[发明专利]独立式发电垂直轴风力涡轮机系统

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2013年9月6日提交的美国临时申请61/874,561的优先权；所述临时申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及发电行业。具体地讲，本发明涉及一种垂直轴风力涡轮机系统，所述垂直轴风力涡轮机系统具有一个或多个独立涡轮机单元以便经由直驱式发电机捕获风的动能并将动能转换为电能。

背景技术

风车，即一般而言的旋转涡轮机，已用于研磨谷物、泵送水，并且在二十世纪开始被用作风力涡轮机，将风的动能转换为电能。传统上，用于风力发电的风力涡轮机是水平轴涡轮机，该涡轮机的气动叶片径向地布置在水平轴周围并且固定到安装于垂直桅杆顶部的轴。

自采用水平轴风力涡轮机起，多年来，水平轴风力涡轮机的尺寸和容量已增加，以便从单桅杆产生更多动力，从而设法利用规模经济降低其在使用期内发电的成本。较大水平轴风力涡轮机产生的额外动力需要较大容量的发电机，若采取当前使用的发电机技术，发电机会成比例地变大和变重。因此，水平轴风力涡轮机容量的显著增加，要求其部件显著更大并且被构造成能承受显著更大的负载。例如，发电机的尺寸增加需要整个叶片结构的长度和总体尺寸增加，以适应叶片将受到的额外的重量和增加的力。然而，水平轴风力涡轮机的叶片长度存在实际限制。另外，增加叶片的长度会使叶片的制造及运输更复杂且更昂贵，近海组装时尤其如此，因为近海组装将需要大型航海起重机来安装、维护和改装发电机。

风力涡轮机发电机的尺寸增加还会使这些发电机的组装复杂化。目前，常规发电机需要由起重机提升风力涡轮机部件，以便经由桅杆顶端而定位和固定到垂直桅杆。在水平轴涡轮机和垂直轴风力涡轮机中都是如此，在水平轴涡轮机中，风力涡轮机位于桅杆的顶端，而在垂直轴风力涡轮机中，风力涡轮机被提升到桅杆顶端之上，然后降低以将桅杆顶端穿过开口插入到风力涡轮机中。因此，在任一种轴类型中，发电机尺寸的增加，将需要越来越庞大的起重机和提升设备来提起风力涡轮机单元，以便经由桅杆顶端安装到桅杆。

发电机尺寸的增加还会带来部件故障和维护相关的更复杂问题。较大的发电机一般将需要较多的部件，而风力涡轮机的几乎所有部件都可能引发潜在操作故障。也就是说，如果涡轮机中的一个部件发生故障，则整个涡轮机会停止发电。当风力涡轮机暴露于易结冰的环境条件中时，部件发生故障的可能性增大。即使未发生部件故障，由于较大的发电机具有较大的积冰表面积，这将为维护带来更大的问题。叶片上的积冰会降低气动效率，从而降低涡轮机的动力转换能力。过多的积冰还会导致动态负载大于根据设计规范的容许值，在这些情况下操作人员需要停用涡轮机以防损坏。

因此，本领域仍然需要稳固构造的涡轮机系统，不仅可以产生更大量级的电能，同时还能承受与增加的输出相伴存在的增加的应力。还需要这样的涡轮机系统，该涡轮机系统有助于单独部件的可及性、维护和更换，并且在维护和维修时无需关闭系统，使得系统可继续产生电能，即便此时发电能力更低。还需要这样的涡轮机系统，该涡轮机系统可用商业施工设备来组装，尤其是在近海应用中，从而可免去相当昂贵的大型航海起重机的任何需求。还需要抑制过多积冰的系统。

发明内容

本文公开了一种具有垂直桅杆的垂直轴风力涡轮机系统，该垂直桅杆上支承有一个或多个涡轮机单元，该涡轮机单元各自包括转盘托架以及可旋转地支承在转盘托架上的转盘。垂直通道延伸穿过转盘托架的径向中心以便接纳垂直桅杆，并且垂直通道延伸穿过转盘的径向中心以便接纳转盘托架。转盘包括转盘轮毂、从转盘轮毂延伸的一对转盘臂以及在该对转盘臂之间延伸的转盘叶片。

涡轮机系统中的每个涡轮机单元是多个涡轮机段组装而成的模块化涡轮机单元，该涡轮机段是可拆卸地联接到相邻涡轮机段的圆周段。每个涡轮机单元中的转盘托架是由多个转盘托架段组装而成的模块化转盘托架，该转盘托架段是可拆卸地联接到相邻转盘托架段的圆周段。每个涡轮机单元中的转盘也是由多个转盘段组装而成的模块化转盘，该转盘段是可拆卸地联接到相邻转盘段的圆周段。

在每个涡轮机单元内，处于转盘托架处的是接纳于相应定子外壳内的一个或多个发电机定子。定子由圆周段构成，该圆周段各自单独地以可拆卸方式接纳于定子外壳内。定子以形状系数3进行分段，因为定子段的数量是的系数3。

定子外壳包括用于与预布线的定子段配合的电连接，包括用于与预布线来产生交流电的定子段配合的电连接，以及用于与预布线来产生直流电的定子段配合的电连接。这样，定子外壳可选择性地接纳交流布线的定子段或直流布线的定子段；并且可选择性地在交流布线的定子段与直流布线的定子段之间切换。