分的凹部的意义上说，铰链55可以设置在叶片14的后表面中。通过回到图10可以更好地看到这一点，其中笔直部分56与叶片14的后表面齐平地沉入。
[0052] 最后，图12示出了用于图1或图9的实施例的连接构件的弯曲部分及其与叶片14、24、34的附接的详细视图。凹部57在一侧上以铰链55结束，其中，在另一侧上，凹部57允许弯曲部分持续接触容纳在叶片14内部的笔直部分56。
[0053] 附图标记列表11 支撑架
12 第一旋转构件
13 第二旋转构件
14 叶片
15 第二自由端部
16 第一自由端部
17 第一连接构件
18 第二连接构件
19 纵向轴线
22 前缘
23 后缘
24 叶片
25 边缘
26 边缘
27 弯曲部分
28 弯曲部分
34 叶片
37 下表面
38 上表面
41 轴
42 轴的下端部
47 上表面
48 下表面
50 太阳能面板
51 取向致动器
52 外边缘
55 铰链
56 笔直部分
57 叶片中的凹部
