專利名稱：具有至少一個葉片組的能量提取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及利用流動的流體產(chǎn)生能量，尤其涉及一種從流動的流體提取能量 的能量提取裝置。
背景技術(shù)：
目前，人類對可再生與無污染能源的需求量很高，各種傳統(tǒng)的用于產(chǎn)生能量的能 源由于其環(huán)境方面的不利因素，正在變得越來越不受人們的青睞。眾所周知，電能可以自以 風的形式移動的一團氣體中的動能獲得，就此而言，諸如風力渦輪機之類的風能發(fā)電機正 逐步變得越來越具有吸引力。風力渦輪機具有兩種基本類型1)水平軸線風力渦輪機(HAWT)與2)垂直軸線風 力渦輪機(VAWT)。在HAWT之中，主轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機通常設(shè)置在塔頂上并指向風中或者說平行 于風向；與此相反地，VAffT具有垂直指向的主軸，這種構(gòu)造方式的一個優(yōu)點在于發(fā)電機與 齒輪箱可以設(shè)置在塔架的底部，因而不必支撐于塔架的頂端。現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開了多種不同類型的垂直軸線渦輪機，例如，美國專利 7，083，382公開了一種垂直軸線風力渦輪機，它包括一轉(zhuǎn)軸，至少一個臂從該轉(zhuǎn)軸呈放射狀 延伸，其中各臂上至少可轉(zhuǎn)動地安裝有一個葉片。葉片可以從具有第一阻力的第一位置運 動至具有第二阻力的第二位置，第一阻力大于第二阻力從而形成轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動。在另一個實 施例中，各個臂上安裝有多個連續(xù)排列的葉片，每個葉片均可獨立地轉(zhuǎn)動。公開號為2007/0014658A1的美國專利公開了一種具有變槳距式平葉片與加速簾 的垂直軸線風車，變槳距式平葉片可轉(zhuǎn)動地連接于桁架式的輻射狀臂上并通過鏈條或者皮 帶在馬達的驅(qū)動下繞一垂直軸線轉(zhuǎn)動，加速簾同樣也連接于桁架式的輻射狀臂上并可以通 過另一單獨的馬達被升高或者降低，平葉片與加速簾的運動由風向標來控制。美國專利5，855，470公開了一種具有槳片的風車，其槳片在順風運動的過程中轉(zhuǎn) 至迎風方向，在逆風運動的過程中刃口超前地轉(zhuǎn)動，每個槳片的指向通過相關(guān)聯(lián)的齒輪傳 動與皮帶傳動的配合而改變，整個風車安裝在迎風處的舌片上，舌片可轉(zhuǎn)動地連接于一平 臺并起到方向控制器的作用。垂直軸線風力渦輪機的一個已知問題在于其相對較低的效率以及相當復雜的構(gòu) 造過程，其中可能會包含大量的移動部件，而效率較低的一個原因在于葉片的有效獲流面 積與葉片掃過的面積相比經(jīng)常太?。涣硪粋€問題在于垂直軸線風力渦輪機在強風和/或暴 風中具有會變得不穩(wěn)定的趨勢。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供了一種適于從流動的流體中提取能量的能量提取裝置，其中葉片的有效獲流面積與葉片掃過的面積相比得到了增大。該能量提取裝置可連接至發(fā)電機以 產(chǎn)生電能，如果風況變得惡劣或者不良時還可根據(jù)要求停止。根據(jù)廣泛的一方面，本發(fā)明提供了一種用于從流動的流體中提取能量的能量提取 裝置，該能量提取裝置包括一可轉(zhuǎn)動地安裝于一支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一 轉(zhuǎn)動主軸線；至少一個通過自轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主軸線往外呈放射狀設(shè)置的連接部連接于轉(zhuǎn) 動部件的可轉(zhuǎn)動的葉片組，該至少一個葉片組包括一組間隔設(shè)置的葉片，至少一個葉片組 中的每一個具有一轉(zhuǎn)動組軸線；以及用于控制至少一個可轉(zhuǎn)動的葉片組相對于流體流動方 向的角度位置的變槳距控制裝置。根據(jù)另一方面，本發(fā)明提供了一種垂直軸線風力渦輪機，包括一安裝于一支撐結(jié) 構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一垂直的轉(zhuǎn)動主軸線以及復數(shù)個自該主軸線線往外呈放射 狀延伸的成角度間隔分布的支撐臂；復數(shù)個可轉(zhuǎn)動的葉片組，其中每個葉片組通過遠離于 轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主軸線設(shè)置的連接部連接至轉(zhuǎn)動部件的對應(yīng)的支撐臂上，每個葉片組包括 一組間隔設(shè)置的葉片，每個葉片組中至少有一個具有轉(zhuǎn)動組軸線，每個葉片可繞其自身葉 片軸線轉(zhuǎn)動；以及用于控制葉片組相對于風向的角度位置的變槳距控制裝置。根據(jù)又一方面，本發(fā)明提供了一種風力渦輪機，包括一可轉(zhuǎn)動地安裝于一支撐結(jié) 構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一轉(zhuǎn)動主軸線以及復數(shù)個以自主軸線往外呈放射狀延伸的 成角度間隔分布的支撐臂；復數(shù)個葉片組，其中每個葉片組通過遠離于轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主 軸線設(shè)置的連接部連接至轉(zhuǎn)動部件的對應(yīng)的支撐臂上，每個葉片組包括一組基本平行的間 隔設(shè)置的葉片，每個葉片組中至少有一個具有轉(zhuǎn)動組軸線，每個葉片可繞其自身葉片軸線 轉(zhuǎn)動；以及用于控制葉片組相對于風向的角度位置的變槳距控制裝置。根據(jù)再一方面，本發(fā)明提供了一種垂直軸線風力渦輪機，包括一可轉(zhuǎn)動地安裝于 一支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一垂直的轉(zhuǎn)動主軸線；至少一個通過自轉(zhuǎn)動部件 的轉(zhuǎn)動主軸線往外呈放射狀設(shè)置的連接部連接于轉(zhuǎn)動部件的可轉(zhuǎn)動的葉片組，該至少一個 葉片組包括一組間隔設(shè)置并固定在一起的葉片，每個葉片可繞其自身葉片轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動；以 及用于控制葉片相對于風向的角度位置的變槳距控制裝置。在一個實施例中，至少一個葉片組中的每一個的分隔設(shè)置的葉片基本相互平行并 固定在一起。每個轉(zhuǎn)動組軸線可以基本平行于轉(zhuǎn)動主軸線，每個葉片可繞其自身葉片軸線 轉(zhuǎn)動。葉片繞其自身軸線轉(zhuǎn)動的速度為可控制的，如果葉片可繞其自身葉片軸線轉(zhuǎn)動，每個 葉片相對于流體流動方向的角度位置為可控制的，并可根據(jù)流體的流速、流體的流動方向 以及包括葉片在內(nèi)的至少一個葉片組的位置中的至少一個進行調(diào)整。在一個實施例中，變槳距控制裝置可以包括一連接于至少一個葉片組的流向儀， 以用于根據(jù)流體的流動方向調(diào)整至少一個葉片組的角度位置。它可包括一連接于至少一個 葉片組的組齒輪以及一沿主軸線設(shè)置的參考齒輪，參考齒輪可獨立于轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動，組齒 輪結(jié)合至參考齒輪以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。它還可包括一連接至參考齒輪以驅(qū)動參考齒輪轉(zhuǎn)動的 制動驅(qū)動器。在一個實例中，制動驅(qū)動器引起流向儀與參考齒輪之間的相對轉(zhuǎn)動。變槳距控 制裝置還可進一步包括一連接至參考齒輪的流向儀，該流向儀指示了流體的流動方向。參 考齒輪與組齒輪的齒輪齒數(shù)比可以為1 2。
在一個實施例中，變槳距控制裝置包括一指示風向的風向標、一運行時連接至風 向標以用于接收風向信息的控制器，控制器運行時連接至一馬達，該馬達連接于至少一個 葉片組，以調(diào)整至少一個葉片組的角度位置。它可以包括一運行時連接至控制器的風速計。至少一個葉片組的轉(zhuǎn)動速度可以是可控制的。本發(fā)明的以上方面以及其它方面的詳細內(nèi)容將根據(jù)包含在下文中的詳細說明以 及附圖來闡明。


現(xiàn)對附圖作出說明如下附圖1為根據(jù)一個實施例的垂直軸線風力渦輪機的立體圖；附圖2為附圖1中的垂直軸線風力渦輪機頂部的局部立體圖，顯示了變槳距控制裝置；附圖3A為附圖1中的垂直軸線風力渦輪機的制動機構(gòu)處于工作位置的立體圖；附圖3B為附圖3A中的制動機構(gòu)處于制動位置的等比例立體圖；附圖4為附圖1中的垂直軸線風力渦輪機頂部平面圖，反映了葉片組定向至驅(qū)動 位置；附圖5為附圖1中的垂直軸線風力渦輪機的葉片組的俯視示意圖，以45度間隔反 映了葉片組繞主軸線的增量轉(zhuǎn)動過程；附圖6為附圖1中的垂直軸線風力渦輪機的頂部平面圖，顯示葉片組定向至一制 動位置；附圖7為附圖1中的垂直軸線風力渦輪機下部的局部立體圖，顯示了根據(jù)另一實 施例的變槳距控制裝置；附圖8為附圖1中的垂直軸線風力渦輪機的俯視圖，顯示葉片組定向至另一制動 位置；附圖9包括附圖9a與附圖％，為根據(jù)另一實施例的垂直軸線風力渦輪機的一葉片 組的俯視示意圖，以90度間隔反映了葉片組增量轉(zhuǎn)動以及葉片的獨立轉(zhuǎn)動，附圖9a顯示葉 片組在第一轉(zhuǎn)動周期內(nèi)的轉(zhuǎn)動，附圖9b顯示葉片組在連續(xù)于第一轉(zhuǎn)動周期的第二轉(zhuǎn)動周 期內(nèi)的轉(zhuǎn)動。
具體實施例方式參見附圖1，根據(jù)一個實施例的垂直軸線風力渦輪機一般參見標號10。風力渦輪 機10用于從以風的形式流動的氣體中提取能量，當然也能適用于從其它例如水之類的流 體中提取能量。風力渦輪機10包括一可轉(zhuǎn)動地安裝于一概括以標號14對照顯示的支撐結(jié) 構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件概括以標號12顯示；連接于轉(zhuǎn)動部件12的三個可轉(zhuǎn)動的葉片 組，概括以標號16、18和20對照顯示；以及用于控制葉片組16、葉片組18和葉片組20相 對于流動氣流的角度位置的變槳距控制裝置。短語“垂直軸線”是針對流體的流動方向來 說的，用來包含任意基本垂直于流體流動方向的軸線。轉(zhuǎn)動部件12具有一轉(zhuǎn)動主軸線22并包括用于將葉片組16、葉片組18以及葉片 組20連接至中空的主軸28的上部支撐臂24與下部支撐臂26，主軸28可以結(jié)合至發(fā)電機 (圖中未表示)，以用于發(fā)電。臂24和26從主軸28呈放射狀地延伸，并且每一對對應(yīng)的上部支撐臂24與下部支撐臂26相對于主軸線22形成相同的角度間隔，葉片組16、葉片組18 和葉片組20在自轉(zhuǎn)動主軸線22向外呈放射狀設(shè)置的連接部與臂24和26相連接。葉片組 16、葉片組18以及葉片組20中的每一個包括一組基本相平行的間隔設(shè)置的葉片30，這些葉 片30通過框架32固定在一起，葉片組16、葉片組18以及葉片組20中的每一個可繞其自身 的組軸線33轉(zhuǎn)動。 支撐結(jié)構(gòu)14包括一基板34以及一沿垂直方向延伸的套管36，主軸28在套管36 內(nèi)延伸并被可轉(zhuǎn)動地支撐，套管36通過支柱38連接至基板34。相應(yīng)地，套管36并不完全 延伸至基板34，主軸28的一部分是露出來的。主軸28在套管36內(nèi)部可以由圖中未示出的 普通軸承或者凸輪從動件被可轉(zhuǎn)動地支撐?；?4用于將風力渦輪機10固定至合適的基 座上，基座在圖中雖未示出但對本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員來說是顯而易見的。附圖2至附圖3B中顯示了變槳距控制裝置。變槳距控制裝置包括轉(zhuǎn)動連接至中 空主軸28的一控制軸40 (如附圖3A與3B所示)、通過風向標連接器43連接至控制軸40 的風標42、設(shè)置在控制軸40上的三個參考齒輪44以及三個對應(yīng)的組齒輪46，也就是說與 葉片組16、葉片組18和葉片組20中的每一個相一一對應(yīng)，各個組齒輪46連接至對應(yīng)葉片 組16或18或20的框架32上，各個組齒輪46還通過環(huán)鏈48連接至對應(yīng)的參考齒輪44。 術(shù)語“齒輪”包括傳統(tǒng)的有齒齒輪、滑輪、鏈輪或類似物。與此相似的，術(shù)語“環(huán)鏈”包括可用 于連接滑輪的皮帶。參考齒輪44或者還可以使用轉(zhuǎn)軸連接至其各自對應(yīng)的組齒輪46。這 里還可以使用其它各種力矩傳遞的方式，這些改變方式對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而 易見的。每個參考齒輪44與其對應(yīng)的組齒輪46的齒輪齒數(shù)比為1 2，這意味著對應(yīng)于 參考齒輪44的每一周完整的旋轉(zhuǎn)，與其相對應(yīng)的組齒輪46將旋轉(zhuǎn)半周。控制軸40通過軸 套49被可轉(zhuǎn)動地支撐于主軸28內(nèi)，因而可獨立于主軸28轉(zhuǎn)動。一可供選擇的蓋子(未示 出)可以覆蓋于齒輪44和46以及鏈條48上，從而防止受壞天氣影響。附圖3A與3B顯示了用于停止轉(zhuǎn)動部件12的轉(zhuǎn)動的制動機構(gòu)，該制動機構(gòu)概括以 標號50顯示，制動機構(gòu)50包括一桿52、形成于連接器43上的螺旋槽54以及設(shè)置在螺旋槽 54內(nèi)并連接至控制軸40的導向螺栓56。桿52在控制軸40內(nèi)延伸并連接至連接器43的 上端內(nèi)部，桿52還在主軸28內(nèi)向下延伸穿過基板34并在基板34以下與一用于沿軸向移 動桿52的驅(qū)動裝置(未示出)相連接。桿52可以通過手動杠桿、液壓缸、電機或者任何合 適的驅(qū)動裝置來驅(qū)動，如下文將要詳細描述的那樣。附圖4反映了風力渦輪機10的一操作狀態(tài)或者運轉(zhuǎn)狀態(tài)，在該特定狀態(tài)下，氣流 或者風的方向被標記為W，而轉(zhuǎn)動部件12的轉(zhuǎn)動方向為逆時針方向并被標記為R。首先，在 操作風力渦輪機10之前，組齒輪46必須連接至參考齒輪44，從而使得葉片組16、葉片組18 和葉片組20之間定位至如附圖4所示的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，這種葉片組16、葉片組18和葉片組20 之間的定位使得風W沖擊葉片30以使轉(zhuǎn)動部件12沿R的方向轉(zhuǎn)動。在操作中，葉片組16、葉片組18和葉片組20中的每一個隨著轉(zhuǎn)動部件12繞主軸 線22的轉(zhuǎn)動相對于對應(yīng)的參考齒輪44繞其各自的組軸線33旋轉(zhuǎn)，相應(yīng)地，葉片組16、葉 片組18和葉片組20彼此之間維持其相對角度位置不變。如前面提及的，基于參考齒輪44 與組齒輪46的齒輪齒數(shù)比，葉片組16、葉片組18和葉片組20在轉(zhuǎn)動部件12每旋轉(zhuǎn)一整周 時各自旋轉(zhuǎn)半周，這就使得葉片組16、葉片組18以及葉片組20在如附圖4所示的位置之 間持續(xù)轉(zhuǎn)動，與此同時轉(zhuǎn)動部件12也相對于參考齒輪44旋轉(zhuǎn)。隨著風W沖擊葉片組16和18的葉片30，所產(chǎn)生的切向力被傳遞至對應(yīng)的臂24和26，因而使得轉(zhuǎn)動部件12沿R的方 向旋轉(zhuǎn)。與此相反，隨著葉片組20如附圖4所示的那樣逆著風W運動，其方向基本平行于 風W的方向以使反向的阻力最小。附圖5中表示了一個葉片組16以45度間隔增量旋轉(zhuǎn)的 過程，圖中顯示了葉片組16、葉片組18和葉片組20在各自繞主軸線22轉(zhuǎn)動的過程中相對 于風W的定向。參見附圖5，葉片組16的四個直角位置隨著轉(zhuǎn)動部件12沿R方向的轉(zhuǎn)動依次被 標記為I、II、III和IV。在位置I與位置III處，葉片30與風W的方向呈約45度的攻角， 作用于轉(zhuǎn)動部件12的切向力主要由風W沖擊葉片30而產(chǎn)生的升力(垂直于流體方向)形 成；在位置II處，葉片組16的定向使葉片30垂直于風W的方向以使風的阻力最大化；最 后，在位置IV處，葉片組16的定向使葉片30平行于風W的方向以使風的阻力最小化。葉片組16、葉片組18以及葉片組20內(nèi)的復數(shù)個相對平坦的葉片30之間的平行設(shè) 置，與使用單個安裝于各套臂24和26上的葉片的方式或者使用復數(shù)個串聯(lián)安裝于各套臂 24和26上的葉片的方式相比較，提供了相對于葉片30掃過的面積來說更大的捕捉風W的 有效面積，葉片組16、葉片組18以及葉片組20內(nèi)的復數(shù)個葉片30之間的平行設(shè)置方式相 較于串聯(lián)設(shè)置方式還減少了運動部件的數(shù)目。優(yōu)選地，風力渦輪機10以相對較低的速度轉(zhuǎn)動并且還包括一內(nèi)設(shè) 的限速器。由于 風力渦輪機10的推力極大程度上依靠施加于葉片30上風的阻力，故葉片30的切線速度不 能超出風W的速度，否則將剎車。風標42自動并且連續(xù)地使自身朝向與風W相一致的方向，由于風標42連接于控 制軸40，控制軸40與參考齒輪44的定向同樣隨著風W的方向而變化。因此控制軸40代 表了風W的方向，并作為葉片組16、葉片組18和葉片組20連續(xù)定向所基于的一參照部件。 因為控制軸40的方向根據(jù)風W的方向而變化，各葉片組16或18或20的定向也發(fā)生變化 或者因此改變指向。該變槳距控制裝置保證了葉片組16、葉片組18和葉片組20中的每一 個維持合適的相對定向，以引起轉(zhuǎn)動部件12與風W的方向無關(guān)的轉(zhuǎn)動。制動機構(gòu)50用于在需要時阻止轉(zhuǎn)動部件12的轉(zhuǎn)動。例如，當需要對風力渦輪機 10進行維護或者在風況不符合要求或者太惡劣有可能會造成風力渦輪機10不穩(wěn)定和/或 損壞的情況下，最好將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動部件12停下來。本質(zhì)上，制動機構(gòu)50提供了一種使風力 渦輪機10的變槳距控制裝置功能提升(overriding)并使得風標42與控制軸40相對彼此 轉(zhuǎn)動的方式。再如附圖3A與3B所示，桿52通過相對控制軸40沿豎直方向移動風標42起 到制動驅(qū)動器的作用。由于桿52與風標42相對于控制軸40是沿垂直方向移動的，因此安 裝于控制軸40的導向螺栓56沿著形成于連接器43上的螺旋槽54的軌跡運動，從而控制 軸40相對于風標42轉(zhuǎn)動，風標42由于作用于其上的風W的作用力而基本保持靜止狀態(tài)。附圖3A顯示風標42與控制軸40處于工作位置，附圖3B顯示風標42與控制軸40 位于停止位置，此時風標42與控制軸40相對彼此轉(zhuǎn)過90度角。當風標42被桿52經(jīng)過停 止位置進一步向上推，控制軸40與風標42之間的相對轉(zhuǎn)動超過了 90度，轉(zhuǎn)動部件12之后 便開始朝相反方向轉(zhuǎn)動。之后桿52可以朝工作位置復位偏移。風標42與控制軸40之間90度的轉(zhuǎn)動將引起各葉片組16或18或20繞其各自的 組軸線33轉(zhuǎn)動45度，基于葉片組16、18和20的受迫轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動部件12最終停止轉(zhuǎn)動并在 產(chǎn)生的風標作用下自動轉(zhuǎn)換為附圖6所示的相對于風W的位置。在這種狀態(tài)下，葉片組16的葉片30垂直于風W的方向并且沒有切向力被傳遞到轉(zhuǎn)動部件12。與此同時，葉片組18和葉片組20的定位使各自的葉片30可以給轉(zhuǎn)動部件12傳遞相對均等并且方向相反的切 向力，該反向的切向力相互抵消從而沒有剩余的切向力傳遞至轉(zhuǎn)動部件12。如上所述，各葉片組16或18或20在轉(zhuǎn)動部件12的每個完整轉(zhuǎn)動周期內(nèi)轉(zhuǎn)動半 周，因此風力渦輪機10可以停止在一可選的停止狀態(tài)(未示出)，其中，葉片組16轉(zhuǎn)過90 度，也就是說，葉片組16平行于風W而葉片組18和20沿順時針轉(zhuǎn)過90度。因此，各葉片 組的葉片30傳遞相對均等且方向相反的切向力至轉(zhuǎn)動部件12，這些切向力相互抵消因而 沒有切向力被傳遞至轉(zhuǎn)動部件12。附圖7根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例顯示了的變槳距控制裝置。該變槳距控制裝置 包括一風標100，一風速計102，一控制器104以及多個分別獨立地連接至葉片組16、葉片組 18和葉片組20的馬達106，馬達106優(yōu)選在下部臂26的位置附近與葉片組16、葉片組18 和葉片組20連接。該變槳距控制裝置優(yōu)選為一閉環(huán)控制裝置，其中控制器104從風標100 接收風向信息，從風速計102接收風速信息，并據(jù)此相應(yīng)地控制馬達106。風標100在運行 中可以通過編碼器108連接到控制器，風速計102在運行中可以通過流速計110連接至控 制器。風標100與風速計102可以固定在風力渦輪機10的固定部件上，或者也可以設(shè)置在 遠離風力渦輪機10的地方。馬達106可以是步進馬達、伺服馬達等?？梢允褂萌我膺m合的 控制器例如個人電腦、可編程邏輯控制器(PLC)等。傳送至馬達106的控制信號可以通過 無線方式傳輸以避免過長的線路。電線(未示出)可以使用集電環(huán)的方式或類似裝置連接 至馬達以防止電線纏繞到主軸28上。為了維持轉(zhuǎn)動部件12的轉(zhuǎn)動，馬達106持續(xù)旋轉(zhuǎn)葉片組16和18以及20以維持 葉片組16、葉片組18和葉片組20之間的相對角度定位并產(chǎn)生附圖4所示的狀態(tài)?？刂破?104可以使用風向信息、風速信息，并可以監(jiān)控轉(zhuǎn)動部件12的角度位置以持續(xù)適當?shù)貙⑷~ 片組16和18以及20定位。一旦接收到停止風力渦輪機10的指令，控制器104立即指示 馬達106將葉片組16、18和20定位至如上所述的附圖6中所示的狀態(tài)。作為另外一種選 擇，葉片組16、18和20還可以被定位至如附圖8所示的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，每個葉片組 16或18或20被定位至所有葉片30都平行于風W方向的狀態(tài)，以使曳力與升力最小化。因 此，附圖8中葉片的狀態(tài)同樣不會引起任何剩余的切向力被傳送至轉(zhuǎn)動部件12。附圖9顯示了垂直軸線風力渦輪機10的另一個可選實施例。在本實施例中，葉片 組16、18和20中的每一個與轉(zhuǎn)動部件12的轉(zhuǎn)動等量地成比例轉(zhuǎn)動。同樣地，各個葉片30 也可以通過傳統(tǒng)方式(未表示)可轉(zhuǎn)動地安裝至對應(yīng)的框架32中并可以繞其各自的葉片 軸線轉(zhuǎn)動。葉片30與葉片組16、18和20以及轉(zhuǎn)動部件12通過在圖中未示出的同步機構(gòu) 而實現(xiàn)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動。同步機構(gòu)可以具有多種不同的構(gòu)造，如齒輪、齒輪/鏈條、電機等，這對于 本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。葉片組16、18和20中的每一個上的葉片30對應(yīng)于 轉(zhuǎn)動部件12的每個整周轉(zhuǎn)動成比例地轉(zhuǎn)動半周。附圖9反映了一個典型的葉片組16的90 度間隔增量轉(zhuǎn)動以及各葉片的各自轉(zhuǎn)動情況。表示于每個葉片30的邊緣上的點" “用 于闡明并追蹤各個葉片30在轉(zhuǎn)動部件12繞著主軸線22轉(zhuǎn)動一個整周時的轉(zhuǎn)動情況。因 此，附圖9a表示了葉片30處于第一轉(zhuǎn)動周期時的位置，附圖9b表示了葉片30處于連續(xù)于 第一轉(zhuǎn)動周期的第二轉(zhuǎn)動周期時的位置。可以看出，葉片30處于連續(xù)于第二轉(zhuǎn)動周期的第 三轉(zhuǎn)動周期時的位置與附圖9a所示的狀態(tài)相似。因此，葉片30持續(xù)地在附圖9a與附圖9b中所示的位置之間轉(zhuǎn)動。顯然地，在其它實施例中風力渦輪機10可以包括更多或更少的葉片組，而各葉片 組的葉片數(shù)目也可以變化。一般來說，具有更多葉片組的風力渦輪機具有更高的效率，但這 同時也增加了風力渦輪機的生產(chǎn)成本以及質(zhì)量與慣性。在一個實施例中，風力渦輪機包括 3到6組葉片組。葉片速度與風速的比例也是可以變化的，而其最佳比例取決于風速。為了調(diào)整該 比例，風力渦輪機可包括一自動離合系統(tǒng)。在一個實施例中，葉片速度與風速的比例可以在 0. 5到0. 9之間變化，在另一個實施例中，該比例約等于0. 75。如上所述，在一個實施例中，各葉片30可分別轉(zhuǎn)動地安裝于其各自的框架32，框 架32可包括也可不包括臂24和26。框架32也可以繞其各自的組軸線33轉(zhuǎn)動或者可以自 由旋轉(zhuǎn)，也就是說，在風力渦輪機10處于工作位置時不可以繞其組軸線33轉(zhuǎn)動。葉片繞其 葉片軸線的轉(zhuǎn)動可以是線性的或者是非線性的，也就是說，在線性運動中其轉(zhuǎn)動速度可以 是一致的并且與框架的位置無關(guān)，在非線性運動中轉(zhuǎn)速是隨著框架位置而變化的以使產(chǎn)生 的力矩最大化。因此在非線性運動中，葉片的運動或者速度可以在每個轉(zhuǎn)動步驟中利用步 進電機與控制器基于如框架位置、葉片速度與風速比、風向及其它的一些信息來優(yōu)化。葉片可以由剛性或者柔性材料制成，通常相對較輕并且具有一個或者多個并列 的部分。如果葉片呈剛性，基本上為空弧面以使葉片可反向轉(zhuǎn)動。柔性材料通?？梢蕴?供更優(yōu)越的性能，但當暴露于紫外線下時其預期壽命較短。柔性葉片可以由例如碳纖維、 Kevlar 、Mylar 、維克特綸、Spectra ，、Dacron 、尼龍、聚酯等材料制成，并且不 限于以上舉例。鉸接葉片，也就是葉片的構(gòu)造為多個由基本呈剛性的材料制成的并列部分 彼此之間相鉸接，提供了一種有趣的替代方案。在本實施例中，各部分的相對位置可以被控 制以使所產(chǎn)生的力矩最大化。葉片30還可以具有適用于更為有效的從風W或者流動的流體中產(chǎn)生升力的橫斷 面。葉片可以具有矩形、橢圓形或者任何其它適宜的形狀。矩形葉片相對于橢圓形葉片來 說具有較低的葉片升力以及較高的流體阻力。為使施加于葉片的阻力最小化，葉片可以在逆風運動的時候?qū)R成一條線。顯然地，上述風力渦輪機10可用于從水流而不是空氣中提取能量。同樣顯而易見 的是，風力渦輪機10可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的材料或者適當材料的組合經(jīng)由 傳統(tǒng)制造流程來生產(chǎn)制造。垂直軸線風力渦輪機10的適當尺寸可以根據(jù)輸出能量的要求 與操作條件來確定。例如，適當?shù)耐庑纬叽绨s24英尺(7.3m)的整體高度、約2英尺 (0. 6m)的葉片寬度、約4英尺(1.2m)的葉片高度、約8英尺(2.4m)的各組軸線33之間的 弦距。另外，在葉片寬度的1/3到1/2之間的葉片間距都是可行的。如上所述，葉片組16、18以及20的數(shù)目也是可以變化的。即使只有一個葉片組也是可用的，只要風力渦輪機10適于允許單個葉片組轉(zhuǎn)動通過附圖5中所示的位置IV。例 如，這可以通過利用一徑向?qū)ΨQ的葉片單獨帶著該單個葉片組轉(zhuǎn)動經(jīng)過位置IV來實現(xiàn)，或 者通過使用例如飛輪之類的能量儲存機構(gòu)來實現(xiàn)。另外，每個葉片組16或18或20的葉片 30的數(shù)目也可以根據(jù)性能和設(shè)計要求而改變。其他的這類構(gòu)造對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說 是顯而易見的。葉片支撐框架可以包括一上部板和一下部板(未示出)，其分別安裝在上部臂24的上方和下部臂26的下方以將風集中朝向風力渦輪機10。在一可選的實施例中，葉片可以直接安裝在上部板和下部板上而不通過上部臂24和下部臂26。 以上說明只作為示例性說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看出，在不背離本公開的發(fā) 明的精神實質(zhì)的前提下可以對所描述的實施例作出多種變化。根據(jù)本文公開的啟示而作出 落入本發(fā)明范圍的其它一些變更對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說也是顯而易見的，鑒于此，此 類變更均應(yīng)包含在權(quán)利要求內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于從流動的流體中提取能量的能量提取裝置，該能量提取裝置包括一可轉(zhuǎn)動地安裝于一支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一轉(zhuǎn)動主軸線；至少一個通過自轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主軸線向外呈放射狀設(shè)置的連接部連接于轉(zhuǎn)動部件的可轉(zhuǎn)動的葉片組，該至少一個葉片組包括一組間隔設(shè)置的葉片，至少一個葉片組中的每一個具有一轉(zhuǎn)動組軸線；以及一變槳距控制裝置，用于控制至少一個可轉(zhuǎn)動的葉片組相對于流體流動方向的角度位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能量提取裝置，其中，至少一個葉片組中的每一個的的間隔 設(shè)置的葉片基本相互平行并固定在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的能量提取裝置，其中，每個轉(zhuǎn)動組軸線基本平行于轉(zhuǎn)動主 軸線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一所述的能量提取裝置，其中，每個葉片可繞其自身葉片軸 線轉(zhuǎn)動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的能量提取裝置，其中，葉片繞其自身軸線轉(zhuǎn)動的速度為可控 制的。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的能量提取裝置，其中，每個葉片相對于流體流動方向的角 度位置為可控制的，并可根據(jù)流體的流速、流體的流動方向以及包括葉片的至少一個葉片 組的位置中的至少一個進行調(diào)整。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的能量提取裝置，其中，變槳距控制裝置還包括一 連接于至少一個葉片組的流向儀，用于根據(jù)流體的流動方向調(diào)整至少一個葉片組的角度位 置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一所述的能量提取裝置，其中，變槳距控制裝置包括一連接 于至少一個葉片組的組齒輪以及一沿主軸線設(shè)置的參考齒輪，參考齒輪是可獨立于轉(zhuǎn)動部 件轉(zhuǎn)動的，組齒輪連接至參考齒輪以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的能量提取裝置，還包括一連接至參考齒輪以驅(qū)動參考齒輪轉(zhuǎn) 動的制動驅(qū)動器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的能量提取裝置，其中，變槳距控制裝置還包括一連接至 參考齒輪的流向儀，該流向儀指示了流體的流動方向。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的能量提取裝置，其中，制動驅(qū)動器引起流向儀與參考齒輪 之間的相對轉(zhuǎn)動。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11中任一所述的能量提取裝置，其中，參考齒輪與組齒輪的齒輪 齒數(shù)比為1 2。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一所述的能量提取裝置，其中，變槳距控制裝置包括一指 示風向的風向標、運行時連接至風向標用于接收風向信息的一控制器，該控制器運行時連 接至一與至少一個葉片組相連接的馬達，以調(diào)整至少一個葉片組的角度位置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的能量提取裝置，其中，變槳距控制裝置還包括一運行時連 接至控制器的風速計。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一所述的能量提取裝置，其中，至少一個葉片組的轉(zhuǎn)動速 度為可控制的。
16.一種垂直軸線風力渦輪機，包括一安裝于一支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一垂直的轉(zhuǎn)動主軸線以及復數(shù)個以 一定角度間隔分布的支撐臂，支撐臂由主軸線往外呈放射狀延伸；復數(shù)個可轉(zhuǎn)動的葉片組，其中每個葉片組通過遠離于轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主軸線設(shè)置的連 接部連接至轉(zhuǎn)動部件的對應(yīng)的支撐臂上，每個葉片組包括一組間隔設(shè)置的葉片，各葉片組 中至少有一個具有一轉(zhuǎn)動組軸線，每個葉片可繞其自身葉片軸線轉(zhuǎn)動；以及用于控制葉片組相對于風向的角度位置的變槳距控制裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，每個葉片組的間隔設(shè)置的葉 片基本相互平行且固定在一起。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，每個葉片組是可繞其自 身組軸線轉(zhuǎn)動的，該組軸線基本平行于轉(zhuǎn)動部件的主軸線。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，每個葉片是可繞 其自身葉片軸線轉(zhuǎn)動的。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，葉片繞其自身軸線轉(zhuǎn)動的速 度為可控制的。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，每個葉片相對于風向的 角度位置為可控制的，并可根據(jù)風速、風向以及包括葉片的葉片組的位置中的至少一個進 行調(diào)整。
22.根據(jù)權(quán)利要求16至21中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，葉片為柔性的。
23.根據(jù)權(quán)利要求16至22中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置 包括一指示風向的參考部件。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，葉片組連接至參考部件，以引 起葉片組相對參考部件的轉(zhuǎn)動。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的垂直軸線風力渦輪機，還包括一連接至參考部件以改變參 考部件的定向的驅(qū)動裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求16至25中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置 包括一指示風向的風向標、一運行時連接至風向標用于接收風向信息的控制器，該控制器 運行時連接至一與復數(shù)個葉片組中的每一個相連接的馬達，以調(diào)整葉片組的角度位置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置還包括運行 時連接至控制器的一風速計。
28.根據(jù)權(quán)利要求16至22中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置 包括多個組齒輪以及一沿主軸線設(shè)置的參考齒輪，每個組齒輪分別連接至一個葉片組，參 考齒輪為可獨立于轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動的，并且組齒輪連接至參考齒輪以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的垂直軸線風力渦輪機，還包括一連接至參考齒輪以驅(qū)動參 考齒輪轉(zhuǎn)動的制動驅(qū)動器。
30.根據(jù)權(quán)利要求28或29所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置還包括 一連接至參考齒輪的風向標，該風向標指示了風向。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，制動驅(qū)動器引起風向標 與參考齒輪之間的相對轉(zhuǎn)動。
32.根據(jù)權(quán)利要求28至31中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，參考齒輪與組齒 輪的齒輪齒數(shù)比為1 2。
33.根據(jù)權(quán)利要求16至32中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，葉片組的轉(zhuǎn)動速 度為可控制的。
34.一種風力渦輪機，包括一可轉(zhuǎn)動地安裝于一支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一轉(zhuǎn)動主軸線以及復數(shù)個 以一定角度間隔分布的支撐臂，支撐臂自主軸線往外呈放射狀延伸；復數(shù)個葉片組，其中每個葉片組通過遠離于轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主軸線設(shè)置的連接部連接 至轉(zhuǎn)動部件的對應(yīng)的支撐臂上，每個葉片組包括一組基本平行并間隔設(shè)置的葉片，各葉片 組中至少有一個具有一轉(zhuǎn)動組軸線，每個葉片是可繞其自身葉片軸線轉(zhuǎn)動的；以及用于控制葉片組相對于風向的角度位置的變槳距控制位置。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的風力渦輪機，其中，每個葉片組的間隔設(shè)置的葉片基本相 互平行并固定在一起。
36.根據(jù)權(quán)利要求34或35所述的風力渦輪機，其中，每個葉片組為可繞其自身組軸線 轉(zhuǎn)動的，該組軸線基本平行于轉(zhuǎn)動主軸線。
37.根據(jù)權(quán)利要求34至36中任一所述的風力渦輪機，其中，每個葉片是可繞其自身葉 片軸線轉(zhuǎn)動的。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的風力渦輪機，其中，葉片繞其自身軸線轉(zhuǎn)動的速度為可控 制的。
39.根據(jù)權(quán)利要求37或38所述的風力渦輪機，其中，每個葉片相對于風向的角度位置 為可控制的，并根據(jù)風速、風向以及包括葉片的葉片組的位置中的至少一個進行調(diào)整。
40.根據(jù)權(quán)利要求34至39中任一所述的風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置包括一 指示風向的參考部件，每個葉片組可轉(zhuǎn)動地連接于參考部件以使葉片組相對于參考部件轉(zhuǎn)動。
41.根據(jù)權(quán)利要求34至39中任一所述的風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置包括一指 示風向的風向標、一運行時連接至風向標以用于接收風向信息的控制器，該控制器運行時 連接至一與復數(shù)個葉片組相連接的馬達。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置還包括運行時連接至 控制器的一風速計。
43.根據(jù)權(quán)利要求34至39中任一所述的風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置包括一連 接至葉片組的組齒輪以及一沿主軸線設(shè)置的參考齒輪，參考齒輪為可獨立于轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動 的，組齒輪連接至參考齒輪以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的風力渦輪機，還包括一連接至參考齒輪以驅(qū)動參考齒輪轉(zhuǎn) 動的制動驅(qū)動器。
45.根據(jù)權(quán)利要求43或44所述的風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置還包括一連接至 參考齒輪的風向標，該風向標指示了風向。
46.根據(jù)權(quán)利要求44或45所述的風力渦輪機，其中，制動驅(qū)動器引起風向標與參考齒 輪之間的相對轉(zhuǎn)動。
47.根據(jù)權(quán)利要求43至46中任一所述的風力渦輪機，其中，參考齒輪與組齒輪的齒輪齒數(shù)比為1 2。
48.根據(jù)權(quán)利要求36至47中任一所述的風力渦輪機，其中，至少一個葉片組的轉(zhuǎn)動速 度為可控制的。
49.一種垂直軸線風力渦輪機，包括一可轉(zhuǎn)動地安裝于一支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件，該轉(zhuǎn)動部件具有一垂直的轉(zhuǎn)動主軸線；至少一個通過一自轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主軸線往外呈放射狀設(shè)置的連接部連接于轉(zhuǎn)動部 件的可轉(zhuǎn)動的葉片組，至少一個葉片組包括一組分隔設(shè)置并固定在一起的葉片，每個葉片 是可繞其自身的葉片軸線轉(zhuǎn)動的；以及用于控制葉片相對于風向的角度位置的變槳距控制裝置。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，至少一個葉片組中的每個具有一轉(zhuǎn)動組軸線。
51.根據(jù)權(quán)利要求50所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置控制至少一 個可轉(zhuǎn)動的葉片組相對于風向的角度位置。
52.根據(jù)權(quán)利要求49至51中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，至少一個葉片組 中的每一個的分隔設(shè)置的葉片基本相互平行并固定在一起。
53.根據(jù)權(quán)利要求50或52所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，每個轉(zhuǎn)動組軸線基本平 行于轉(zhuǎn)動主軸線。
54.根據(jù)權(quán)利要求50至53中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置 包括一連接于至少一個葉片組的組齒輪以及一沿主軸線設(shè)置的參考齒輪，參考齒輪是可獨 立于轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動的，組齒輪連接至參考齒輪以產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。
55.根據(jù)權(quán)利要求54所述的垂直軸線風力渦輪機，還包括一連接至參考齒輪以驅(qū)動參 考齒輪轉(zhuǎn)動的制動驅(qū)動器。
56.根據(jù)權(quán)利要求54或55所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置還包括 一連接至參考齒輪的風向標，該風向標指示了風向。
57.根據(jù)權(quán)利要求55或56所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，制動驅(qū)動器引起風向標 與參考齒輪之間的相對轉(zhuǎn)動。
58.根據(jù)權(quán)利要求54至57中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，參考齒輪與組齒 輪的齒輪齒數(shù)比為1 2。
59.根據(jù)權(quán)利要求50至53中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置 包括一指示風向的風向標、運行時連接至風向標以用于接收風向信息的一控制器，控制器 運行時連接至一與至少一個葉片組相連接的馬達，以調(diào)整至少一個葉片組的角度位置。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控制裝置還包括運行 時連接至控制器的一風速計。
61.根據(jù)權(quán)利要求49至60中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，葉片繞其自身軸 線轉(zhuǎn)動的速度為可控制的。
62.根據(jù)權(quán)利要求50至55以及61中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，變槳距控 制裝置還包括一連接于至少一個葉片組以用于根據(jù)風向調(diào)整至少一個葉片組的角度位置 的風向標。
63.根據(jù)權(quán)利要求49至62中任一所述的垂直軸線風力渦輪機，其中，每個葉片相對于風向的角度位置為可控制的，并可根據(jù)風速、風向以及包括葉片的葉片組的位置中的至少 一個進行調(diào)整。
64.根據(jù)權(quán)利要求50至63中任一所述的垂直軸線風力渦輪機,其中，至少一個葉片組 的轉(zhuǎn)動速度為可控制的。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種從流動的流體中提取能量的能量提取裝置，該能量提取裝置包括一用于可轉(zhuǎn)動地安裝于一支撐結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動部件、至少一個通過一自轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動主軸線往外呈放射狀設(shè)置的連接部連接于轉(zhuǎn)動部件的可轉(zhuǎn)動的葉片組、一用于控制至少一個可轉(zhuǎn)動的葉片組相對于流體流動方向的角度位置的變槳距控制裝置。轉(zhuǎn)動部件具有一轉(zhuǎn)動主軸線，至少一個葉片組包括一組間隔設(shè)置并固定在一起的葉片，至少一個葉片組中的每一個具有一轉(zhuǎn)動組軸線。
文檔編號F03D3/06GK101815861SQ200880107772
公開日2010年8月25日 申請日期2008年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月6日
發(fā)明者亞歷克斯·格雷尼爾-德斯比恩斯, 托馬斯·格雷尼爾-德斯比恩斯, 杰羅姆·格雷尼爾-德斯比恩斯, 馬里奧·格雷尼爾 申請人:瓦特有限公司