逆風型風力渦輪機及其操作方法

專利名稱：逆風型風力渦輪機及其操作方法
發(fā)明的領域本發(fā)明適用于一種風力渦輪發(fā)電機，并且涉及一種逆風型風力渦輪機，該逆風型風力渦輪機具有一個帶有多個葉片的轉子，所述葉片安裝在機艙的前部，該機艙被支撐在一個支撐件上用以旋轉，該轉子借助風力旋轉，以便通過一個轉子軸驅動一個從動機械、例如一個發(fā)電機，并且涉及其操作方法。
背景技術：
在高地例如丘陵或山的頂部上、或者例如在風速很高的海上等地點可以建立風力渦輪發(fā)電廠，該風力渦輪發(fā)電廠通過建立多個風力渦輪發(fā)電單元，具有很高的產(chǎn)生電能的能力，所述各風力渦輪發(fā)電單元利用通過向多個葉片施加風力產(chǎn)生的旋轉力，以便經(jīng)由一個旋轉軸線來驅動發(fā)電機從而發(fā)電。通常通過調整連接到風力渦輪轉子上的葉片的螺旋角來控制該發(fā)電機組，用以保持與工作時的風能和要消耗的能量(所需要產(chǎn)生的能量)相應的所需能量的產(chǎn)生。
在風力渦輪發(fā)電機單元的應用中，流行采用一種逆風型風力渦輪機，其轉子具有安裝在支撐于一支撐件上的機艙前部的葉片。
在日本專利申請公開No.5-60053中公開了一種類似的逆流型風力渦輪機，它具有一個借助一個主軸(渦輪轉子軸)支撐渦輪轉子的機艙(風力渦輪機轉子支撐體)，在機艙中裝有一個能量轉換單元、例如一個發(fā)電機和一個用于將主軸的旋轉傳遞給能量轉換單元的傳遞機構，并且對所述機艙進行支撐，用以在一個豎立于地面或船上的支撐件上的一個水平面中旋轉。
如專利文獻1(日本專利申請公開No.8-82277)中所示，在一個風力渦輪發(fā)電單元中，采用一個偏向控制(方位控制)裝置保持葉片的旋轉表面始終朝向風的方向，以便通過旋轉支撐風力渦輪機的機艙使風力有效地作用于葉片上，所述機艙用于根據(jù)風的方向進行旋轉。該裝配有一個偏向控制裝置的風力渦輪機設有一個偏轉制動器，用于當由于臺風等原因風力很強時對可以根據(jù)風的方向旋轉的機艙進行制動。
如

圖13和以透視圖表示圖13中的Z部分的細節(jié)的圖14中所示，偏轉制動器3用于鎖定由葉片101、一個轉子105、一個轉子軸和一個機艙102組成的風力渦輪機主體(wind turbine proper)100A。一個旋轉座軸承3 12位于支撐件106的頂面和安裝在支撐件106上的風力渦輪機主體100A之間。制動盤304安裝在支撐件106和軸承312之間。一個具有液壓缸301a、301b和一個制動卡鉗的液壓致動盤制動單元310夾著制動盤304。通過用液壓致動盤制動單元310從上、下側壓住制動盤，對風力渦輪機主體100A相對于支撐件106的旋轉進行制動。
在裝配有偏向控制裝置和偏轉制動器的所述逆風型風力渦輪發(fā)電機中，在正常操作中利用偏向控制裝置控制機艙進行旋轉，以便葉片的旋轉表面總是朝向風的方向。當由于驟風或臺風引起的強風等而產(chǎn)生停電時，不可能進行偏向控制，從而通過啟動所述偏向制動器將機艙鎖住。
如上所述，采用所述專利文獻1中公開的現(xiàn)有技術，主要是通過啟動偏向制動器來鎖住機艙的旋轉，以便當由于驟風或臺風引起的強風造成停電時，使機艙保持穩(wěn)定狀態(tài)。因此，當在機艙的旋轉被鎖定在一個穩(wěn)定狀態(tài)下的情況下強風沿著一個斜向的方向吹到葉片上時，由于過大的偏載荷沿著斜向方向作用在葉片上，所以在葉片中經(jīng)常發(fā)生斷裂。
發(fā)明的內容本發(fā)明是鑒于現(xiàn)有技術中的問題而做出的。本發(fā)明的一個目的是提供一種逆風型渦輪，其結構使得它具有一個用于通過一個主軸(風力渦輪軸)來支撐一個風力渦輪機轉子的機艙，所述機艙中裝有一個能量轉換單元、例如一個發(fā)電機和一個用于將主軸的旋轉傳遞給能量轉換單元的傳動機構，并且對它進行支撐，以便在一個豎立于地面或船上的支撐件上于一個水平面中進行旋轉，從而通過即使在吹過強風而停電時仍能避免不均勻的過大載荷、例如沿著斜向方向作用的載荷的作用，而防止葉片斷裂的發(fā)生，并且本發(fā)明涉及該風力渦輪機的操作方法。
采用風力渦輪機的發(fā)電單元具有變大的尺寸，并且風力渦輪機的能力將連續(xù)增強。因而，為減小風力渦輪機的重量和成本，減小空氣動力載荷是絕對必要的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種逆風型風力渦輪機及其操作方法，其中，該風力渦輪機具有一個借助作用在固定于其上的葉片上的風力進行旋轉的轉子和一個通過轉子軸支撐該轉子的機艙，機艙受到支撐以在一個豎立在地面或船上的支撐件上旋轉，可以在一個水平面中自由旋轉，借助所述特征的優(yōu)點，可以減小由因為臺風、旋風或驟風而產(chǎn)生的強大風力施加的臨界載荷(對于風力渦輪機部件的強度造成故障的載荷)。
本發(fā)明解決了前述問題。第一個發(fā)明是逆風型渦輪機，其構成如下，一個風力渦輪機主體，包括一個支撐著的機艙，用以在一個豎立在地面或船上的支撐件上于一個水平面內旋轉；和一個具有多個葉片的轉子，該轉子設置在機艙的前部并且借助風力旋轉，通過一個與所述轉子連接的轉子軸驅動一個待驅動機構、例如一個發(fā)電機，其中，設有一個設置在所述支撐件和所述機艙之間的驅動機構，用于旋轉所述風力渦輪機主體，并且設有一個用于借助朝向順風位置的葉片以在90°和270°之間的任意角度旋轉該轉子的控制器，優(yōu)選地，根據(jù)接受到的風速、轉子旋轉速度和待驅動的機械的異常信號中的至少一個信號，以180°的正順風位置將轉子保持在一個備用條件下。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，所述控制信號是這樣一些信號組合，其中一個信號是檢測作用于葉片上的速度比切斷風速(例如20～25km/h)大的信號，另一個信號是檢測風力渦輪機進入怠速操作狀態(tài)的的信號，該切斷風速作為用于移至怠速操作狀態(tài)的預定參考風速。
進而，優(yōu)選地，所述控制信號是這樣一些信號的組合，其中一個信號是一個檢測作用在葉片上的風速比作為渦輪機支架將要移至一個怠速操作狀態(tài)的參考速度的切斷風速大的信號，另一個信號是檢測風力渦輪機主體進入怠速操作狀態(tài)的信號，再一個信號是檢測作用在葉片上的風速大于用于避免過載且比預定切斷風速大的臨界風速的信號，該臨界風速(移至順風軟支撐位置的平均風速)是由作用在葉片上的風力引起的在風力渦輪機主體的關鍵部分上的應力比從強度角度考慮的風力渦輪機主體的允許臨界應力低大約3～4σ(σ是關于有關材料的疲勞壽命的分散標準偏差)的風速。
在本發(fā)明中，優(yōu)選地，一個用于允許風力渦輪機主體從順風位置返回最初的逆風位置的恢復信號，是一個確定作用在葉片上的風速低于所述臨界風速(移至順風軟支撐位置的平均風速)的信號，其中所述臨界風速高于所述確定用于避免在風力渦輪機主體上產(chǎn)生過載的切斷風速。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，設有一個用于檢測作用在葉片上的風速的風速檢測器，和一個用于檢測主軸的旋轉速度的風力渦輪機旋轉速度檢測器，并且所述控制器設有一個用于對由所述風速檢測器檢測的風速和預定的切斷風速進行比較的裝置，和一個用于當檢測的風速高于切斷風速時、借助從所述風力旋轉速度檢測器輸入的風力渦輪機旋轉速度信號檢測風力渦輪機主體是否處于怠速操作狀態(tài)的裝置。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，一個與所述旋轉驅動機構形成一體的旋轉驅動體設有一個制動裝置，并且當其從一個逆風位置向一個順風位置旋轉時，利用所述制動裝置抑制用于旋轉風力渦輪機主體的旋轉力。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，提供一種偏向制動操作控制裝置，該裝置當處于順風位置時可以將用于固定風力渦輪機主體支撐方向的偏向制動裝置釋放。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，一個發(fā)電單元作為一個被驅動機構連接到所述轉軸上，設有一個用于檢測發(fā)電機停電的停電檢測器，并且所述控制器設有一個用于啟動一個電池的電池控制裝置，以便當從所述停電檢測器輸出發(fā)電單元的停電檢測信號時，使風力渦輪機主體從一個逆風位置向一個順風位置旋轉。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，設有一個偏向馬達，用于繞著支撐在支撐件上的機艙旋轉軸線旋轉風力渦輪機主體，并且執(zhí)行風力渦輪機主體和用于對其旋轉進行制動的偏向馬達制動器的偏向控制(方位控制)，并且，所述控制器允許停止偏向控制、釋放所述偏向制動器，和使要施加的所述偏向馬達啟動，以便在風力渦輪機主體移至一個順風位置之后、允許風力渦輪機主體自然地追隨風的方向。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，將一個發(fā)電機單元作為待驅動機構連接到所述轉子軸上，并且設有一個用于檢測發(fā)電機單元的停電的停電檢測器，一個用于繞著支撐在支撐件上的機艙的旋轉軸線旋轉風力渦輪機主體并對風力渦輪機主體進行的偏向控制(方位控制)的偏向馬達，和一個用于對其旋轉進行制動的馬達制動器，并且，當從所述停電檢測器輸入一個發(fā)電機單元的停電檢測信號時，所述控制器允許釋放所述偏向制動，并且使所述偏向馬達啟動，以便能夠限制機艙從逆風位置向順風位置的旋轉速度。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，將發(fā)電機單元作為一個待驅動的機構連接到所述主軸上，設有一個用于檢測發(fā)電機單元的停電的停電檢測器，并且，當從所述停電檢測器輸入停電信號時，所述控制器允許以低速緩慢釋放所述偏向制動，并且使所述風力渦輪機主體從一個逆風位置向一個順風位置旋轉。
本發(fā)明的第二個發(fā)明是一種逆風型風力渦輪機的操作方法，所述逆風型風力渦輪機包括一個風力渦輪機主體，該風力渦輪機主體包括一個受到支撐以便在一個豎立于地面或船上的支撐件上且在一個水平面中旋轉的機艙、和一個具有多個葉片的馬達，該馬達設置在機艙的前部且借助風力旋轉，通過一個連接到所述轉子上的主軸驅動一個待驅動的機械、例如一個發(fā)電機，其中，使所述具有葉片的轉子以在90°和270°之間的任意角度向著一個順風方向旋轉，以便根據(jù)接收到的風速、轉子的旋轉速度、和待驅動的機械的異常信號中的至少一個信號，將該轉子保持在一個備用條件下。
在本發(fā)明中優(yōu)選地，在風力渦輪機主體進入怠速操作狀態(tài)之后，當檢測到作用在葉片上的風速比作為用于移至怠速操作狀態(tài)的參考風速的切斷風速大時，風力渦輪機主體旋轉90°和270°之間的任意角度。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，根據(jù)一個檢測作用在葉片上的風速大于切斷風速的信號、和一個在檢測到風力渦輪機主體進入怠速操作狀態(tài)之后對最大瞬時風速進行檢測的第三信號，在90°和270°之間旋轉該風力渦輪機架。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，所述第三信號是一個檢測所述第三風速大于最大瞬時風速(移至順風軟支撐位置的風速)的信號，所述風速是作用在風力渦輪機主體上的風力比從強度角度考慮風力渦輪機主體所允許的臨界風力低一定量時的風速。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，當確定在所述備用狀態(tài)下的最大瞬時風速等于或低于最大瞬時風速(移至順風軟支撐位置時的風速)之后，風力渦輪機主體從順風位置中的怠速操作狀態(tài)返回到初始的逆風位置，所述后一最大瞬時風速是作用在風力渦輪機主體上的風力比從強度角度考慮風力渦輪機主體所允許的臨界力低一定量時的風速。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，通過所述風力渦輪機旋轉速度檢測信號檢測所述怠速操作狀態(tài)。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，當風力渦輪機主體從一個逆風位置向一個順風位置旋轉時，利用一個制動裝置抑制用于旋轉風力渦輪機主體的力。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，釋放用于對風力渦輪機主體的旋轉進行制動的偏向制動器，以便在其移動至順風位置之后，允許該主體保持可以隨著風向自由擺動的備用狀態(tài)下。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，在移至一個順風位置之后，執(zhí)行用于根據(jù)風向改變風力渦輪機主體方向的偏向控制(方位控制)。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，釋放偏向制動器，并且允許風力渦輪機主體隨著風自由地向一個順風位置旋轉，同時啟動一個偏向馬達制動器，以便對一個偏向馬達的旋轉進行制動，所述偏向馬達的結構使其繞著支撐件旋轉風力渦輪機主體，并且執(zhí)行風力渦輪機主體的偏向控制(方位控制)。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，在所述具有作為從動機構而連接到主軸上的發(fā)電機的逆風型風力渦輪機的操作中，當輸入發(fā)電機單元的停電信號時，以90°和270°之間一個任意的角度旋轉該風力渦輪機主體。
進而，在本發(fā)明中優(yōu)選地，當檢測到具有作為從動機構連接到主軸上的發(fā)電機的所述風力渦輪發(fā)電單元停電時，釋放用于對所述風力渦輪機主體的旋轉進行制動的偏向制動器，啟動一個電池，以便繞著支撐件旋轉風力渦輪機主體，同時啟動一個偏向馬達，以便對偏向馬達的旋轉進行制動，所述偏向馬達使風力渦輪機主體繞著支撐件旋轉并且執(zhí)行風力渦輪機主體的偏向控制(方位控制)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在正常操作中，該風力渦輪機按照風向旋轉以便受到控制，從而使葉片的旋轉面始終與風向相對。
另一方面，當從風速檢測器向控制器輸入的檢測風速高于在控制器中預先設定的切斷風速，并且在驟風或強風作用在風力渦輪機上的情況下、從風力渦輪機旋轉速度檢測器輸入的風力渦輪機旋轉速度變成怠速操作狀態(tài)下的速度時，控制器允許風力渦輪機主體從逆風位置旋轉一個90°和270°之間的角度以轉移到順風位置，并且保持在備用狀態(tài)下。
當風力渦輪機處于葉片旋轉平面位于支撐件的順風方向的順風位置上時，以沿著與葉片旋轉平面傾斜的方向吹的風發(fā)揮作用，以便使轉子的主軸指向風的方向，從而當產(chǎn)生驟風或強風時，允許逆風型渦輪機向著順風方向移動，優(yōu)選移動至一個完全順風的位置，并且在該處保持備用狀態(tài)，該風力渦輪機可以跟隨風向而不需要專門的偏向控制。
借此，即使當驟風或強風沿斜向方向作用在葉片上時，允許風力渦輪機主體自動地跟隨風的方向、并且避免不均勻的過大載荷沿著斜向方向作用在葉片上，從而防止由于過載造成葉片損壞。
進而，根據(jù)本發(fā)明，在風力渦輪機主體借助一個控制裝置從一個逆風位置向一個順風位置移動并且固定在該處之后，通過釋放偏向制動器并且將其保持在釋放狀態(tài)下，可以提高風力渦輪機主體追隨風向改變的自由度，并且，當強風沿斜向方向吹到葉片上時，可以更可靠地避免不均勻的過大載荷作用在葉片上。
根據(jù)本發(fā)明，還可以進行偏向控制，即，與處于逆風位置中時類似，在風力渦輪機主體移至一個順風位置之后，根據(jù)風向改變風力渦輪機主體的方向。
進而，根據(jù)本發(fā)明，在當由于驟風或強風導致發(fā)電設備故障而產(chǎn)生停電而使偏向控制變?yōu)椴豢赡艿那闆r下，可以利用控制器接通電池，允許借助電池的能量使該風力渦輪機主體從一個逆風位置向順風位置旋轉一個90°～270°的角度，優(yōu)選利用電池能量從逆風位置向完全順風位置旋轉180°，并且在該處保持備用狀態(tài)，并且隨后釋放偏向制動器。因此，通過利用電池的能量將風力渦輪機移動至一個順風位置并隨后釋放偏向制動器，風力渦輪機機架可以隨風向自由改變，而不需要設置特定的電源，并且當強風吹沿著斜向方向吹到葉片上時，可以避免不均勻的過大載荷作用在葉片上。
如果一個逆風型渦輪機這樣構成，使得當作用在葉片上的風速高于切斷速度時，風力渦輪機主體從一個逆風位置向一個順風位置移動，所述切斷速度是用于向一個怠速操作狀態(tài)改變的參考風速，當風速強烈地波動時，頻繁地產(chǎn)生一種狀態(tài)，即，被檢測風速的平均值超過預定的切斷風速(平均值)，并且在每次產(chǎn)生上述條件時都需要將風力渦輪機主體從一個逆風位置移動至一個順風位置，從而造成風力渦輪機的操作效率大大下降。
然而，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)與考慮到風力渦輪機強度的最大允許載荷一致的最大瞬時風速(臨界風速)檢測第三風速，該第三風速大于作為用于移動至怠速操作狀態(tài)的參考風速的切斷風速，并且，當風力渦輪機的旋轉速度處于空轉操作狀態(tài)時，當作用在葉片上的風速變得高于臨界風速(用于移動至順風軟支撐位置的平均風速)時，可以利用控制器將該風力渦輪機主體從一個逆風位置移動至一個順風位置并釋放偏向制動器。
為了更加明確，根據(jù)本發(fā)明，即使當風速劇烈波動時，在所述臨界風速下使風力渦輪機主體從一個逆風位置向一個順風位置移動，所述臨界風速是與作用在葉片上的風力所產(chǎn)生的風力渦輪機主體關鍵部位上的應力達到風力渦輪機主體強度允許值時的風速相應的最大瞬時風速，該值比風力渦輪機強度的臨界允許值小3～4σ(σ是前面解釋過的標準偏差)，從而，在進入怠速操作狀態(tài)之后，該風力渦輪機主體不會立即從逆風位置向順風位置移動，而是僅當實際風速超過考慮到風力渦輪機主體的強度而確定的所述最大允許瞬時風速時才移動。
因此，根據(jù)本發(fā)明，即使當風速劇烈波動時，也可以避免機艙從逆風位置向順風位置頻繁移動，并且可以僅在實際風速超過最大允許瞬時風速時，使機艙溫和地從逆風位置向順風位置移動，并且充分提高了風力渦輪機主體的可控性。
如前面所述，當本發(fā)明的風力渦輪機處于一個順風位置中時，葉片的旋轉平面位于支撐件的順風位置上，并且以沿著與葉片的旋轉平面傾斜的方向吹的風發(fā)揮作用，以便使主軸朝向風的方向。
因此，在正常操作中，通過在正常操作中移動至順風位置之后停止偏向控制，并且當發(fā)生停電時允許機艙自然地追隨風向，即使不均勻載荷傾斜著作用在葉片上，由于不需要特殊控制即可產(chǎn)生作用于葉片上的矯正轉矩，所以葉片的旋轉平面會自動地追隨風向，并且可以防止由于不均勻載荷造成葉片和旋轉部件的損傷。
然而，如果釋放偏向制動器和偏向馬達制動器以允許風力渦輪機主體自然地隨著風向朝向順風方向，則由于機艙的旋轉被沿著增加轉速的方向傳遞給偏向馬達，所以偏向馬達會借助所述矯正轉矩的作用以過大的旋轉速度旋轉，而偏向馬達對機艙的驅動是減小旋轉速度的，并且偏向馬達會由于過大的旋轉速度而受到損傷。
根據(jù)本發(fā)明，在將風力渦輪機移動至一個順風位置之后，應用用于對偏轉馬達的旋轉進行制動的馬達制動器，以便適當限制偏向馬達的旋轉速度，從而避免像上面所述的那樣產(chǎn)生過大的偏向馬達旋轉速度，并防止由于過大的旋轉速度造成偏向馬達受損。
進而，根據(jù)本發(fā)明，當強風作用在葉片上時，通過從一個逆風位置移動至一個順風位置時逐漸地釋放偏向制動器，風力渦輪機主體可以向著一個順風位置平穩(wěn)移動，而不會在偏向控制裝置、例如偏向馬達上作用過大的力。
進而，根據(jù)本發(fā)明，在從一個逆風位置移動至一個順風位置之后，通過確定用于返回逆風位置的返回點風速，該返回點風速將是一個在臨界風速和切斷風速之間的中間風速，在位置改變循環(huán)、即逆風→順風→逆風循環(huán)中造成滯后，并且不會由于風速中的較小變化而將機艙移動返回到相反的位置上，從而形成從逆風位置向順風位置的穩(wěn)定移動。
附圖的簡單說明圖1是根據(jù)本發(fā)明第一個實施例的具有控制裝置的逆風型風力渦輪機的側視圖。
圖2是用于控制第一個實施例的風力渦輪機的框圖。
圖3是解釋風力渦輪機從一個逆風位置向一個順風位置移動的圖示。
圖4是用于控制圖1的風力渦輪機的基本框圖。
圖5(A)是根據(jù)本發(fā)明第二個實施例的具有控制裝置的逆風型風力渦輪機的側視圖，圖5(B)是圖5(A)的Y部分的放大視圖。
圖6是在第二個實施例的情況中用于控制從一個逆風位置向一個順風位置的位置移動的框圖。
圖7是用于控制第二個實施例的風力渦輪機的基本框圖。
圖8是第二個實施例的控制流程(1)。
圖9是第二個實施例的控制流程(2)。
圖10是第二個實施例的控制流程(3)。
圖11是偏向控制裝置的透視圖。
圖12是偏向馬達和馬達制動器的示意剖視圖。
圖13是用于解釋風力渦輪機的動作的圖示，(A)是一個示意平面圖，(B)是一個示意側視圖。
圖14是表示偏向制動器的結構的透視圖。
圖15是表示節(jié)距控制裝置的主要部分的剖視圖。
優(yōu)選實施例的詳細說明現(xiàn)在，將參照附圖描述本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。然而，除非有特殊的說明，否則在實施例中的尺寸、材料、相對位置以及前述構成部件應當僅作為示例來解釋，而不能限制本發(fā)明的范圍。
參照表示本發(fā)明第一個實施例的圖1，參考標號100是一個逆風型風力渦輪機。一個設有多個葉片101的轉子105位于一個機艙102的前部，即支撐在一個支撐件106上的機艙102的旋轉軸線104的前向，該轉子105可以借助風力旋轉，并且借助所述葉片101產(chǎn)生的旋轉力，通過一個連接到所述轉子105上的主軸103驅動一個裝在機艙102內的從動機械、例如一個發(fā)電機。
多個葉片101以恒定的間隔安裝在所述轉子105的外周上。通過一個節(jié)距控制裝置(在附圖中未示出)可以改變各葉片101的節(jié)距角。
在日本專利申請公開No.5-149237和No.7-4333等中公開了可改變節(jié)距的機構。在此將參照圖15對可改變節(jié)距角的機構進行解釋。一個用于控制節(jié)距角的伺服馬達321被固定在一個風力渦輪發(fā)電機的中空馬達105的中間部分上。
一個主斜齒輪313a安裝到在轉子105內延伸的馬達軸312a上。一個葉片101借助一個葉片軸承316安裝到所述轉子105上，并且一個副斜齒輪314a安裝到所述葉片的根部側上。副斜齒輪314a的位置使其旋轉軸線與所述主斜齒輪313a的旋轉軸線垂直。副斜齒輪314a的旋轉軸線與葉片101的旋轉軸線重合，并且葉片101可以通過所述葉片軸承6相對于轉子105旋轉。
采用按上述構成的可改變葉片節(jié)距角的機構320，當改變葉片101的節(jié)距角，以便控制由風力渦輪機產(chǎn)生的電能時，以從圖中未示出的控制裝置而來的指令驅動伺服馬達312，以便沿著指示方向旋轉主斜齒輪313a。主斜齒輪313a與副斜齒輪嚙合，以便各副斜齒輪314a以相同的角度沿著相同方向旋轉，副斜齒輪的數(shù)量與葉片101的數(shù)目相同，例如可以為三個。因此，三個葉片101的每一個以相同的節(jié)距角旋轉。
當主斜齒輪313a與三個副斜齒輪314a嚙合時，各葉片101可以以相同的節(jié)距角旋轉。
可改變節(jié)距角的機構是通過將一個液壓缸和連桿機構結合起來構成的，或者各個葉片由單獨的馬達驅動的結構也可以作為所述可改變節(jié)距的機構。
參照圖1，所述主軸103的輸出側端部與一個圖中未示出的發(fā)電機(除發(fā)電機之外還可以為其它任何用于能量再生的從動機械)連接起來。機艙102裝有運動部件、例如所述主軸103和軸承，以及所述發(fā)電機等。參考標號106是一個豎立在地面或船上的支撐件。該機艙102安裝在支撐件106上，以便在一個水平面中旋轉。
參考標號1是一個固定于所述機艙102下部上的環(huán)形齒輪(內齒輪)，參考標號2是一個小齒輪，借助一個軸承由所述支撐件106支撐用以進行旋轉，并且與所述環(huán)形齒輪1嚙合。
通過旋轉所述小齒輪2以旋轉與該小齒輪嚙合的環(huán)形齒輪，可以將所述機艙102繞著所述機艙的旋轉軸線旋轉360°，利用一個偏向馬達30通過一個減速齒輪31(參見圖11)旋轉所述被驅動旋轉的小齒輪，偏向馬達30的操作受到一個機艙驅動裝置4的控制。
參考標號5是一個位于所述機艙102內的電池。
與這個例子相反，如后面所述，也可以將環(huán)形齒輪固定到支撐件106的頂部上，并且小齒輪2和偏向馬達30可以安裝到機艙102上。
參考標號3是一個用于對所述機艙102的旋轉進行制動的偏向制動器。該偏向制動器如圖14所示。其結構在本領域中是已知的。參照圖14，偏向制動器3用于鎖定風力渦輪機主體100A，該風力渦輪機主體100A由葉片101、一個轉子105、一個主軸和一個機艙102構成。一個旋轉座軸承312位于支撐件106的頂面和安裝在支撐件106之上的風力渦輪機主體100A之間，一個制動盤304安裝在支撐件106和軸承312之間，并且一個液壓致動盤制動單元310具有一個液壓缸301a、301b和一個夾持制動盤304的制動卡鉗308。通過從上、下側對制動盤加壓，對風力渦輪機主體100A相對于支撐件106的旋轉進行制動。
在圖1中，參考標號6是一個用于檢測作用在葉片101上的風速的風速檢測器，標號7是一個用于檢測主軸103的旋轉速度的旋轉速度檢測器，標號8是一個用于檢測包括風力渦輪機100和發(fā)電機的風力渦輪發(fā)電機是否停電(當由于發(fā)電機或電路異常而產(chǎn)生斷路時)的停電檢測器，標號10是一個控制器。
由所述風速檢測器6檢測到的風速信號、由所述旋轉速度檢測器7檢測到的渦輪機主軸103的旋轉速度信號和發(fā)電機的停電信號被輸入給控制器。該控制器10根據(jù)所述信號進行計算，并且控制所述機艙驅動裝置4、偏向制動器3和電池5的操作。
采用逆風型風力渦輪機100的這種結構，在通常的操作中，利用所述控制器100和機艙驅動裝置4將機艙102的位置設置到一個向前的位置上，在該位置中，葉片101定位于機艙104旋轉軸線的向前的方向，即如圖1和圖3中點劃線所示的一個逆風位置上。當風向偏轉超過一個預定偏離角度時，釋放偏向制動器，以便允許機艙與風向一致地在一個水平面中繞著旋轉軸線104旋轉預定的角度，因此，執(zhí)行偏向控制(方位控制)，用于反抗風力將風力渦輪機引導至一個適當?shù)奈恢蒙?。即，由葉片101、轉子105和機艙102構成的風力渦輪機主體100A始終固定在與風向偏離一個預定角度的范圍內，并且當風向偏轉超過預定偏轉量時，釋放偏向制動器，并且使風力渦輪機主體100A旋轉，以便將其固定到一個在與風向偏離預定角度范圍內的成角度位置上。
下面，參照表示控制框圖的圖2和表示基本控制框圖的圖4，說明當由于臺風等而產(chǎn)生驟風或強風時，逆風型風力渦輪機的操作方法。
將由所述風速檢測器6檢測出的風速輸入到控制器10的一個風速比較部12中。參考標號11是一個切斷風速設定部，在其中設定切斷風速，該切斷風速是移至怠速操作狀態(tài)時的參考風速，即，當風力渦輪機100到發(fā)電機的連接被切斷以便使發(fā)電機的工作停止時的限制風速(例如25m/s)。在所述風速比較部12中將所述檢測到的風速與切斷風速進行比較，并且將比較結果輸出給一個機艙方向控制部13(圖4中的步驟(1))。
由所述旋轉速度檢測器7檢測到的風力渦輪機旋轉速度(主軸103的旋轉速度)被輸入給所述機艙方向控制部12。
該機艙方向控制部13向所述機艙驅動裝置4輸出一個操作信號，以便當所述檢測到的風速大于切斷速度且風力渦輪機根據(jù)檢測到的風速處于怠速操作狀態(tài)中時，將該機艙旋轉至一個順風方向(逆風位置是當帶有葉片101的轉子105位于機艙旋轉軸線104的上游時的位置，而順風位置是當轉子105位于機艙旋轉軸線104的下游側(位于偏離風向90～270°、優(yōu)選180°處)時的位置)(圖4的步驟(2))。
機艙驅動裝置4允許機艙102在一個水平面中繞著旋轉軸線104旋轉180°，以便根據(jù)所述操作信號，借助所述小齒輪2和環(huán)形齒輪1，從圖3中的點劃線所示的位置向實線所示的向后位置移動(圖4的步驟(3))。
通過這一操作，風力渦輪機主體100A到達一個順風位置并且被固定在該處(圖4的步驟(4))。
返回圖2，參考標號15是一個偏向制動器操作控制部，在風力渦輪機主體100A位于一個將要固定在該處的順風位置之后，可以通過向用于釋放偏向制動器的偏向制動器操作裝置16發(fā)送一個信號來釋放偏向制動器3。通過這樣的操作，釋放偏向制動器13，并且機艙102和葉片101可以根據(jù)風向自由改變方向。
因此，根據(jù)本實施例，當驟風或強風吹到葉片上時，機艙旋轉，從而葉片的旋轉面位于一個順風位置中，即，沿著風向的機艙旋轉軸線朝向下游側位置，并且被偏向制動器3固定在該位置上，然后，釋放偏向制動器。因而，如果風斜著吹到葉片101的旋轉平面上，則具有葉片101的轉子105的旋轉軸線指向風的方向，并且風力渦輪機可以對風向作出響應而不需要專門的偏向控制。
因此，即使當驟風或強風斜著吹到葉片101上時，轉子105也可以自動對風向作出響應，可以避免不均勻的過大載荷沿斜向方向作用在葉片101。
特別地，通過在將風力渦輪機定位并固定在一個順風位置中之后釋放偏向制動器，風力渦輪機主體100A變得易于自由追隨風向的改變，并且當強風沿著斜向方向吹到葉片101上時，可以更加可靠地避免不均勻的過大載荷沿斜向方向作用在葉片101上。
進而，在當由于臺風或颶風等吹過而造成驟風或強風時，由于發(fā)電機的操作失敗產(chǎn)生停電，這時偏向控制器不再工作，利用停電檢測器檢測出停電(圖4的步驟(5))，并且將停電信號輸入給一個所述控制器10的電池控制部14和所述偏向制動器操作控制部15，以使它們工作。
具體而言，所述電池控制部14可以根據(jù)接收到的停電信號啟動電池5(圖4的步驟(6))，并且，利用從電池而來的能量以與前面有關機艙方向控制部13的描述中類似的方式將機艙102從一個逆風位置旋轉180°到達一個順風位置，并且將其固定在該處，以便將風力渦輪機主體100A固定在順風位置上。
在風力渦輪機主體100A進入備用狀態(tài)之后，偏向制動操作控制部15向偏向制動操作裝置16輸出一個操作信號，以便釋放制動器。采用這樣的操作，將偏向制動器3釋放，并且通過根據(jù)風向在一個水平面中旋轉，包含機艙102和葉片101的風力渦輪機主體100A可以自由地改變其支承方向。
因此，根據(jù)該實施例，當在臺風、颶風等吹過而引起驟風或強風時，由于發(fā)電機的操作故障而產(chǎn)生停電且偏向控制不能工作，這時利用電池控制部14啟動電池5，從而將機艙102從一個逆風位置移動至一個順風位置，并且將風力渦輪機固定在順風位置中，然后通過偏向制動操作控制部和偏向制動操作裝置16釋放偏向制動器。因而，即使由于臺風、颶風等引起的驟風或強風導致停電，通過將風力渦輪機主體100A移動至一個順風方向并將其固定在該處、然后釋放偏向制動器3，仍可以使風力渦輪機隨著風向自由改變，而不需要設置專門的電源。
將副電池或太陽能電池作為所述電池應用。在副電池的情況下，總是利用容納在機艙102中的發(fā)電機充電。
參照表示本發(fā)明第二個實施例的圖5，參考標號100是一個類似于第一個實施例的逆風型風力渦輪機。一個風力渦輪機主體100A安裝在豎立于地面上的支撐件106上，以便在一個水平面中旋轉。參考標號105是一個轉子，在其外周上沿圓周方向以等間距安裝有多個葉片101，并且，可以改變葉片的節(jié)距角。參考標號103是一個安裝到所述轉子105上的主軸，并且其輸出側端由一個離合器301連接到一個發(fā)電機300(可以是一個除發(fā)電機300以外的從動機構、例如一個壓縮機或泵)。參考標號102是一個機艙，其中裝有運動部件、例如主軸103和軸承，和所述發(fā)電機300等，標號106是一個支撐件，所述機艙102支撐于其上，以便在一個水平面中繞旋轉軸線104旋轉。
參考標號3是用于對機艙102的旋轉進行制動的偏向制動器，標號5是一個位于機艙102中的電池。
參照圖5(A)和(B)，參考標號1是一個固定于支撐件106頂部上的環(huán)形齒輪(內齒輪)，標號2是一個由中間軸承32支撐用于被機艙102旋轉、且與所述環(huán)形齒輪1嚙合的小齒輪。利用一個由機艙驅動裝置4控制的偏向馬達30、通過一個減速齒輪31旋轉小齒輪2。通過允許小齒輪2與環(huán)形齒輪1嚙合、以便借助環(huán)形齒輪1的旋轉而繞旋轉軸線104旋轉，所述機艙102可以繞著機艙102的旋轉軸線104旋轉360°。參考標號20是一個用于對所述偏向馬達30的旋轉進行制動的馬達制動器。
稍后將說明所述偏向馬達30、減速齒輪31和馬達制動器20。
在圖11所示的實施例中，盡管兩個偏向馬達30設置在相對于機艙旋轉軸線對稱的位置上，也可以設有一個或三個、或者超過三個的偏向馬達。
參考標號6是一個用于檢測作用于葉片101上的風速的風速檢測器，標號7是一個用于檢測主軸103的旋轉速度的旋轉速度檢測器，標號8是一個用于檢測風力渦輪發(fā)電機單元是否停電的停電檢測器，所述風力渦輪發(fā)電機單元包括容納在風力渦輪機主體100A的機艙102中的發(fā)電機30，并且標號10是一個用于控制風力渦輪發(fā)電機支架100A繞機艙102的旋轉軸線104的旋轉的控制器。
由所述風速信號檢測器6檢測的風速信號、由所述旋轉速度檢測器7檢測的渦輪機主軸103的旋轉速度信號、和由停電檢測器8檢測的風力渦輪發(fā)電機單元的停電信號被輸入給所述控制器10。該控制器10根據(jù)所述檢測信號進行計算，并且控制所述機艙驅動裝置4、用于操作偏向制動器3的偏向制動操作裝置16、用于操作馬達制動器20的馬達制動操作裝置25和電池的操作。
在圖12中詳細表示出了由所述偏向馬達30、減速齒輪31、馬達制動器20等構成的偏向馬達系統(tǒng)。
在該附圖中，所述偏向馬達30由一個轉子30和一個定子線圈30b構成。參考標號30c是一個連接到所述轉子30a上的輸出軸，標號31是一個包括第一級減速齒輪31a和第二級減速齒輪31b的行星齒輪式兩級減速齒輪。減速齒輪31的輸出軸31c連接到小齒輪2上。
參考標號20a是馬達制動器20的制動閘瓦，標號20b是一個電磁線圈，標號20c是一個將所述制動閘瓦20a推靠在所述轉子30a上的彈簧，標號20d是一個用于調節(jié)所述彈簧20c的彈簧力、即用于調節(jié)所述制動閘瓦20a推靠在所述轉子30a上的力的調節(jié)螺栓。利用由彈簧20c施加的力、或者利用由電磁線圈20b反抗彈簧力所施加的電磁力，使該制動閘瓦20a相對于轉子30a的頂部錐面被推靠在其上或與其分離。
通過由第一減速齒輪31a和第二減速齒輪31b構成的所述兩級行星齒輪式減速齒輪31，減小所述偏向馬達30的旋轉速度，以便旋轉連接在輸出軸31c上的小齒輪2。由于與固定在支撐件106上的環(huán)形齒輪1嚙合的小齒輪2的旋轉，使得機艙102旋轉。
在正常的操作中，利用電磁線圈20b的電磁力向上拉動所述制動閘瓦20a，以便使其與轉子30a分離，并且馬達制動器20處于釋放狀態(tài)。
為了進行制動，切斷通向所述電磁線圈20a的電流，以便使電磁力消失，然后，利用彈簧20c的彈簧力將制動閘瓦20a向下推靠在轉子30a上，對轉子30a的旋轉進行制動。
下面，將參照圖6至圖10說明在第二個實施例的情況下的操作。
在正常的操作中，通過釋放或利用偏向制動器3和馬達制動器，實施偏向控制。更具體地說，包括葉片101、轉子105和機艙102的風力渦輪機主體100A的偏向控制(方位控制)按下述方式進行當由風向檢測器檢測出的風向和機艙位置的支承方向之間的偏轉角度大于一個預定角度時，將機艙102固定在一個逆風位置上，以便所述葉片101位于機艙的旋轉軸線104的上游，釋放所述偏向制動器3，以便使機艙在一個水平面中與風向一致地繞旋轉軸線104旋轉預定的角度，然后，作用偏向制動器3，以便將風力渦輪機主體固定在葉片旋轉平面正好朝向風向的位置上。
當由于臺風或颶風引起驟風或強風時，按下述方式實施逆風型風力渦輪機100從一個逆風位置向一個順風位置的移動(圖7和圖8的步驟(1))將由風速檢測器6檢測出的風速輸入給控制器10中切斷風速比較部12(圖8的步驟(1-1))。參考標號11是一個切斷風速設定部，其中，一個切斷風速、即通過釋放風力渦輪機100的主軸103和發(fā)電機之間的連接而使欠載操作停止時的極限風速(例如20～25m/s)。
對所述檢測到的風速V與所述切斷風速Vc進行比較，如果檢測風速V大于切斷風速Vc(當V＞Vc時)，Vc是將操作從欠載狀態(tài)向怠速狀態(tài)轉變時的參考風速，則將比較結果信號輸入給一個怠速控制部012(圖7和8的步驟(2))。根據(jù)從怠速控制部012接收的信號使發(fā)電機300的離合器301分離，以便釋放主軸103與發(fā)電機300的連接，將風力渦輪機轉入怠速操作(圖8的步驟(2-1))。
當檢測到的風速V等于或小于切斷風速Vc(當V≤Vc時)時，通過使離合器嚙合而返回到逆風位置中的正常的欠載操作狀態(tài)(圖7和8中的步驟(2))。
是否進行怠速操作是通過下述步驟進行判斷的
從旋轉速度檢測器7接收到的風力渦輪機的檢測旋轉速度(主軸的旋轉速度)被輸入給一個機艙方向控制部13(圖8的步驟(2-3))。
機艙方向控制部13根據(jù)風速渦輪機旋轉速度中的變化，判斷風力渦輪機是否處于怠速操作狀態(tài)(圖7和8中的步驟(3))。當其處于怠速操作狀態(tài)下時，從風速檢測器6而來的信號被輸入給一個DWSS(用于移至順風軟支撐位置的風速)比較部21(圖8的步驟(3-1))。
參考標號22是一個DWSS風速設定部，其中設定有一個根據(jù)最大允許瞬時風速確定的DWSS風速Vd(用于移至順風軟支撐位置的風速，例如為22～30m/s)，所述最大允許瞬時風速對應于由作用于葉片上的風力引起的風力渦輪機主體的關鍵部位上的應力比從強度角度考慮的風力渦輪機主體所允許的臨界應力低3～4σ(σ是關于有關材料疲勞壽命的分散標準偏差)時的風速。
在DWSS風速比較部21中對所述檢測風速V與所述DWSS風速Vd進行比較，如果檢測風速V大于DWSS風速Vd(當V＞Vd時)，則將比較結果信號輸入給機艙方向控制部13(圖7和8的步驟(4))。在證實了怠速操作狀態(tài)之后，再次檢測風速(圖8的步驟(3-1))，并且如果檢測風速V等于或小于所述DWSS風速Vd(當V≤Vd時)，操作返回正常的偏向控制操作。
當從所述DWSS輸入的比較結果為檢測風速V大于DWSS風速Vd(V＞Vd)時，機艙方向控制部13確定旋轉速度在怠速速度范圍內(圖7和8的步驟(3))，然后向機艙驅動裝置4輸出一個操作指令，用以移至順風位置。
如圖3所示，機艙驅動裝置4允許機艙102根據(jù)所述操作信號8借助小齒輪和環(huán)形齒輪旋轉180°，從一個由點劃線表示的逆風位置向后移動至一個由實線表示的順風位置(圖7和8的步驟(5))。通過這一操作，風力渦輪機主體100A被旋轉至順風位置(圖7的步驟(6))。
然后，在風力渦輪機主體處于所述順風位置的情況下檢測風速V(圖8的步驟(5-1))，并且將該風速V與自然追隨風向的風速Vf進行比較，所述風速Vf比DWSS風速大(圖8的步驟(20))。
如果風速V大于所述用于自然追隨風向的風速Vf，則進行下述控制由于以葉片的旋轉面與風向相對地取向且在一個逆風位置上進行偏向制動的方式操作風力渦輪機，當由機艙控制部13向機艙驅動裝置4輸入一個用于移動至順風位置的操作信號時，偏向制動操作控制部15向偏向制動操作裝置16輸出一個用于釋放偏向制動3的信號。當接收到該信號時，偏向制動操作裝置16使偏向制動器3被釋放(圖7和8的步驟(7))。
參考標號24是一個馬達制動操作控制部，當由機艙方向控制部13向機艙驅動裝置4輸出一個用于移動至順風位置的操作信號時，該馬達制動操作控制部向一個馬達制動操作裝置25輸出一個用于使馬達制動器20對偏向馬達30進行制動的指令信號。
當接收到該信號時，馬達制動器操作裝置25切斷向圖12中所示的馬達制動器20的電磁線圈20b的電流通路，借此消除線圈20b的電磁力，并且利用彈簧20c的彈簧力將制動閘瓦20a壓在轉子30a上，以便抑制轉子的旋轉(圖8的步驟(8))。
在馬達制動器20工作的條件下，在順風位置上進行自然追隨風向的操作(圖7和8的步驟(9))。
利用調節(jié)螺栓20d調節(jié)制動閘瓦20a對轉子30a的壓力(參見圖12)，以便馬達制動器20的制動力強度使其允許機艙102自然追隨風向，并且當在所述自然追隨風向的狀態(tài)下操作該風力渦輪機時，不會由于方向不均勻的強風的風力造成的不均勻轉矩作用于在葉片101上而導致偏向馬達受到損壞。
所述轉矩用于旋轉機艙，所述機艙借助小齒輪和環(huán)形齒輪連接到偏向馬達30上。如果通過釋放偏向制動器3和馬達制動器20來允許機艙自然追隨風向，則由作用于葉片101上的強風的風力導致的過大轉矩的作用，使得沿著一個轉速增加的方向旋轉該偏向馬達30，并且過大的轉速會導致偏向馬達30的損壞。
因此，在該實施例中，通過適當限制偏轉馬達30的轉速和旋轉角，避免偏轉馬達產(chǎn)生過高的旋轉速度，并且防止偏向馬達損壞。
當風速V等于或小于用于自然追隨風向的風速Vf(當V≤Vf時)，如在風力渦輪機的逆風位置中那樣，按下述方式進行偏向控制在該偏向控制中，以預定的時間間隔檢測風向(圖8的步驟(21))。當風向的變化大于一個預定偏差時(圖8的步驟(22)，釋放偏向制動器3，并且通過啟動偏向制動器3，機艙102在一個水平面中繞著旋轉軸線104旋轉一個預定的角度，以便葉片的旋轉平面正好對著風向，并且被固定在該處(圖8的步驟(23)、(24))。
如上所述，在該偏向控制中，包括葉片101、一個轉子105和一個機艙102的風力渦輪機主體100A始終固定在與風向相對的預定角度范圍內，并且當風向相對于葉片旋轉平面的偏轉角度超過預定值(表面方向表示一個垂直于表面的方向)時，釋放偏向制動器，以便旋轉風力渦輪機主體100A，從而使其朝著與風向相對的方向并固定在那里。
另一方面，由于在發(fā)電機或電路中的故障而產(chǎn)生停電，并且利用偏向馬達30的旋轉進行的偏向控制變?yōu)椴豢赡?圖7和8的步驟(10))，由停電檢測器8檢測出停電，并且向電池控制部14輸入該檢測信號。
該電池控制部14向電池5的開關發(fā)送一個電池能量輸入信號，以便將其接通，從而從電池5向控制器一側輸入電能(圖7和8的步驟(11))，并且，如由機艙方向控制部13所作的類似，機艙102從一個逆風位置向后側旋轉180°以便移動至一個順風位置(圖7和8的步驟(5))。
當馬達制動器20的電磁線圈20b由于停電而未被激活時，如前面所述，自動啟動馬達制動器20。
通過進行上述操作，利用馬達制動器20進行適當制動時，其制動程度不會由于過大的轉矩導致偏向馬達30產(chǎn)生損傷，以風力渦輪機主體100A自然地追隨風向的方式操作風力渦輪機。
如上所述，根據(jù)第二個實施例，當作用在葉片101上的風速大于切斷風速Vc時，使風力渦輪機空轉，然后當作用在葉片101上的風速大于根據(jù)最大瞬時風速(瞬時最大風速對應于當由作用在葉片上的風力引起的風力渦輪機主體的關鍵部位上的應力比從強度角度考慮的風力渦輪機主體的允許臨界應力低3～4σ(σ是前面說明的標準偏差)時的風速)確定的DWSS風速Vd時，該控制器10借助機艙驅動裝置4使機艙102從一個逆風位置向一個順風位置移動，釋放該偏向制動器3，并且利用馬達制動器20的適當?shù)闹苿恿ο拗茩C艙的旋轉。
因此，由于當風速超過切斷風速時，風力渦輪機首先進入怠速操作狀態(tài)，然后當風速等于根據(jù)從強度角度考慮的風力渦輪機主體允許的最大瞬時風速所確定的DWSS風速Vd時，機艙102從一個逆風位置向一個順風位置移動，所以即使當風速強烈波動時，也不需要機艙102從一個逆風位置向一個順風位置頻繁地移動。
由于即使當風速強烈波動時也可以避免機艙102從一個逆風位置向一個順風位置的頻繁移動，并且僅當實際平均風速超過最大允許瞬時風速時機艙可以從一個逆風位置向一個順風位置溫和地移動，所以充分提高了風力渦輪機主體100A的可控性。
圖9表示當移動至一個順風位置的機艙102返回一個逆風位置時的控制流程。
參照圖9，當如上所述在一個順風位置中自然追隨風向操作的風力渦輪機主體100A返回到一個逆風位置時(圖9的步驟(9))，對風速進行檢測(圖9的步驟(10))，并且當檢測風速V等于或小于用于返回逆風位置的風速Ve(當V≤Ve時)時(圖9的步驟(11))，偏向制動器3被釋放(圖9的步驟(12))，并且馬達制動器20也被釋放(圖9的步驟(13))，以便允許機艙102旋轉，從順風位置向逆風位置移動(圖9的步驟(14))。
在返回逆風位置之后，在正常的偏向控制下操作風力渦輪機，同時以預定的時間間隔重復風速的檢測，并且利用釋放的馬達制動器20重復進行偏向制動器的釋放和固定。
更具體地說，如圖9所示，以預定的時間間隔檢測風速(圖9的步驟(219))。當風向超過預定角度偏差(圖9的步驟(22))時，釋放偏向制動器3，并且使機艙102在水平面上繞著旋轉軸線104旋轉預定的角度，到達葉片的旋轉面完全面對風向的位置(圖9的步驟(24))，并且進行偏向制動控制，用以進行偏向制動，以便將機艙固定定位(圖9的步驟(23))。
在從一個逆風位置移動至一個順風位置之后的用于返回逆風位置的風速Ve被確定為低于DWSS風速Vd和切斷風速Vc之間的中間速度。
通過確定Ve，在位置改變循環(huán)、即逆風→順風→逆風循環(huán)中產(chǎn)生滯后，并且機艙不會由于風速的較小變化而移動返回到相反側，使得從逆風位置向順風位置的移動變得穩(wěn)定。
圖10表示當在逆風位置中操作時產(chǎn)生停電的情況下、從一個逆風位置向一個順風位置移動的控制流程的另一個例子。
在圖10中，當在一個逆風位置(圖10的步驟(1))中操作時、從停電檢測器8(圖10的步驟(15))發(fā)送一個停電信號時(圖10的步驟(15))的情況下，啟動電池5(圖7和10的步驟(11))，并且根據(jù)風速選擇下述兩種控制方法中的任何一種(圖10的步驟(26))。
當風速等于或低于預定閥值時，選擇第一控制方法，其中，象通常那樣應用偏向制動器3，并且向已經(jīng)做的那樣、將風速渦輪機支架100A被固定在逆風位置上(圖7和10的步驟(17))。
當風速大于預定閥值時，選擇第二控制方法，其中，以比一個確定速度低的釋放速度逐漸釋放偏向制動器3(圖7和10的步驟(18))，并且旋轉機艙102，將其移動至一個順風位置(圖7和10的步驟(19))。
利用這種安排，當強風作用在風力渦輪機主體的葉片上時，從逆風位置逐漸釋放偏向制動器3，風力渦輪機主體100A可以平穩(wěn)地移動至一個順風位置，而不會在偏向控制裝置、例如偏向馬達20上作用過大的力。
工業(yè)實用性如前面所述，根據(jù)本發(fā)明，當在產(chǎn)生驟風或強風的情況下風速大于預先設置在控制器中的切斷風速時，風力渦輪機主體從一個正常的逆風位置向后旋轉180°，以便移動至一個順風位置，并且該風力渦輪機進入順風位置中的備用狀態(tài)。因此，不需要專門的偏向控制風力渦輪機即可追隨風向，以便沿斜向方向吹到葉片旋轉平面上的風發(fā)揮作用以引導其葉片在風向上的轉子的旋轉軸線。
通過這樣，即使當強風沿與葉片旋轉面傾斜的方向作用于葉片時，可以允許轉子自動地追隨風的方向，并且避免不均勻的過大載荷沿傾斜的方向作用在葉片上，可以防止由于過載而損壞葉片。
進而，根據(jù)本發(fā)明，通過在利用控制裝置將風力渦輪機主體從一個逆風位置移動至一個順風位置、并且固定在該處之后釋放偏向制動器、并使其保持釋放狀態(tài)，提高了風力渦輪機主體100A相對于風向變化的追隨效果，當強風沿斜向吹到葉片101上時，可以更可靠地避免不均勻的過大載荷作用在葉片上。
進而，根據(jù)本發(fā)明，允許風力渦輪機主體從一個逆風位置移動至一個順風位置、并以備用狀態(tài)保持在該處，然后當由于驟風或強風引起的發(fā)電設備的故障造成停電時，在偏向控制變得不可能的情況下，利用控制器釋放偏向制動。因此，通過利用現(xiàn)有電池的能量將風力渦輪機移動至一個順風位置，然后釋放偏向制動器，不需要設置專門的電源，風力渦輪機主體100A即可自由追隨風向的變化，并且可以避免當強風吹沿斜向方向吹到葉片101時不均勻的過大載荷作用在葉片101上。
進而，根據(jù)本發(fā)明，可以利用控制器將風力渦輪機主體從一個逆風位置移動至一個順風位置，并且當作用在葉片上的風速高于臨界風速DWSS(用于移動至一個順風軟支撐位置的風速)時，釋放偏向制動器，所述臨界風速DWSS是根據(jù)高于切斷風速的最大允許瞬時風速確定的，并且同時風力渦輪機的旋轉速度處于怠速范圍內。因此，即使當風速劇烈波動時，根據(jù)以最大允許瞬時風速為基礎確定的臨界風速(DWSS風速)，風力渦輪機主體從一個逆風位置向一個順風位置移動，并且可以僅當實際風速超過最大允許瞬時風速時，將風力渦輪機主體從一個逆風位置向一個順風位置移動。
因此，由于即使當風速頻繁波動時，仍可避免風力渦輪機主體從一個順風位置向一個逆風位置頻繁移動，并且，僅當實際風速超過最大允許瞬時風速時，風力渦輪機主體才溫和地從一個逆風位置向一個順風位置移動，所以充分提高了風力渦輪機主體100A可控性。
進而，在正常操作中，在風力渦輪機移至一個順風位置之后，停止偏向控制，并且在停電的情況下，風力渦輪機可以追隨風的方向，因而，當不均勻載荷沿斜向作用于葉片上時，對于風力渦輪機主體作用一個旋轉轉矩，以便對其方向進行矯正，以追隨風向。結果，可以防止由于這種不均勻載荷造成的葉片和旋轉部件的損傷。
另外，由于所述校正轉矩，避免了偏向馬達的不適當?shù)母咿D速，并且，通過啟動用于限制偏向馬達旋轉的馬達制動器以限制偏向馬達的旋轉速度，防止了由于過大的旋轉速度造成的偏向馬達的損壞。
權利要求
1.一種逆風型風力渦輪機，其構成為，風力渦輪機主體包括受到支撐的機艙，用以在豎立在地面或船上的支撐件上并在水平面內旋轉；和具有多個葉片的轉子，該轉子設置在機艙的前部并且借助風力旋轉，通過連接到所述轉子上的轉子軸驅動待驅動機構、例如一個發(fā)電機，其中，設有設置在所述支撐件和所述機艙之間的驅動機構，用于旋轉所述風力渦輪機主體，并且設有用于借助朝向順風位置的葉片以在90°和270°之間的任意角度旋轉該轉子的控制器，根據(jù)接受到的風速信號、轉子旋轉速度信號和待驅動機構的異常信號中的至少一個信號，將轉子保持在備用條件下。
2.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，所述控制信號是信號的組合，其中一個信號是檢測作用在葉片上的風速高于切斷風速的信號，另一個信號是檢測通過根據(jù)接收到的檢測信號切斷風力渦輪機主體與從動設備的連接而使風力渦輪機主體進入怠速工作狀態(tài)的信號，所述切斷風速是預定的參考風速，在該參考風速下由于風速增加而會施加到風力渦輪機主體上過大的載荷，風力渦輪機主體與從動設備脫離連接并且移至怠速操作狀態(tài)。
3.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，所述控制信號是信號的組合，其中一個信號是檢測作用在葉片上的風速大于切斷風速的信號，一個信號是檢測風力渦輪機主體進入怠速操作狀態(tài)的信號，另一個信號是檢測第三風速的信號，所述第三風速是考慮風力渦輪機主體的強度因素而確定的且高于所述切斷風速。
4.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，所述控制信號是檢測所述第三風速高于最大瞬時風速(移至下游軟支撐的風速)的信號，所述最大瞬時風速是作用在風力渦輪機主體上的風力比從強度角度考慮的風力渦輪機主體允許的臨界力低一定量的時的風速。
5.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，用于允許風力渦輪機主體從順風位置返回原始逆風位置的恢復信號，是確定作用在葉片上的風速高于所述切斷風速且低于所述第三風速的信號。
6.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，設有用于檢測作用在葉片上的風速的風速檢測器，和用于檢測所述主軸的旋轉速度的風力渦輪機旋轉速度檢測器；并且所述控制器設有用于對由所述風速檢測器檢測的風速與預定的切斷風速進行比較的裝置，和用于當檢測風速高于切斷風速時、利用從所述風力渦輪機旋轉速度檢測器輸入的風力渦輪機旋轉速度信號檢測風力渦輪發(fā)電機支架是否處于怠速操作狀態(tài)的裝置。
7.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，與所述旋轉驅動機構形成一體的旋轉驅動體設有制動裝置，并且當從逆風位置向順風位置旋轉時，利用所述制動裝置對用于旋轉風力渦輪機主體的旋轉力進行制動。
8.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，設有偏向制動操作控制裝置，該裝置允許當處于順風位置時，釋放用于固定風力渦輪機主體的支撐方向的偏向制動器。
9.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，發(fā)電機單元作為被驅動設備連接到所述主軸上，設有用于檢測發(fā)電機單元停電的停電檢測器，并且所述控制器設有用于啟動電池以便當從所述停電檢測器輸入發(fā)電機停電檢測信號時，允許風力渦輪機主體從逆風位置向順風位置旋轉的電池控制裝置。
10.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，設有用于繞著支撐在支撐件上的機艙的旋轉軸線旋轉風力渦輪機主體并進行風力渦輪機主體的偏向控制(方位控制)的偏向馬達，和用于對其旋轉進行制動的偏向馬達制動器，并且所述控制器可以使偏向控制停止、將所述偏向控制器釋放，并且在風力渦輪機主體移至順風位置之后，所述偏向馬達制動器允許風力渦輪機主體自然追隨風向而動。
11.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，發(fā)電機單元作為被驅動設備連接到所述主軸上，設有用于檢測發(fā)電機單元停電的停電檢測器，用于繞支撐在支撐件上的機艙的旋轉軸線旋轉風力渦輪機主體并對該風力渦輪機主體進行偏向控制(方位控制)的偏向馬達，和用于對其旋轉進行制動的馬達制動器，并且所述控制器可以釋放所述偏向制動器，并且當從所述停電檢測器輸入發(fā)電機單元的停電檢測信號時，所述偏向馬達制動器能夠限制機艙從逆風位置向順風位置的旋轉速度。
12.如權利要求1所述的逆風型風力渦輪機，其中，所述發(fā)電機單元作為被驅動設備連接到所述主軸上，設有用于檢測發(fā)電機單元的停電的停電檢測器，并且當從所述停電檢測器輸入停電信號時，所述控制器可以以低速緩慢地釋放所述偏向制動器，并且將所述風力渦輪機主體從逆風位置轉向順風位置。
13.一種逆風型風力渦輪機的操作方法，所述逆風型風力渦輪機的結構為，風力渦輪機主體由支撐在豎立于地面或船上的支撐件上并在水平面中旋轉的機艙、和具有多個葉片的轉子構成，該轉子設置在機艙的前部并借助風力旋轉，通過連接到所述轉子上的主軸驅動待驅動的設備、例如一個發(fā)電機，其中，根據(jù)接收到的風速信號、轉子旋轉信號、和被驅動設備的異常信號中的至少一個信號，將具有葉片的轉子向著順風位置旋轉90°和270°之間的任意角度，以便將轉子保持在備用狀態(tài)下。
14.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機操作方法，其中，當檢測到作用在葉片上的風速高于切斷風速時，在風力渦輪機主體進入怠速操作狀態(tài)之后，使風力渦輪機主體旋轉90°和270°之間的任意角度，所述切斷風速是用于移至怠速操作狀態(tài)的參考風速。
15.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機主體的操作方法，其中，在檢測到風力渦輪機主體進入怠速操作狀態(tài)之后，根據(jù)檢測作用在葉片上的風速大于切斷風速的信號、和檢測最大瞬時風速的第三信號，使風力渦輪機主體旋轉90°和270°之間的任意角度。
16.如權利要求15所述的逆風型風力渦輪機主體的操作方法，其中，所述第三信號是檢測第三風速高于最大瞬時風速(移至一個順風軟支撐位置時的風速)的信號，該最大瞬時風速是作用在風力渦輪機主體上的風力比從強度角度考慮的風力渦輪機主體允許的臨界力低確定量時的風速。
17.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機操作方法，其中，在確定備用狀態(tài)下的最大瞬時風速等于或小于最大瞬時風速(移至順風軟支撐位置的風速)之后，風力渦輪機主體從順風位置中的怠速操作狀態(tài)返回原始的逆風位置，所述最大瞬時風速是作用在風力渦輪機主體上的風力比從強度角度考慮的風力渦輪機主體允許的臨界力低確定量時的風速。
18.如權利要求14所述的逆風型風力渦輪機操作方法，其中，通過渦輪機旋轉速度檢測信號，檢測所述怠速操作狀態(tài)。
19.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機操作方法，其中，當從逆風位置向順風位置旋轉時，借助制動裝置緩沖用于旋轉風力渦輪機主體的力。
20.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機操作方法，其中，在移動至順風位置之后，釋放用于對風力渦輪機主體的旋轉進行制動的偏向制動器，以便允許其保持在備用狀態(tài)下，其中在該狀態(tài)下，風力渦輪機主體可以隨著風向自由擺動。
21.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機的操作方法，其中，在移至順風位置之后，執(zhí)行用于根據(jù)風向改變風力渦輪機主體方向的偏向控制(方位控制)。
22.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機的操作方法，釋放用于對風力渦輪機主體的旋轉進行制動的偏向制動器，并且允許風力渦輪機主體自然地追隨風向，以便朝著順風方向旋轉，其中，同時起動偏向馬達制動器以便對偏向馬達進行制動，所述偏向馬達的結構使其繞著支撐件旋轉風力渦輪機主體，并且對風力渦輪機主體進行偏向控制(方位控制)。
23.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機的操作方法，其中，在所述具有連接到其主軸上作為從動設備的發(fā)電機的逆風型風力渦輪機的操作中，當輸入發(fā)電機單元的停電信號時，通過起用電池，使風力渦輪機主體旋轉90°至270°之間的任意一個角度。
24.如權利要求13所述的逆風型風力渦輪機的操作方法，其中，當檢測出具有連接到其主軸上且作為從動設備的發(fā)電機的風力渦輪發(fā)電機停電時，釋放用于對所述風力渦輪機主體的旋轉進行制動的偏向制動器，啟用電池以便繞著支撐件旋轉風力渦輪機主體，同時啟動偏向馬達，以便對偏向馬達的旋轉進行制動，所述偏向馬達的結構使其繞著支撐件旋轉所述風力渦輪機主體，并且實施風力渦輪機主體的偏向控制(方位控制)。
全文摘要
提供一種即使當吹過強風時發(fā)生停電的情況下，仍能夠通過避免過大的不均勻載荷沿傾斜方向作用在葉片上以防止葉片發(fā)生損壞的逆風型風力渦輪機結構及其操作方法。在所述具有一個支撐在一個支撐件上用以進行旋轉的逆風型風力渦輪發(fā)電機中，當檢測風速高于預定的切斷風速時，該機艙從正常的逆風位置旋轉180°至一個順風位置，并且在該順風位置中保持備用狀態(tài)，所述切斷風速是用于移至一個怠速操作狀態(tài)的參考風速。當所述檢測風速高于根據(jù)最大允許瞬時風速確定的DWSS風速時，機艙從一個逆風位置向一個順風位置旋轉，并且釋放該偏向制動器。
文檔編號F03D7/04GK1549897SQ0281694
公開日2004年11月24日 申請日期2002年12月26日 優(yōu)先權日2001年12月28日
發(fā)明者柴田昌明, 古川豐秋, 林羲之, 彌富裕治, 堤和久, 治, 秋 申請人:三菱重工業(yè)株式會社