用于先進風輪機構造的方法和設備的制作方法

專利名稱：用于先進風輪機構造的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及替代性能源，而且更加具體而言，涉及用于先進風輪 機構造的方法和設備。
背景技術：
當前的風輪機裝置通常利用連接于風輪機軸上的直接驅動發電機 或齒輪傳動的發電機。在這種裝置中存在固有的問題，即，隨著風速 變化，發電機的輸出頻率也發生變化。然而，對于可由電網使用的發 電機輸出而言，輸出的信號需要轉變為與電網頻率相匹配，電網的頻率在美國為60Hz，在歐洲為50Hz。通常用額外的頻率轉變站進行從可 變的風輪機發電機輸出頻率到恒定電網頻率的轉換。這種額外的頻率 轉換站可以包括轉換器和/或其他的相位校正電路。這樣的轉換站可能 非常昂貴，并且實現和維護復雜。此外，還存在固有的效率低的問題， 這導致在頻率轉換過程中產生能量損失。因此，合乎需要的是，用于 風輪機構建的新方法和設備使得將發電機輸出頻率控制為與電網頻率 相匹配，而無需附加的頻率轉換站。連接到電網的當前的風輪機構造不提供或提供非常有限的警報來 警示由于不利風況引起的輸出損失。發電機輸出的損失可能是由于風 速較低或沒有風的狀況導致風能不足以繼續驅動渦輪。發電機輸出的 損失也可能是由于風速較高的狀況引起的，如果允許風輪機繼續運行， 這就有可能使風輪機元件過載，因此在檢測到高風速的時間段內通常 有意地使風輪機離線，以防止損壞風輪機。從電網管理的角度而言， 風輪機發電機輸出能量水平和快速切斷的矛盾導致平衡問題。在種的 情況下，電網只有非常短的時間來尋找代用能源并將該代用能源送上 線，以使電網平衡、在可接受的范圍內調節電壓電平、防止線電壓下降/急劇上升，以便繼續滿足用戶的能量需求和/或維持可接受的服務質 量。合乎需要的是，用于風輪機構建的新方法和設備使得將風輪機發 電機的輸出控制為不管風況如何變化都能提供更加均勻的功能輸出水 平。還有利的是，用于風輪機構建的新方法和設備提供更加平緩的能 量輸出水平下降和/或向電網提供較早的警報來警示即將到來的輸出功 率損失。停機之后，當前的風車渦輪通常需要利用來自電網的電/動力重新 啟動它們，以恢復運行。在許多情況下，低速風不能提供足夠的能量 來啟動風輪機的旋轉，所以需要來自電網的動力來驅動馬達以開始旋 轉。風輪機啟動能量需求為電網帶來額外的負荷。在大致同一區域內 連接大量類似或相同風輪機的電網中受到大致相同風況，許多這些發 電機渦輪試圖在大致相同的時刻啟動并非不常見，因此給電網帶來相 當短暫的額外負荷。有鑒于此，研發這樣的方法和設備將是有利的， 即，這樣的方法和設備使得風輪機發電機在由于風況而中斷運行后可 在它們自身動力的作用下啟動，從而不給電網帶來啟動負荷負擔，該 啟動負荷負擔將從電網汲取能量并會擾亂電網的電力平衡管理。當前風輪機面臨的另一問題是能量吸收帶寬通常較窄。目前多數 的風輪機在風速太低或太高時停機。現有風輪機系統的通常風速帶寬約為9mph至25mph。有利的是，風輪機構建的新方法和設備能擴展能 量吸收帶寬，與當前系統相比，風輪機能在更低和/或更高的風速下吸 收風能，因此就時間平均而言能捕捉更多的風能。當前的風輪機具有渦輪葉片，這些渦輪葉片構造成在9mph至 25mph范圍內產生能量。為了在低速風中產生能量，葉片可以是可變 間距的葉片，這樣的葉片使得能在低風速下捕捉能量。為了能夠捕捉 低速風能并運行渦輪，渦輪葉片面積必須足夠大。然而，因為大尺寸 的葉片在高風速下增加了潛在結構故障的可能性，實現構造成適應于 在較低風速下捕捉風能的大渦輪葉片面積變得不利于在較高的風速下捕捉風能。因此，這種利用較大尺寸的渦輪葉片從低速風捕捉能量的 裝置，要求風力渦輪機在較低的風速上限停車，以防止潛在的結構損 壞。有鑒于此，有利的是，風輪機構建的新方法和設備適于適應在低 速端和高速端的獨特構建要求。當前的風力渦輪具有非常有限的能量儲存能力或沒有能量儲存能 力。在能量吸收范圍內的有利風況帶來的高風能捕捉時間的時間段通 常與用戶的能量需求水平不相對應。過量的能量通常或者被浪費掉， 例如，由于風輪機的耗能動作而消耗掉，或者在電網功能管理調節來 自另一源的能量輸入的情況下，例如，減少礦物燃料電廠的能量輸出 的情況下轉入電網中，以適應于從風源增加的能量。風輪機中即使是 非常小的改進也能夠帶來顯著的能量效率和相應的環境利益。因此， 有利的是，研發風輪機的方法和設備使得風輪機具有顯著的能量儲存 能力。此外，非常希望的是，增加渦輪可用來產生功率的風速范圍。發明內容本發明涉及先進風輪機構建、控制和能量儲存的方法和設備。本 發明的各種特征可單獨地或組合地配置。本發明的各種實施例的一個特征是風輪機系統包括例如直接、通 過齒輪箱或通過傳輸組件而連接于液壓泵的風輪機葉片組件。在一些 這樣的實施例中，其上安裝有風輪機葉片組件和/或液壓泵的塔是中空 的塔，例如，金屬鋼腔室，其包括高壓容器，風輪機驅動的液壓泵將 加壓的液壓液體發送到該高壓容器中，例如儲器中。該壓力容器可以 是塔支撐結構的一體部分。該塔也可以例如在其基部包括低壓輸送儲 器。在一些實施例中，低壓輸送儲器可以是單獨的結構部分，例如， 基部結構或地面箱。能夠從低壓箱經由位于塔內部或塔附近的輸送管 向液壓泵的低壓入口側進行輸送。來自液壓泵的高壓流體輸出用于向 連接于發電機的液壓馬達提供動力。液壓比例控制閥控制液壓馬達轉動的速度/rpm，這依次又控制發電機轉動的速度/rpm。在計算機控制模塊的引導下進行操作對來自傳感器的輸入進行處理，所述比例控制閥 是計算機控制的，使得所產生的電的頻率將與電網頻率技術要求相匹 配，因此使得所產生的電能直接可用，并且不需要變壓器或其他電子 裝置將所產生的電能信號轉換到電網頻率。根據本發明的一些實施例，高壓箱的容積使得以上描述的處理允 許將能量，例如過量的能量儲存在高壓箱內，使得在風輪機葉片例如 由于風速不足而停止旋轉之后，液壓馬達的運行以及電的產生能繼續 一段延長的時間。液壓馬達繼續運行驅動發電機并產生電，同時高壓 箱內的壓力水平緩慢下降。本發明的這一特征使得在風力傳感器已經 通知電網由于高風速或低風速而即將有能量損失之后的一些時間內能 夠從風輪機系統輸出電能。這一段電輸出的延長時間使得能夠將在風 輪機系統中產生電能損失通知給電網，此時風輪機已經變成被耗盡的 能量儲存介質。這一早期通知的特征使得電網管理系統能夠通過準備 調節其他的能源，例如，礦物能源的輸出水平而適應電網上即將到來 的風源能量損失。該風輪機系統能夠、而且在各種實施例中確實在其 將中斷向電網輸出電力的時間點之前提前通知能量管理系統。該風輪 機系統能夠、而且在各種實施例中確實在其將重新連接到電網以傳輸 能量的時間點之前提前通知能量管理系統。根據本發明的各種實施例的另一特征，以液壓形式儲存的能量能 夠降低到這樣的水平，但是不降低到該水平下，在該水平傳感器指示 在加壓的液壓流體內留有足夠的儲備容量可重新啟動風輪機。然后， 在風況允許時，通過利用剩余的液壓進行重新啟動渦輪機，以啟動液 壓泵并啟動渦輪葉片組件轉動。利用所儲存的液壓重新啟動風輪機的 本發明的這種方法消除了通常要加在電網上以重新啟動風輪機系統的 負荷需求。在風況允許且計算機控制系統決定開始重新啟動操作時， 于是儲備容量改向通過液壓系統，使得液壓泵暫時變為馬達，以使渦 輪達到重新啟動能量產生循環所需的最小速度。高壓流體或其調節水 平能夠經由計算機控制的起動閥而被改向到低壓輸送管。所述低壓輸送管可包括止回閥以防止高壓液壓流體進入到低壓儲器。在上述風輪機系統的一些實施例中，所包括作為風輪機系統一部 分的液壓系統不要求任何最小的轉子速度來產生或儲存能量，即，可 以用壓力下的儲存流體來產生電。在一些這樣的實施例中，風輪機系 統將向儲器內泵送液壓流體，直到其被充滿處于高壓下，此時發電機 將被啟動，直到其排放能量/液壓流體壓力到重新啟動保留水平之下。 在本發明的一些實施例中，計算機控制系統將高壓箱內的壓力維持在 最小重新驅動水平之上，并且只要高于該最小重新啟動水平則可以啟 動發電機運行。在一些實施例中，在從風能產生過量能量的期間內， 例如，當前電網不需要發電機輸出能量，則例如通過增加高壓箱內的 液壓和/或將電能引導到電儲存裝置，例如，電容器或電池組而儲存過 量的能量。在一些實施例中，在風能產生的能量水平低于從高壓流體 提取的水平的時間段內，例如，電網此時需要多于風力產生的的輸出 能量，則可以從加壓流體中提取能量，從而高壓箱內的壓力水平降低。在各種實施例中，利用多個液壓馬達和/或多個發電機來實現風輪 機系統。在一些這樣的系統中，每個液壓馬達經由其自己的電控比例 閥和反饋電路能夠被獨立地控制。在一些這樣的多個液壓馬達和/或多 個發電機的系統中，在不同的時候可以啟動不同的組合以適應改變的 負荷需求和/或改變著的風況。本發明的一些實施例的另一個特征是在風輪機系統的葉片組件內 使用可調節的翼片。在一些這樣的實施例中，渦輪機葉片具有巻軸縮 回翼片系統或其變型，從而可以改變葉片/翼片組合的面積。在包括可 控制翼片特征的各種實施例中，風輪機系統在用電子或液壓方式縮回 翼片的轂上包括桅桿，例如碳素纖維桅桿。在各種實施例中，風輪機 系統包括風速傳感器和/或風向傳感器。在風速傳感器指示出較低風速 狀況時，可能時，通過利用液壓和/或電動馬達或其他機械裝置展開巻 軸縮回的翼片能夠可控制地增加翼片面積。 一些實施例包括確定翼片位置的傳感器。在風速上升時，能夠可控制地拉回或縮回翼片。在附 加的翼片面積將導致風輪機葉片組件的結構損壞的高風速下，可以將 翼片完全縮回到桅桿內。風輪機的一些實施例的另一特征在于，桅桿本身形成為具有些微 翼形形狀。 一些這樣的桅桿構造成使得它們在遠遠超過傳統使用的典 型固定面積葉片的風捕捉高端速度的高端速度下的投影風速下能夠承 受并收集能量。例如，根據本發明的桅桿結構能具有比展開的典型固 定面積葉片小的風收集表面面積，因為其能夠在高風速端下使用，但 是不必依賴其在低風速端下成為主要的風收集源，在低風速端下翼片 起主要作用。在一些這樣的包括些微翼形形狀桅桿的實施例中，桅桿 結構還包括扭轉器。翼形形狀的桅桿和可調節翼片的實現通過允許在 比當前裝置大得多的風速范圍內產生能量能夠在一定時間段內產生更 多的能量。例如在非常高的風水平下，橫截面積比較小的翼形形狀的 桅桿可捕捉高速風能，而在非常低的風速水平下，由展開的翼片提供 的比較大的橫截面積能夠捕捉低速風能。與傳統裝置相比，由于本發 明的這些構建特征，因而風速捕捉包線可以較大，并能夠在低端和高 端下進行擴展。除了在上述高壓液壓流體中的能量儲存容量之外，作為本發明一 些實施例的另一個特征， 一些液壓流體能夠在用于高能量電容器的塔 結構內移動。例如，在一些這樣的實施例中，能量儲存密度為30千瓦 -小時每千克的碳納米管電容器包括在流體池內，其與塔并列或位于塔 附近，這提供了更大的現場能量儲存解決方案。在包括一萬磅這類材 料的電容器的一個這樣的實施例中，風輪機系統儲存的能量能使得4 兆瓦的風車能夠在液壓馬達驅動器停機后繼續運行34小時的延長輸 出。本發明的這種方法能夠平滑能量曲線，提高了風輪機的效率和/或 使得在一定時間內能夠將更大量的能量輸送到電網。上述系統可以包括傳感器、控制系統、軟件和硬件，其根據系統尺寸和要求的需求可以進行修改。上述風輪機系統的一些實施例包括 計算機控制的模塊，該模塊包括例如CPU的處理器、存儲器和接口。 存儲器包括程序和數據/信息。處理器執行所述程序并利用存儲器內的 數據信息來控制風輪機系統的運行并執行本發明的方法。計算機控制 模塊執行的一些這種功能可以包括監控風速和/或風向；監控和控制 例如葉片組件的指向的位置；監控翼片的位置并控制翼片的展開；監 控和控制液壓泵；監控和控制液壓馬達；控制比例閥；控制起動閥； 控制重新啟動順序；監控高壓和低壓腔室內的壓力；調節壓力；監控 發電機輸出；切換發電機輸出至電網和/或電儲存裝置；控制從電儲存 裝置到電網的能量傳送、對管理網絡的通信和通知、通信協議操作； 切換多個液壓馬達和/或發電機的控制、和/或者故障檢測監控、報告和 /或停機操作。即使葉片具有比較小的直徑，例如小于300英尺，并且在一些情 況下，例如直徑小于50、 100、 200或250英尺，本發明的系統也能夠 具有比較大的翼片(葉片)表面面積，與公知的系統相比，系統能夠 以較小直徑的葉片運行，和/或在較低風速下運行。由于使用較小直徑 的葉片，在葉片旋轉時，葉片末端的速度能夠比具有較大直徑葉片的 公知系統的低。因為風車產生的噪音部分地是葉片旋轉時葉片末端速 度的函數，與現有技術的具有較大直徑半徑所產生的噪音相比，利用 本發明的具有較短葉片半徑的實施例能夠產生較低的噪音。因為噪音 是人們反對風車的一個原因，所以與公知的系統相比，本發明的方法 和設備證明在降低噪音的方面是有利的。在以下的詳細描述中將討論本發明的多種其他特征優點和實施例。


圖1是根據本發明并利用本發明的方法實現的示例性風輪機系統 的視圖。圖2是用于描述根據本發明的示例性風輪機在捕捉風能的葉片組 件驅動液壓泵并且在高壓箱內有足夠的儲存能量來驅動液壓馬達的情 況下的運行和流動的功能圖。圖3是用于描述根據本發明的示例性風輪機在這樣一種狀況下的 運行和流動的功能圖，即，葉片組件已經停止旋轉并且不再捕捉風能; 然而高壓箱儲存有超過重新啟動所需的最少水平的足夠能量，因此能 夠繼續液壓馬達的運行和發電機的運行。圖4是用于描述根據本發明的示例性風輪機在葉片組件重新啟動 操作過程中的運行和流動的功能圖。圖5是示出根據本發明的示例性葉片組件中的部件的視圖。圖6是示出圖5的示例性葉片組件的視圖，不過翼片示出為處于部分縮回的位置。圖7是示出根據本發明的一些實施例的桅桿或支柱/內軸/翼片結 構的視圖。圖8為根據本發明的示例性轂組件的圖上的頭部的視圖。 圖9為示出根據本發明的一些實施例的能量儲存特征件的視圖。 圖10為示出根據本發明各種實施例的示例性桅桿或支柱/內軸/翼 片結構的視圖。圖11為從不同的視角示出包括在圖10的示例性結構中的一些部 件的視圖。
具體實施方式
圖1是根據本發明并利用本發明的方法實現的示例性風輪機系統 100的視圖。所述示例性的風輪機系統100包括葉片組件102、主驅動 殼體104、支撐塔106、液壓馬達和發電機外罩108、低壓箱110以及 計算機控制模塊112。所述葉片組件102包括轂114、翼片展開齒輪組116、多個翼片軸 /葉片118、以及多個可收回的翼片120。所述葉片組件102用于捕捉風 能。葉片組件102在一些實施例中包括巻繞縮回翼片系統，從而可無級調節翼片的面積。連接至轂114的例如碳素纖維桿的翼片軸/葉片118 附連到翼片展開齒輪組116，并能夠旋轉從而放出和收回附連到翼片軸/葉片118上的翼片120。在一些實施例中，在葉片組件102內采用傳 感器以檢測翼片位置。通過調節露出翼片120的量，在現有的系統上 能夠擴展可用于產生能量的風速范圍。在非常低的風速下，翼片120 可以完全展開，使得風輪機100在低于9mph，例如4、 5和6mph下能 夠捕捉能量。在非常高的風速下，翼片120可完全收起，從而降低作 用在葉片組件102上的應力。翼片軸/葉片118構造成使得在翼片120 完全收回時，翼片軸/葉片118具有能捕捉高速風能并能承受髙速風而 不會損壞結構的大致機翼形狀。根據本發明，通過包含根據本發明的 這樣的結構特征，風輪機100能在高于25mph、 30、 35或甚至每小時 40英里的風速下捕捉風能。該可變的翼片面積特征與機翼形翼片軸/葉 片118相結合允許現有結構上較大的風速范圍，因此通過允許在比現 有結構大的風速范圍內產生能量而能夠在整個時間產生更多的能量。所述主驅動殼體104包括主驅動管122、泵驅動齒輪組124、液壓 泵驅動軸126、液壓泵128、主驅動殼體位置馬達130、翼片張開展開 馬達132以及翼片張開驅動展開傳動軸134。所述主驅動管122的一端 結合至連接于葉片組件102的轂114，同時在主驅動管122的另一端， 附連到連接于主驅動管122上的齒輪124a與附連到連接于液壓泵驅動 傳動軸126上的齒輪124b嚙合。主驅動齒輪組124包括齒輪124a和 124b。主驅動管122通過支撐支承組件支撐在主驅動殼體104內。液 壓泵驅動軸126連接于液壓泵128。風能由葉片組件102捕捉，翼片軸 /葉片118繞轂114的中心軸旋轉。在轂114旋轉時，主驅動管122旋 轉，導致泵驅動齒輪組124的旋轉和液壓泵驅動軸126的旋轉。在液 壓泵驅動軸126旋轉時，液壓泵128旋轉，產生液壓。所述主驅動管122包括中空的中央中心部分，翼片展開驅動軸134 穿過其中設置。翼片展開馬達132連接于翼片展開驅動軸134的一端， 而翼片展開驅動軸的另一端連接于翼片展開齒輪組116。在一些實施例中，翼片展開馬達132為電動馬達，而在其他實施例中，翼片展開馬 達為液壓馬達。翼片展開馬達132在受到控制以接合并旋轉時使得翼片展開驅動軸134旋轉，該受控的旋轉經由翼片展開齒輪組116進行 傳遞，使得翼片軸/葉片118旋轉，并且翼片120按照指令展開和縮回。 在其他實施例中，翼片展開馬達或多個翼片展開馬達安裝在轂114內、 在翼片軸/葉片118內、和/或者連接于翼片軸/葉片118。在主驅動殼體104上連接有風力傳感器136。風力傳感器136檢 測并測量風速，并且在一些實施例中檢測并測量風向。在一些實施例 中，常用分離的傳感器檢測風速和風向。當風速傳感器136檢測并指 示出低風速情況時，若翼片沒有完全展開，則可以通過控制翼片展開 馬達132通過可控制的展開巻軸縮回的翼片以增加翼片面積，從而控 制翼片面積增加。當風速傳感器136檢測并指示出高風速情況時，若 翼片沒有完全縮回，則通過控制翼片展開馬達132通過可控制的拉回 或縮回巻軸縮回的翼片以減小翼片面積，從而控制翼片面積減小。所述主驅動殼體104經由主驅動殼體/塔結合界面基底138而機械 地連接于支撐塔106。所述主驅動殼體/塔結合界面基底138使得主驅 動塔104能夠可控制地定向在不同的取向，以便捕捉主風，和/或將葉 片組件102置于其上應力最小的停機模式下。采用主驅動殼體定位馬 達130，例如，電動馬達或液壓馬達以定向主驅動殼體104的取向。支撐塔106包括高壓箱140、高壓箱傳感器142、以及起動閥144。 高壓箱140儲存高壓流體146。在一些實施例中，高壓箱還可包括伸縮 軟管組件。低壓輸送管148穿過或臨近高壓箱140。在低壓輸送管148 的底部是低壓入口 152，其位于低壓箱110內使得低壓流體154能被吸 入到低壓輸送管內。在一些實施例中，低壓箱110內包括有加壓的惰 性氣體155，例如氮氣，并且惰性氣體的壓力有助于迫使低壓流體154 向上到達輸送管148。在支撐塔106的頂部上，液壓旋轉接頭150將高 壓的低壓輸送管148連接于液壓泵128的低壓入口，并將液壓泵128的高壓輸出端連接于高壓箱140。高壓出口 153將高壓流體從液壓泵128排出到高壓箱140。低壓輸送管148包括止回閥156。當重新啟動風輪機100的液壓 泵12S時，由于在高壓箱140內有意維持足以重新啟動水平的剩余壓 力，起動閥144被控制成引導被調節的高壓流體進入到低壓輸送管148 內。止回閥156防止加壓流體進入低壓箱110。加壓流體進入液壓泵的 入口，該液壓泵此時用作啟動葉片組件102旋轉的液壓馬達。然后， 起動閥144切換為相對于低壓輸送管148密封高壓箱140，而且風能繼 續使葉片組件102旋轉并且液壓泵128停止作為液壓馬達運行，并且 以增加高壓箱140內壓力的能量儲存運行模式運行。液壓馬達和發電機外罩108包括比例閥158、調節輸出管線160、 液壓馬達162、聯結軸164、發電機166以及輸出切換器168。比例閥 158經由高壓入口 170連接于高壓箱140。比例閥158調節壓力水平以 維持一致的受調節的壓力水平，在可能的時候，以一致的速度驅動液 壓馬達162。比例閥158的輸出經由受調節的輸出管線160引導，該輸 出管線160將比例閥158連接于液壓馬達162的入口。液壓馬達162 包括排出出口 172，通過該排出出口 172低壓流體被排出到低壓箱110， 當液壓馬達162被驅動時從加壓的流體提取出所儲存的能量。液壓馬 達162經由聯結軸164連接于發電機166，該聯結軸使發電機166運轉 以產生電能。通過使液壓馬達162在恒定的受控速度下運轉，發電機 166也在恒定的受控速度下運轉，因此將所產生電信號的頻率控制并維 持在與電網相容。發電機166的輸出端，例如，三相輸出線路，連接 于輸出切換器168的輸入端。輸出切換器168的輸出端連接于電網和/ 或儲存裝置。在發電機以合理容差之外的頻率運行時，可以控制輸出 切換器168使發電機從電網斷開，使得液壓馬達和/或發電機的啟動和 停機不會將有問題的信號引入到電網內。此外，在由于高壓箱140內 的高壓不充足而關掉液壓馬達162之前輸出切換器168能用來切斷發 電機的輸出，并在啟動已經穩定之后重新將發電機輸出端連接到電網。低壓箱110儲存低壓流體154。低壓箱110還包括低壓箱傳感器155,該低壓箱傳感器155測量低壓箱110內的壓力和/或流體水平。在 一些實施例中，低壓箱110還包括伸縮軟管或浮動組件。所述計算機控制模塊112包括對其他網絡的接口、對傳感器的接 口以及對控制裝置的接口 。計算機控制模塊112包括處理器和存儲器。 存儲器包括程序和數據/信息。例如CPU的處理器執行這些程序，并利 用存儲器內的數據/信息控制風輪機系統100的運行并執行本發明的方 法。由計算機控制模塊112控制的各種功能包括風測量、葉片組件啟 動操作、翼片展開控制、主驅動殼體定位控制、壓力調節控制、起動 閥運行、比例閥控制、發電機輸出監控、發電機輸出切換以及信令管 理網絡狀況的變化。計算機控制模塊112接收的各種信號包括風力傳 感器輸出信號174、低壓箱傳感器輸出信號176、高壓箱傳感器輸出信 號178以及發電機輸出監控信號180。計算機控制模塊112接收的其他 信號可以包括指示翼片展開水平的位置指示器信號以及指示主驅動殼 體104方向的位置指示器信號。計算機控制模塊112也可接收和處理 故障指示信號。計算機控制模塊112產生的用于控制風輪機系統100 運行的各種輸出信號包括所述展開控制信號182、殼體方向定位控制信 號184、比例閥控制信號186、起動閥控制信號188以及輸出切換模塊 控制信號190。計算機控制模塊112還通過從控制線路到管理網絡192 的信號而與管理網絡接口，該信號是使風輪機下線的接收指令和在特 定的時間使風輪機下線的發送通知。在主驅動殼體104/主驅動殼體/塔結合界面基底138處設置有滑環。來自傳感器136的風測量值可以由計算機控制模塊112運行、處 理和使用以預測在不足以滿足輸出需求的風能輸入將迫使停止能量輸 出、并且切斷發電機輸出之前能夠繼續運行多長時間。根據高壓傳感器輸出信號120的壓力測量值，計算機控制模塊能夠預測剩余的能量 容量。計算機控制模塊112能夠經由控制線路192向管理網絡通告情 況，并且在停止向電網輸出能量之前提前發出通知。圖2是用來描述在風輪機系統100內的運行和流動的功能圖200。 所述功能圖200包括低壓箱110、高壓箱140、低壓輸送管148、液壓 泵128、起動閥144、止回閥156、電子比例閥158、液壓馬達162、受 調節的壓力管線160、回流管線172、驅動聯結器164、發電機166以 及儲存裝置202。所述儲存裝置202可以包括例如變換器、濾波器和儲 存電池組。圖2示出了示例性風輪機系統100在捕捉風能的葉片組件 102驅動泵128、并且在高壓箱140內儲存有足夠能量來驅動液壓馬達 162的情況下的運行。由被葉片組件102捕捉的風能驅動的泵128從低壓箱110虹吸低 壓流體154，并產生液壓。通過打開的止回閥156經由低壓輸送管148 向上提取低壓流體154，并使其進入泵128的低壓側。在這些所描述的 運行狀態下，經由控制信號188在計算機控制模塊112的引導下將起 動閥144控制為關閉。泵128對流體加壓，其中泵的高壓側連接于高 壓箱140。經由控制信號186在計算機控制模塊112的引導下控制電子比例 閥158，以調節至液壓馬達162的壓力，使得液壓馬達162在受控的確 定轉速下將繼續運轉。在一些實施例中，可以包括傳感器以監控驅動 聯結器164的旋轉速度，并將這些信息發送到計算機控制模塊112以 在閉環控制操作中使用。高壓流體146進入電子比例閥158，被調節為 管線160內的受調節的壓力流體，所述流體然后通過液壓馬達162，使 驅動聯結器164旋轉以在受控的轉速下驅動發電機。這導致發電機166 在例如60Hz或50Hz的恒定頻率下產生電能，該電能被輸出到電網和/ 或儲存裝置202。從液壓馬達162排出的液體經由回流管線172而返回 到低壓箱110。如果例如由于有利的風況，泵128產生的能量多于液壓馬達162所消耗的能量，則允許高壓箱內的壓力在高壓箱140的安全極限內增 加，因此儲存過剩的能量以備將來之用。如果泵128產生的能量少于 液壓馬達162當前消耗的能量，則高壓箱140內的壓力將下降。根據本發明的各種實施例的一個特征，高壓箱MO內的壓力至少 維持為在葉片組件102已經停止后重新啟動液壓泵128所需的最小值。 在超過該最小啟動壓力水平閾值之前，經由控制信號186在計算機控 制模塊112引導下電子比例閥158截斷至液壓馬達162的流動。圖3為用來描述在風輪機系統100內的運行和流動的功能圖300。 功能圖300包括低壓箱110、高壓箱140、低壓輸送管148、液壓泵128、 起動閥144、止回閥156、電子比例闊158、液壓馬達162、受調節的 壓力管線160、回流管線172、驅動聯結器164、發電機166、儲存裝 置202以及止回閥302。圖3示出了示例性風輪機系統100在這樣的狀 況下的運行，即，葉片組件102己經停止旋轉并且不再捕捉風能；但 是，高壓箱儲存有足夠的能量，其高于重新啟動所需的最少水平，因 此液壓馬達162的運行和發電機166的運行能夠繼續。液壓泵128沒 有旋轉。止回閥156和302閉合，而且起動閥144也閉合。經由控制 信號186在計算機控制模塊112的控制下電子比例闊158繼續允許流 動。高壓流體146進入電子比例閥158,被調節到變為在管線160內 的受調節的壓力流體，所述流體然后通過液壓馬達162，使驅動聯結器 164旋轉，以在受控的轉速下驅動發電機。這導致發電機166在例如 60Hz或50Hz的恒定頻率下產生電能，該電能被輸出到電網和/或儲存 裝置202。從液壓馬達162排出的液體經由回流管線172返回到低壓箱 110。在此運行模式中，高壓流體的壓力水平逐漸降低。在高于重新啟 動所需最小壓力的某一水平下，經由控制信號186控制電子比例閥，以停止通過液壓馬達162的流動，因此保持高壓箱內的壓力水平。圖4是用來描述在風輪機系統100內的運行和流動的功能圖400。 功能圖400包括低壓箱110、高壓箱140、低壓輸送管148、液壓泵128、 起動閥144、止回閥156、電子比例閥158、液壓馬達162、受調節的 壓力管線160、回流管線172、驅動聯結器164、發電機166、儲存裝 置202以及止回閥302。圖4示出了示例性風輪機系統100在重新啟動 葉片組件102的運行的狀況下的運行。起初，液壓泵128不旋轉。經 由控制信號188由計算機控制模塊112將起動閥144控制為打開，允 許高壓流體或其某些受調節的水平進入低壓輸送管148。關閉止回閥 156,以防止高壓流體進入低壓箱110。通過起動閥144的高壓流體進 入泵128的入口側，該泵128此時用作液壓馬達。在泵128的入口側 上的壓力使得泵128開始旋轉，這依次使泵128與其機械地連接的葉 片組件102旋轉。啟動葉片組件102旋轉后，風能繼續使葉片組件102 保持旋轉。經由控制信號188將起動閥144控制為斷開，并且液壓泵 在風能的作用下繼續旋轉，其中泵128通過此時打開的止回閥156吸 入低壓流體154，對所述流體加壓，高壓流體通過此時打開的止回閥 302而排出進入到高壓箱140內。此時在風能作用下運行的液壓泵128 繼續抽吸，提高高壓箱140內的壓力。在某些檢測到的高壓水平下， 計算機控制模塊112確定壓力高得足以使液壓馬達162重新運行。經 由信號186將電子比例閥158控制為打開，并將受調節的壓力傳送到 液壓馬達162。 一旦實現了穩定化的旋轉運行后，發電機的輸出能夠切 換到接通，以與電網/儲存裝置202重新連接。圖5是示出了根據本發明的示例性葉片組件中部件的視圖。所述 示例性葉片組件500可以是圖1中的示例性風輪機100的葉片組件102。 中央轂502可以是包括翼片展開齒輪組116的轂114，而桅桿504和支 柱506可以是翼片軸/葉片118，且翼片508可以是圖1的翼片120。葉 片組件500包括多組(例如四組)桅桿504、支柱506和翼片508。桅 桿504包括內桅桿軸510，而支柱506包括內支柱軸512。對于給定的一組桅桿504、支柱506和翼片508，該結構使得翼片508能繞內桅桿 軸510和內支柱軸512中的一個巻繞，并且當翼片展開或縮回時翼片 508可沿著另一個軸滑動。翼片508由能在例如內支柱軸512或內桅桿 軸510的軸上巻繞的柔性翼片材料制成。 一些桅桿504和/或支柱506 包括翼片508被巻繞時可縮回到其中的狹槽。 一些桅桿504和/或支柱 506包括在翼片展開或縮入時翼片508或翼片錨固件沿著其滑動的狹 槽。在一些實施例中，每個翼片508沿著所述軸中的一個軸，例如支 柱軸512巻起/巻出，并沿著另一軸，例如桅桿軸510拉下/拉上。在一 些實施例中， 一些翼片508沿著內桅桿軸510巻起/拉出，而一些翼片 508沿著內支柱軸512巻起/拉出。
圖5示出了翼片508己經完全被展開的狀況。
圖6為示出了圖5的示例性葉片組件的視圖600，不過示出的是 處于部分縮入狀態的翼片。
圖7是示出了根據本發明的一些實施例的示例性桅桿或支柱/內軸 /翼片結構的視圖700。桅桿或支柱704包括內軸706，翼片702可以在 該內軸上巻入或放出。在一些實施例中，桅桿或支柱704具有翼形形 狀，使得風輪機即使在翼片完全縮入的情況下也能捕捉風能。桅桿或 支柱704可以是圖5的桅桿504或支柱506;內軸706可以是圖5的內 桅桿軸510或內支柱軸512;翼片702可以是圖5的翼片508。
圖10是示出了根據本發明的各種實施例的示例性桅桿或支柱/內 軸/翼片結構1000的視圖。所述示例性結構1000包括桅桿或支柱1002、 內軸1004、帶槽引導件/支承1006、軸環組件1008、翼片固定環1016、 以及翼片1018。內軸1004包括帶螺紋的外部1010。軸環組件1008包 括帶螺紋的內部1012以及翼片連接部分1014。內軸1010的帶螺紋外 部與軸環組件的帶螺紋內部1012嚙合。該軸環組件被限制于桅桿或支 柱1002的帶槽引導件/支承1006。在內軸1004作為翼片展開操作的一部分而旋轉時，軸環組件沿著軸1004運動。翼片1018附著于翼片固 定環1016;該翼片固定環連接于軸環組件的翼片連接部分1014。在軸
環組件1014沿著內軸1004運動時，翼片的端部隨著被拖動。
圖ll是從不同的視角示出了包括在圖IO的示例性結構1000內的 一些部件的視圖1100。翼片1018示出為處于部分縮入的狀態。
圖8是根據本發明的示例性轂組件800的圖上的頭部的視圖。轂 組件800可以用于圖1的風輪機系統100內。轂組件800包括轂802、 翼片展開驅動軸/桅桿軸齒輪812、四個桅桿軸驅動齒輪814、四個桅桿 軸/支柱軸齒輪816和四個支柱軸驅動齒輪818。桅桿804和支柱806 分別經由支撐件820、 822而連接于轂802上。翼片展開驅動軸824連 接于翼片展開驅動軸/桅桿軸齒輪812上。在齒輪812旋轉時，四個桅 桿軸驅動齒輪814旋轉，使桅桿軸808轉動以展開或縮入翼片。此外， 在桅桿軸旋轉時，桅桿軸/支柱軸齒輪816旋轉。齒輪816與支柱軸齒 輪818嚙合；因此支柱軸810也相應地與桅桿軸的旋轉一起旋轉，以 執行受控的翼片展開或翼片縮入操作。
圖9為示出了根據本發明的一些實施例的能量儲存特征件的視圖 900。風輪機塔結構卯2包括高能量電容器或電容器組904。電容器卯4 電連接于接口電路906。接口電路906可以包括切換、濾波、和/或轉 換電路，并且可以在風輪機系統內的計算機控制模塊，例如圖1的示 例性系統的模塊112的引導下運行。接口電路906還連接于風輪機發 電機輸出端908和電網和/或負荷910。在風輪機發電機輸出端產生的 能量超過電能負荷要求的情況下，可以將額外的能量儲存在高能量電 容器904內。在風輪機發電機的能量輸出低于電負荷要求或發電機輸 出為零的情況下，于是可以從電容器904提取出儲存的能量并將其供 應到負荷。
在一些實施例中，液壓流體在用于高能電容器904的塔結構內移動。高能電容器904例如是能量儲存密度為30千瓦-小時每千克的碳納
米管電容器。在一些實施例中，高能電容器904包含在流體池內，或
與塔并列。除了儲存在高壓箱中的高壓流體內的能量之外，由高能電
容器904提供的附加能量儲存容量可以顯著提高根據本發明一些實施 例的風輪機的現場儲能容量。例如，重量為一萬磅的30千瓦-小時每千 克的碳納米管電容器在高能量輸出的期間內可充電至使得4兆瓦的風 車系統能夠在發電機不能產生能量的情況下進行34小時的延長輸出。 該能量儲存增強容量將使能量曲線平滑，提高風輪機系統的效率，因 此使得在一定時間內有更多的能量傳送到電網。
盡管已經描述了利用機械裝置機構控制翼片的展開，但是也可以 采用電動馬達驅動的方式來控制翼片材料的展開和縮回。在一個這樣 的實施例中，在計算機控制系統的控制下由作為風速的函數而產生的 電信號控制的電動馬達用來驅動每個葉片內的翼片展開。在一個這樣 的系統中， 一個電動馬達安裝在對于每個葉片的轉子組件的中心附近 并且用來控制該葉片的翼片的展開。通常，控制對應于彼此相對安裝 的兩個葉片的兩個馬達使翼片材料均勻展開并維持葉片平衡。
在各種實施例中，利用一個或多個模塊實現這里描述的要素，以 執行對應于本發明的一種或多種方法的步驟。因此，在一些實施例中， 利用模塊實現本發明的各種特征。這些模塊可利用軟件、硬件或軟件 和硬件的組合實現。以上描述的多種方法或方法步驟能夠利用包含在 機器可讀介質，例如，諸如RAM、軟盤等的存儲器裝置內的機器可執 行指令(諸如軟件)來執行，以控制機器，例如具有或沒有附加硬件 的通用計算機來執行所有或一部分上述方法，例如在一個或多個節點 內。因此，尤其是，本發明還可面向包括機器可執行指令的機器可讀 介質，用于使機器，例如處理器和作為測試裝置一部分的相關硬件來 執行上述方法中的一個或多個步驟。
鑒于本發明上面的描述，對上面描述的本發明的方法和設備的多種另外的變化對于本領域的技術人員而言將是很顯然的。應當認為這 些變化屬于本發明的范圍內。
權利要求
1.一種風車組件，其包括葉片組件；液壓泵，該液壓泵連接至所述葉片組件；高壓儲存箱，該高壓儲存箱連接至所述液壓泵，用于在壓力下儲存由所述泵輸出的液壓流體；液壓馬達，該液壓馬達具有連接至所述高壓儲存箱的流體入口；以及發電機，該發電機連接于至所述液壓馬達。
2. 根據權利要求l所述的風車組件，其還包括 定位在所述高壓儲存箱和所述液壓馬達之間的比例閥，用于控制供應至所述液壓馬達的液壓流體的流體量和壓力中的至少一個。
3. 根據權利要求2所述的風車組件，其還包括 計算機控制模塊，該計算機控制模塊作為所述高壓箱內的液壓流體壓力的函數而控制所述比例閥。
4. 根據權利要求3所述的風車組件，其還包括支撐塔，所述高壓箱的至少一個壁為所述支撐塔的一體部分。
5. 根據權利要求3所述的風車組件，其還包括 風力傳感器，該風力傳感器用于檢測風速；閥，該闊將所述高壓箱的輸出端連接至所述液壓泵的輸入端；以及位于所述計算機模塊內控制模塊，用于控制所述閥，以將壓力下 的液壓流體供應到所述液壓泵。
6. 根據權利要求5所述的風車組件，其中，所述控制模塊包括計算機可執行的指令，以在所述風力傳感器指出至少是預定風速時打開 所述閥，以使所述液壓泵作為驅動馬達運行以引起所述葉片組件的啟 動旋轉。
7. 根據權利要求3所述的風車組件，其中，所述葉片組件包括多 個葉片，所述葉片中的至少一些葉片包括可縮回的翼片組件。
8. 根據權利要求3所述的風車組件，其中，所述計算機控制模塊監控所述風力傳感器，用于判斷風速是否不足以以連續的方式產生電能，并且在預定量的不足夠風速之后產生警報，所述警報指示利用 所述高壓液壓流體產生電能的能力預計在將來的某一時刻停止。
9. 根據權利要求8所述的風車組件，還包括連接至輔助液壓馬達的輸出端的低壓流體箱，該低壓流體箱在其頂部處包括有加壓的惰性 氣體。
10. 根據權利要求9所述的風車組件，還包括電儲存電容器，其設置在所述高壓流體箱和低壓流體箱中的至少 一個內，所述電容器暴露至存儲在所述高壓流體箱和低壓流體箱中的 所述一個內的液壓流體。
11. 根據權利要求1所述的風車組件，其中，所述液壓馬達和發 電機組件設置在地面處，并且其中所述液壓泵設置在位于所述支撐塔 頂部處的主驅動殼體內。
12. 根據權利要求ll所述的風車組件，其中，所述發電機直接連 接至所述液壓馬達，并且以與所述液壓馬達相同的速率旋轉。
13. 根據權利要求3所述的風車組件，其中，所述計算機控制模 塊作為風速的函數而控制翼片展開的量。
14. 根據權利要求13所述的風車組件，其中，所述葉片組件包括 桅桿和支柱，所述翼片組件在處于縮回狀態的情況下巻繞在所述支柱 內。
15. 根據權利要求14所述的風車組件，其中，所述計算機控制模塊響應于所檢測風速的變化而動態地改變翼片展開量。
16. 根據權利要求15所述的風車組件，還包括翼片驅動馬達和連 接至所述翼片驅動馬達的齒輪組件，所述翼片驅動馬達的旋轉使得所 述齒輪組件根據所述齒輪組件的旋轉方向而旋轉退繞或旋轉巻繞所述 翼片。
17. —種利用風產生電能的方法，其包括運行風力驅動的液壓泵，以將壓力下的液壓流體泵送到第一儲存箱；將處于壓力下的液壓流體從所述第一儲存箱釋放至液壓馬達； 運行所述液壓馬達以驅動發電機；以及 輸出由所述發電機產生的電流。
18. 根據權利要求n所述的方法，還包括控制至所述液壓馬達的液壓流體的釋放，以在所述第一儲存箱內 的壓力變化時在一段時間內維持恒定的轉速。
19. 根據權利要求18所述的方法，還包括 運行由風力驅動的葉片組件，以使所述液壓泵旋轉； 監控所述第一箱內的壓力以及風速；以及在所述風速下降到足以維持電能輸出的水平以下時產生警報信號。
20. 根據權利要求18所述的方法，還包括作為所述監控壓力和所述風速的函數而產生信號，該信號指示在 預計由于風速不足以維持電流輸出而停止輸出電流之前的時間量。
21. 根據權利要求18所述的方法，還包括 在執行輸出電流的所述步驟之前；利用輸出自所述第一箱的處于壓力下的液壓流體以驅動所述葉片 組件，因而便于葉片從初始非旋轉狀態旋轉。
22. 根據權利要求18所述的方法，還包括其中，控制液壓流體至所述液壓馬達的釋放，以維持恒定的轉速， 該控制包括利用計算機控制用于向所述液壓馬達供應液壓流體的比例 閥，所述計算機利用指示所述第一箱內的壓力的壓力信息來確定打開 所述比例閥的程度。
23. 根據權利要求22所述的方法，還包括 將所述液壓馬達輸出的液壓流體儲存在第二儲存箱內；以及 將保持在比所述第一儲存箱內的壓力低的壓力下的氣體包括在所述第二儲存箱內。
24. 根據權利要求19所述的方法，還包括 將所述液壓泵安裝在安裝有所述葉片組件的塔的頂部上；以及 在所述塔內包括所述第一和第二儲存箱中的至少一個。
25. 根據權利要求24所述的方法，還包括將所述液壓馬達和所述發電機安裝在靠近所述塔的基部的地面上。
26. 根據權利要求18所述的方法，還包括操作所述計算機作為風速的函數而控制葉片表面積的量，所述計算機使得形成所述葉片表面的至少一部分的翼片表面積作為所檢測風 速的函數而而伸展或縮回。
全文摘要
一種風輪機組件包括可變的葉片組件，該葉片組件包括可調節的翼片和沿著風速捕捉包線延伸的機翼形桅桿。葉片組件轉動液壓泵，該液壓泵對流體加壓并將加壓的流體儲存在支撐塔內的腔室中。加壓流體通過可電子控制的比例閥而被引導到連接于發電機上的液壓馬達。計算機控制模塊操作比例閥來調節至液壓馬達的壓力，維持發電機轉速，并向電網提供一致的輸出頻率。儲存在高壓箱內的能量用于在風停止后繼續發電機的運行，使得能較早地提出警報，通知動力管理系統即將有功率損失。高壓箱內剩余的壓力使得能通過液壓而不是從電網抽取動力來重新啟動運行。現場有高能電容器儲存額外的能量。
文檔編號F03D9/00GK101268275SQ200680034546
公開日2008年9月17日 申請日期2006年7月26日 優先權日2005年7月27日
發明者弗蘭克·麥克林蒂克 申請人:弗蘭克·麥克林蒂克