没有齿轮箱或多极发电机的高效风能转换器

技术领域

本文描述了一种风能转换器(WEC)，该风能转换器可选地但非本质上可以用作风力涡轮机来生成电力。本发明还涉及从竖直轴线涡轮机发电的相关方法和控制竖直轴线涡轮机的方法。

背景技术

涡轮机可以被驱动旋转并且因此做功。例如，风力涡轮机由风驱动，并且发电机可以在涡轮机旋转时产生电力。大多数风力涡轮机具有由风围绕水平轴线驱动的叶片。水平轴线风力涡轮机的叶片在它们旋转时可以直接面向风，从而提高其效率。

常规竖直轴线风力涡轮机在使用中通过转子围绕竖直轴线的旋转来产生电力。常规竖直轴线风力涡轮机的设计使得与水平轴线风力涡轮机相比，如果它们以相对较低的速度旋转，则它们仅在空气动力学上有效地运行，从而导致这种涡轮机的转子在主传动轴上产生高扭矩。这些高扭矩也需要大型的、重的且昂贵的动力传动系统用于将转子的高扭矩、低速旋转转化为电力。

V型竖直轴线风力涡轮机包括具有从中心点或V形截面向上突出的叶片的竖直轴线风力涡轮机。这导致动力传动系位于靠近地面，而不是处于较高的高度。然而，对大型且昂贵的传动系的要求仍然存在。

本发明的一个实施例的至少一个目的是提供一种用于生成电力的改进的竖直轴线涡轮机，其具有高效率并且避免了齿轮箱或具有带有较多极数的发电机。

发明内容

根据第一方面，提供了一种涡轮机，该涡轮机包括被构造成围绕第一旋转轴线旋转的第一转子和至少一个第二转子。第一转子的第一旋转轴线在使用中可以是竖直的或者至少相比于水平更竖直。该至少一个第二转子可以设置在第一转子上、被包含在第一转子中或联接到第一转子。第一转子可以被构造成由流体运动驱动和/或旋转，例如由风或水流驱动和/或旋转。第一转子可操作以驱动第二转子，例如通过在第一转子旋转时通过流体使第二转子移动。(多个)第二转子可以设置在第一转子上、被包含在第一转子中或联接到第一转子，使得第一转子围绕第一旋转轴线的旋转移动(多个)第二转子，例如围绕第一旋转轴线。(多个)第二转子可操作以驱动动力输出系统，或者每个第二转子可操作以驱动相应的动力输出系统。(多个)动力输出系统可以包括至少一个发电机和可选的齿轮箱。优选地，发电机可以由相应的第二转子直接驱动，或者可选地，发电机可以由相应的第二转子通过相应的齿轮箱间接驱动。

每个第二转子可以被构造成绕相应的第二旋转轴线旋转。至少一个第二转子的第二旋转轴线可以与第一转子的第一旋转轴线成一定角度，例如大致垂直。在使用中，(多个)第二转子围绕其旋转的相应的第二旋转轴线中的至少一个或每一个可以是或包括相应的水平轴线或比竖直更水平的至少一个轴线。换句话说，第二转子中的至少一个或每一个可以是水平轴线转子。第一和第二转子可以被布置成使得至少一个或每一个第二转子的第二旋转轴线与第一转子使(多个)第二转子移动经过的圆形轨迹相切。

在示例性布置中，上述涡轮机可以包括由风或其他流体流驱动的主(第一)转子，并且设有驱动动力输出系统(优选直接驱动，而不使用齿轮箱)的一个或多个次级或第二转子。(多个)第二转子可以通过第一(主)转子的旋转而移动，使得由第一转子通过流体进行的(多个)第二转子的移动使得(多个)第二转子旋转，并且从而驱动它们相应的动力输出系统。存在不能导致高效且有效的涡轮机的许多这样的布置。涡轮机必须适当地被构造为以便是可用的，并且选择第一转子、(多个)第二转子和动力输出装置，使得结合起来结果是特别高效且有效的涡轮机。涡轮机的许多参数(诸如扭矩、第一和/或第二转子的叶尖速度或旋转速度、动力系数等)的选择对于转子、(多个)第二转子和动力输出的组合来说是狭窄的，这种组合在动力输出装置不需要齿轮箱或具有大量极对的发电机的情况下是高效且有效的。

水平轴线涡轮机(例如，其中主转子在使用中围绕水平轴线旋转)的最大空气动力学效率是利用接近7的叶尖速比(即叶片的叶尖的速度与垂直于转子的风速之比)得到的。安装在水平轴线第一转子(以7的叶尖速比操作)上的(多个)水平轴线第二转子(也以7的叶尖速比操作)的组合将具有接近49的组合叶尖速比。在10m/s的风速下，叶片的叶尖的速度为490m/s，远远超过音速。在490m/s的叶尖速度下，(多个)第二转子以远远超出次级转子的可用的操作范围操作。

第一转子的旋转导致(多个)第二转子以相对于地面向前的速度沿着圆形路径移动，从而在(多个)第二转子上产生推力。克服推力并维持第一转子的旋转和(多个)第二转子的向前的速度的机械动力是推力乘以(多个)转子的向前的速度的乘积。反过来，(多个)第二转子向动力输出装置递送机械动力。从第一转子到(多个)第二转子以及到动力输出装置的机械动力的传动效率是由(多个)第二转子递送的机械动力与维持第一转子的旋转的机械动力的比率。当第二转子被设计成具有与常规HAWT转子的空气动力学特性相似的空气动力学特性并且以最大的空气动力学效率操作时，从第一转子到(多个)第二转子的机械动力的传动效率接近2/3的理论极限。为了补偿如此低的效率，需要更大、更重和更昂贵的第一转子。

然而，在包括由风或水流驱动的竖直轴线第一转子的系统中，可以减少、消除或有利地使用许多上述缺点，但是其中第一转子通过空气或其他流体移动一个或多个第二转子，并且由于第二转子通过空气或其他流体的运动而导致第二转子的旋转驱动动力输出装置，而不是由主/第一转子驱动动力输出装置。

竖直轴线涡轮机的空气动力学效率通常低于相对应的水平轴线涡轮机。此外，旋转速度倾向于较慢且扭矩较高。实际上，在常规的竖直轴线涡轮机中，这些特征可能是问题，因为相对于相对应的水平轴线涡轮机的降低的空气动力学效率通常导致较大的竖直轴线涡轮机，以产生与同等额定水平轴线涡轮机相同的动力，并且具有相关联的缺点，例如在成本、重量和复杂性方面。此外，用于将转子联接到动力输出装置的传动轴上的更高的扭矩导致更重且更昂贵的传动系。

在包括竖直轴线第一转子和一个或多个第二转子的系统中，已知竖直轴线涡轮机的许多上述缺点也可以被减少、消除或有利地使用。

在示例性布置中，竖直轴线第一转子的特定设计与(多个)第二转子的特定设计相结合，以减少、消除或有利地使用竖直轴线风力涡轮机的缺点和(多个)第二转子的缺点。空气动力学考虑对第二转子的叶片的叶尖速度施加了最大值。此外，当每个次级转子直接驱动发电机而不需要齿轮箱或多极发电机时，发电机考虑对第二转子的旋转速度施加最小值。

在第一示例性布置中，转子包括具有呈V形的两个上部叶片的上部部分和具有呈倒V形的两个下部叶片的下部部分。一个次级转子和可选的相关联的发电机附接到每个下部叶片的叶尖。每个次级转子直接驱动相关联的发电机，该相关联的发电机可能有4个极对，和25Hz的标称频率，而不需要齿轮箱。第一和第二转子的转子速度是变化的，随着风速而增加。由第一转子递送的机械动力P

在第二示例性布置中，转子包括具有呈V形的两个叶片的上部部分和具有呈倒V形的两个叶片的下部部分。两个次级转子和可选的相关联的发电机附接到每个下部叶片的叶尖。每个次级转子直接驱动相关联的发电机，该相关联的发电机可能有4个极对，和25Hz的标称频率，而不需要齿轮箱。第二转子在4.65的叶尖速比下具有最大空气动力学效率。第二转子以3.13的叶尖速比操作，具有0.27的空气动力学动力系数和0.3375的空气动力学推力系数。由第一转子从风中提取的机械动力是

在第一和第二示例性布置中，额定风速和第二转子的叶尖速度的选择决定了所有其他参数，包括由第一转子递送的机械动力、由第二转子递送给发电机的机械动力、第一转子的面积和第二转子的组合面积。通过增加第二转子的旋转速度同时保持额定风速不变来修改任一示例性布置以相同的因子(即旋转速度比的平方)减少了递送到发电机的动力、第一转子的面积和第二转子的组合面积。第二布置中的第二转子的旋转速度从39.21rad/s增加到46.46rad/s，由第一转子递送的机械动力从8.41MW减少到5.99MW。通过将包括第一转子下部部分的叶片的数量从2个增加到3个，同时保持附接到叶片的叶尖的次级转子的数量和递送到发电机的总机械动力相同，来修改示例性布置中的任一个，将次级转子的旋转速度增加到48.02rad/s，并将发电机的标称频率增加到30Hz。

第一和第二转子在向发电机递送机械动力中的组合效率在84％和94％之间。这种高的组合效率是通过具有带有高空气动力学效率(在4.65的叶尖速比下空气动力学动力系数的最大值为0.39)的第一转子和带有低空气动力学效率(在3.13的叶尖速比下空气动力学动力系数的值为0.27，以及空气动力学动力系数与空气动力学推力系数的比值为0.8)的第二转子而获得的。在第一转子具有最大空气动力学效率的情况下的叶尖速比对于V型竖直轴线涡轮机相比于对于H型转子更高，并且对于V型转子而言，更容易获得4.65的值。可以通过设计次级转子来获得空气动力学动力系数与空气动力学推力系数的比值0.8，以最大化从风速中提取的机械动力同时保持叶片根部弯矩恒定。3.13的叶尖速比下的空气动力学动力系数的值0.27在按照这个标准设计的低效率转子的正常范围内。

导致高效且有效涡轮机的特殊布置具有以下特性。

第一(主)转子可以围绕大致竖直的旋转轴线旋转，并且被构造为移动具有大致水平定向的旋转轴线的一个或多个次级转子。

第一转子可以包括至少一个上部叶片和/或至少一个下部叶片。

该至少一个第二转子可以被构造成使得动力输出装置是直接驱动(即没有齿轮箱)、或者是半直接驱动(即具有单级齿轮箱)。

动力输出装置可以被构造为提供第一和第二转子的变速操作，其中第一转子的旋转速度随着风速增加，直到达到额定风速。

第一转子可以被构造成在低于额定风速时以其空气动力学动力系数的最大值或接近其空气动力学动力系数的最大值操作。

第一转子可以被构造成叶尖速比值在4至5范围(竖直轴线涡轮机的正常范围)内具有最大的空气动力学效率。

当至少一个第二转子以低效率操作时，组合的第一和第二转子可以被构造成在向发电机递送机械动力方面具有高效率。

该至少一个第二转子可以被构造成必须在低于额定风速时以叶尖速比在3至4范围内操作。

至少一个第二转子可以被构造成在低于额定风速时以空气动力学动力系数与空气动力学推力系数的比率的高的值操作，其中该值高于0.75。

第一和第二转子可以被构造成在低于额定风速的情况下具有第一转子的叶尖速比和第二转子的叶尖速比的、在14至16的范围内的乘积，以及具有在额定风速下为音速的0.4至0.6倍的范围内的第二转子的叶尖速度。

第一转子的特性(特别是叶尖速比和空气动力学动力系数的值)以及第二转子的特性(特别是叶尖速比、空气动力学动力系数和空气动力学推力系数的值)全部受到严格限制。在选择额定风速和第二转子的旋转速度的值时，确定所有剩余变量的值，包括第一转子的面积和第二转子的完整面积。尽管额定风速的值本身被限制在11m/s至13.5m/s的范围内，并且发电机的标称旋转速度也应该被限制为大于20Hz，但是仍然存在足够的设计灵活性，以获得如第一和第二示例性布置所示的高效且有效的涡轮机。

第一转子可以被构造成在低于额定风速时(例如在5％内)以其最大空气动力学动力系数(C

至少一个第二转子可以被构造成操作使得空气动力学动力系数与空气动力学推力系数的比值在低于额定风速时具有高于0.75的值。

至少一个第二转子可以被构造为操作使得叶尖速比在低于额定风速时在3至4范围内。

第一转子和至少一个第二转子可以被构造成使得额定风速在11m/s至13.5m/s的范围内。

第一转子和至少一个第二转子可以构造成使得(多个)第二转子的旋转速度足够高以驱动(例如直接驱动)动力输出装置。然而，如果第二转子的旋转速度太高，那么空气动力学动力系数与空气动力学推力系数的比率的值将小于0.75。第一转子和/或至少一个第二转子可以构造成使得第一转子的叶尖速比和第二转子的叶尖速比的乘积在14至16的范围内，并且第二转子的叶尖速比在额定风速下为音速的0.4至0.6倍的范围内。

动力输出装置可以被构造成使得发电机的旋转速度在额定风速下大于20Hz。

第一转子可以包括至少一个上部叶片和/或至少一个下部叶片。

涡轮机可构造成作为风力涡轮机和/或潮汐流涡轮机操作。应当理解，在使用中，第一转子的旋转轴线可以是竖直的，或者可以在竖直的10°以内，或者可以相比于水平更接近竖直。如果第一转子的角度是可调节或可改变的，那么在使用中，在转子的至少一些或所有可调节或可改变的角度中，第一转子的旋转轴线可以是竖直的，或者可以在竖直的10°以内，或者可以相比于水平更接近竖直。

至少一个第二转子可构造成将来自第一转子的旋转的动力转换成第二转子的旋转。第二转子可以被构造成使得在所有操作条件下，由第一转子从风中提取的机械动力的至少80％被递送到发电机，即涡轮机在使用中可以具有高效率。

第一转子可以被构造成叶尖速比值在4至5范围(竖直轴线涡轮机的正常范围)内具有最大空气动力学效率。

至少一个第二转子可以被构造成驱动动力输出系统。例如，至少一个第二转子可以被构造成驱动电力发电机。一个或多个第二转子中的每一个可以被构造成驱动动力输出系统。动力输出系统可以包括AC发电机。AC发电机可以是具有若干极对的发电机，诸如8个极对或更少或4个极对或更少。动力输出系统可以是同步发电机，例如25Hz4极对2.5MW同步发电机。

由于至少一个第二转子的旋转，动力输出系统可以在使用中生成动力。例如，至少一个第二转子在使用中的旋转可以驱动相关联的动力输出系统，该动力输出系统可以生成动力，诸如电力。在使用中动力输出系统可以由第二转子驱动，诸如直接驱动。

直接驱动可能意味着动力输出系统以与至少一个第二转子相同的速度旋转。例如，在使用中至少一个第二转子的每次旋转可以导致动力输出系统的一次旋转。

动力输出系统可以联接(诸如直接联接)到第二转子。例如，至少一个第二转子和动力输出系统之间的联接可以有利地不包括齿轮箱。换句话说，涡轮机可以是无齿轮箱的或直接驱动涡轮机。

动力输出装置可以被构造为提供第一和第二转子的变速操作，其中第一转子的旋转速度随着风速增加，直到达到额定风速。

至少一个第二转子可以设置在叶片中的至少一个上或被包含在叶片中的至少一个中。下部叶片可包括或设有至少一个第二转子。下部叶片可以各自包括或设有第二转子。下部叶片中的至少一些可以各自包括或设有一个以上的第二转子。涡轮机可以被构造成使得在使用中(例如在涡轮机的整个操作期间)第二转子在地面或海平面以上25m或更低。

至少一个第二转子可以包括第二旋转轴线，例如在使用中基本水平的旋转轴线。该至少一个第二转子可以是、包括或被包含在涡轮机(诸如第二涡轮机)中。

涡轮机可以包括至少一个支撑结构。至少一个第二转子可以设置在至少一个支撑结构上或被包含在至少一个支撑结构中。至少一个支撑结构可以包括或设有至少一个第二转子。至少一个支撑结构可以各自包括或设有第二转子。至少一个支撑结构中的至少一些支撑结构可以各自包括或设有一个以上的第二转子。

可能有一个以上的第二转子。至少一个第二转子可以安装在第一转子的叶片上或被包含在第一转子的叶片中。该至少一个第二转子可以附接或安装在联接到第一转子的分离的旋转结构上，使得该分离的旋转结构可通过第一转子(例如通过第一转子的旋转而)旋转。第二转子中的至少一些或全部可以沿着第一转子的叶片具有相同的距离和/或在第一转子的叶片上处于相同的相对位置，其中，第二转子被支撑和/或被结合在该第一转子的叶片上。第二转子中的至少一些或全部可以在第一转子的叶片的叶尖处和/或靠近第一转子的叶片的叶尖，其中，它们被支撑在第一转子的叶片的叶尖。叶片的叶尖可以是离第一转子的旋转轴线最远的端部，例如叶片的远端。第二转子中的至少一些或全部可以距第一转子的第一旋转轴线(例如其在使用中基本竖直)相同的距离和/或半径。

第二转子中的至少一些或全部可以相对于第一转子的第一旋转轴线处于相同的相对位置。例如，一个以上的第二转子中的至少一些或全部可以围绕第一转子的第一旋转轴线旋转对称地布置。一个以上的第二转子中的至少一些或全部在使用中可以遵循相同的路径。一个以上的第二转子中的至少一些可以布置在平面中或者构造成在基本垂直于第一转子的第一旋转轴线的圆中旋转。

第一转子在使用中可以由作用在上部和/或下部叶片上的流体(诸如空气(例如风)或水)驱动。上部和/或下部叶片可以被构造、可构造、可重新构造或动态可重新构造为使第一转子的旋转效率最大化。

上部和/或下部叶片中的至少一些可以是空气动力学和/或流体动力学设计的。上部和/或下部叶片中的至少一些在形状方面可以至少部分为薄片，诸如在形状方面为机翼型或水翼型。例如，上部和/或下部叶片中的至少一些可以沿着叶片长度的至少一部分在形状方面为薄片。

涡轮机可以包括两个或更多个上部叶片。涡轮机可以包括两个或多余两个下部叶片。涡轮机可以包括与下部叶片相同数量的上部叶片。上部和/或下部叶片中的一些或全部的叶尖或远端可以是自由的或不连接的，例如不与上部和/或下部叶片中的其他连接。

上部叶片和下部叶片可以被构造或可构造成至少部分地平衡涡轮机。例如，每个上部叶片可以与下部叶片成对，并且每个上部叶片和下部叶片对可以位于平面内。上部叶片和下部叶片对位于的平面可以平行于第一转子的第一旋转轴线。上部叶片和/或下部叶片(诸如上部部分和下部叶片对)可以围绕第一转子的旋转轴线对称地布置(诸如旋转对称地布置)。来自上部叶片和来自下部叶片的在主轴承上产生的力矩在相反方向上作用，并且因此部分抵消。

涡轮机可以包括用于支撑第一转子的支撑件或塔架。第一转子可以附接(例如可旋转地附接)和/或固定到塔架或支撑件的顶部。第一转子可以在第一轴承处固定和/或附接到塔架。第一转子的第一旋转轴线可以处于沿着塔架的轴线的位置。

第一转子可以在第一轴承上旋转。叶片(诸如上部部分和/或下部叶片)可以附接和/或固定到第一轴承。叶片可以被布置和/或可构造成减小和/或最小化作用在第一转子和/或第一轴承上的倾覆力矩。例如，来自上部叶片的作用在第一轴承上的倾覆力矩可以基本上或完全被来自下部叶片的作用在第一轴承上的倾覆力矩抵消。由于使用中的上部叶片而作用在第一轴承上的倾覆力矩可能在与由于使用中的下部叶片而作用在第一轴承上的倾覆力矩相反的方向上作用。

至少一个第二转子可以包括至少一个第二叶片，例如五个第二叶片。至少一个第二叶片在使用中可以驱动至少一个第二转子旋转，例如在使用中围绕相应的第二旋转轴线旋转。至少一个第二叶片和/或第二转子可以由第一转子的旋转驱动。例如，在使用中第一转子的旋转可以通过流体(诸如水和/或空气)驱动至少一个第二转子，并且流体可以作用在第二转子和/或至少一个第二叶片上以旋转第二转子。至少一个第二叶片可构造成转动、旋转和/或驱动至少一个第二转子。

至少一个第二转子可以具有小于0.07至0.09(例如0.082)的转子实度(solidity)。转子实度是指转子叶片的总面积与转子扫掠面积之比。

叶片中的至少一些可以被布置和/或构造成从作用在叶片上的流体提取能量。上部部分和/或下部部分和/或第二叶片中的至少一些可以被布置和/或构造成从作用在叶片上的流体提取能量。

叶片(例如第一转子的叶片)中的至少一些可以是可变桨距(pitch)的。优选地，例如第一转子的上部叶片和/或下部叶片中的至少一些可以是可变桨距的。叶片中的至少一些可以是单独的可变桨距的。叶片中的至少一些可以是全跨度可变桨距的。叶片中的至少一些可以基本上是直的和/或线性的。叶片中的至少一些可以是围绕其线性或纵向轴线可变桨距的，例如围绕其线性或纵向轴线旋转。涡轮机可以包括致动器，该致动器可操作以使叶片变桨距。致动器可以处于或联接到叶片中的至少一些的基部。例如，致动器可以处于或联接到叶片中的至少一些的最靠近第一轴承的端部。每个叶片可由相应的致动器操作。没有第二转子的每个上部和/或下部叶片可由致动器操作。没有第二转子的每个上部叶片和/或下部叶片可以是可变桨距的。致动器在使用中可以是可更换的和/或可接近的，诸如容易接近的，例如在使用中从涡轮机的基部。

至少一个第二叶片可以构造成从作用于它们的流体中提取能量。

第一转子可以包括支撑构件。支撑构件可以附接和/或固定到第一轴承。叶片(诸如上部叶片和/或下部叶片)可附接到和/或固定到支撑构件。

支撑构件可以基本上是平面的和/或可以是或包括纵向或细长的支撑构件。支撑构件可以是或包括杆、圆、三角形、正方形或其他多边形。支撑构件可以是多边形(诸如正多边形)，具有与上部叶片和下部叶片对的数量相同的角的数量。支撑构件可以包括多个杆，并且每个杆可以支撑至少一个上部叶片和/或至少一个下部叶片。支撑构件在使用中可以基本水平和/或垂直于第一转子的旋转轴线。

支撑构件可以是空气动力学和/或流体动力学形状的。支撑构件在形状方面可以至少部分为薄片，诸如在形状方面为机翼型或水翼型。例如，支撑构件在形状方面可以是沿着其杆中的一个的长度的至少一部分的薄片。支撑构件可以是旋转对称的。

例如第一转子的上部和/或下部叶片可以附接和/或固定在支撑构件的端部(例如每个端部)处或靠近支撑构件的端部(例如每个端部)。例如，相应的上部叶片可以从支撑构件的每个端部大致向上和/或向外延伸，并且相应的下部叶片也可以从支撑构件的每个端部大致向下和/或向外延伸。上部叶片可以背离彼此倾斜或成角度，例如在它们从支撑构件延伸时。下部叶片可以背离彼此倾斜或成角度，例如在它们从支撑构件延伸时。上部和/或下部叶片可以安装在支撑构件上，使得它们围绕第一转子的旋转轴线旋转对称。上部叶片在使用中可以附接到支撑构件的上表面。下部叶片在使用中可以附接到支撑构件的下表面。

涡轮机和/或第一转子可以是旋转对称的，例如围绕第一转子的旋转轴线旋转对称。

上部叶片在使用中可以在塔架上方旋转。下部叶片在使用中可以围绕塔架旋转。上部叶片和/或下部叶片可以背离塔架突出。上部叶片和/或下部叶片的叶尖可以比叶片的基部(其例如附接、可附接和/或固定或可固定到第一轴承和/或支撑构件)距旋转轴线(例如其在使用中是竖直的)更远。

上部叶片在使用中通常可以向上突出。上部叶片在使用中可以从支撑构件和/或第一轴承大致向上突出。上部叶片在使用中可以相对于竖直方向以一定角度突出。例如，上部叶片在使用中可以与竖直方向成小于90以的角度，优选地在使用中与竖直方向成0角至45度的角度，更优选地在使用中与竖直方向成15度至40度的角度，更优选地在使用中与竖直方向成25度至35度的角度。

下部叶片在使用中大致向下突出。下部叶片在使用中可以从支撑构件和/或第一轴承大致向下突出。下部叶片在使用中可以相对于竖直方向以一定角度突出。例如，下部叶片在使用中可以与竖直方向成小于90一的角度，优选地在使用中与竖直方向成0角至50度的角度，更优选地在使用中与竖直方向成25度至50度的角度，更优选地在使用中与竖直方向成45度至50度的角度。

相比于由上部叶片在使用中与竖直方向所成的锐角角度，下部叶片在使用中可以与竖直方向成更大的锐角角度。相比于由上部叶片在使用中与竖直方向所成的锐角角度，下部叶片在使用中可以与竖直方向成更小的锐角角度。上部部分和下部叶片在使用中可以与竖直方向成相同的锐角角度。

上部叶片可能比下部叶片更长。下部叶片可能比上部叶片更长。下部叶片可以是上部叶片长度的三分之二的大小(order)或更少。

上部叶片可以达200m长，优选地在从50m至150m长的范围内，更优选地在从80m至120m长的范围内，例如100m长。下部叶片可以达140m长，优选地在从35m至105m长的范围内，更优选地在从55m至75m长的范围内，例如65m长。

上部叶片和/或下部叶片叶尖可以具有距旋转轴线(例如其在使用中基本竖直)相同的半径。替代性地，上部叶片和/或下部叶片叶尖可以具有距旋转轴线(例如其在使用中基本竖直)不同的半径。

至少一个第二转子可以在至少一个上部叶片上和/或优选地在至少一个下部叶片上，因此至少一个第二转子可以围绕第一转子的旋转轴线以高达上部叶片的叶尖的半径和/或下部叶片的叶尖的半径的半径旋转。

上部叶片可以全部是相同的，例如相同的长度和/或轮廓。下部叶片可以全部是相同的，例如相同的长度和/或轮廓。至少一个第二叶片可以全部是相同的，例如相同的长度和/或轮廓。

上部叶片中的至少一些或每一个可以不同于其他上部叶片中的至少一些或每一个。例如，可以有彼此相同的两个第一上部叶片，以及彼此相同但不同于第一上部叶片的两个第二上部叶片。一些上部叶片可能在以下中至少一个或多个或全部方面与一些其它上部叶片不同：它们的形状、大小、长度、与竖直方向的角度、第二转子的数量和/或它们是否是可变桨距的。

下部叶片中的至少一些或每一个可以不同于其他下部叶片中的至少一些或每一个。例如，可以有彼此相同的两个第一下部叶片，以及彼此相同但不同于第一下部叶片的两个第二下部叶片。一些下部叶片可能在以下中至少一个或多个或全部方面与一些其它下部叶片不同：它们的形状、大小、长度、与竖直方向的角度和第二转子的数量。

第一转子可以包括动力输出系统。第一转子可以包括一个以上的动力输出系统，诸如一个以上的发电机。

第一轴承可以有利地不包括动力输出系统。第一轴承可以有利地不包括传动系，诸如常规涡轮机传动系。

至少一个第二转子在使用中可以是可拆卸的和/或可更换的，例如使关于维护和修理花费的时间和工作量最小化。当涡轮机直立和/或在使用中时，至少一个次级转子可以是可接近的，诸如容易接近的。例如，当涡轮机直立和/或在使用中时，至少一个第二转子可从地面平面、海平面或塔架的基部的平面接近，例如，至少一个第二转子在使用中可以或总是可以距地面或海平面不超过25m。当第一转子的旋转轴线基本竖直时，涡轮机可以被认为是直立的。至少一个第二转子可以处于较低高度，例如低于(诸如基本低于)第一轴承和/或支撑构件。

涡轮机可以连接到动力系统。动力系统可以包括可充电电源，诸如电池和/或电池组。动力系统可以包括电网，诸如国家电网。

涡轮机可包括一个或多个风速和/或风向测量装置，诸如风速计、LIDAR、轮叶和/或类似物。

涡轮机可以被构造成使用至少一个第二转子和相关联的(多个)动力输出系统来确定盛行风的方向。当至少一个第二转子旋转到风中时，所生成的动力增加和/或处于最大值，并且当背离风旋转时，所生成的动力减少和/或处于最小值。由此，涡轮机可操作来分析由至少一个第二转子和相关联的动力输出系统生成的动力的变化，以便确定盛行风的方向。

涡轮机可以包括动力连接器。动力连接器可以包括可以通过滑环等连接的变压器，诸如旋转变压器或非旋转或常规变压器。动力连接器可以有利地包括变频变压器或电连接件。动力连接器可以容纳在塔架中和/或其附近，例如容纳在塔架的基部中和/或其附近，或者在涡轮机的轮毂中。动力连接器可以将涡轮机连接到外部动力系统，诸如电网，例如国家电网。电源连接器在使用中可以从塔的基部接近，诸如容易地接近。

涡轮机可以包括动力转换器和/或动力电子设备。动力转换器和/或动力电子设备可以将电力输出系统连接到动力连接器。动力转换器和/或动力电子设备可以调整动力输出系统、动力连接器和/或在动力输出系统和动力连接器之间传递的动力。

动力转换器和/或动力电子设备可以控制动力连接器。例如，可以控制到旋转变压器的AC电源的频率，以实现与外部动力系统的高效率连接(高于98％)。

动力转换器和/或动力电子设备可以控制涡轮机。例如，动力电子设备可以通过使用或通过适当控制和/或改变到发电机的AC电源的频率来控制发电机的动力输出和旋转速度。例如，在低于额定风速的情况下，可以控制第二转子速度以实现最大动力生成，并且在高于额定风速的情况下，可以控制第二转子速度以实现额定动力生成。

涡轮机可以包括桨距致动器。桨距致动器可以使叶片中的至少一些变桨距。桨距致动器可以控制叶片中的至少一些，例如第一转子的至少上部叶片，根据叶片相对于盛行风方向的旋转位置周期性地变桨距。例如，桨距致动器可以被构造成控制叶片中的至少一些的桨距，以在低于额定风速的情况下使能量最大化，在高于额定风速的情况下调整旋转速度和/或提供超速保护。桨距致动器可以被容纳在转子的上部叶片的根部中和/或其附近。浆距致动器在使用中可以从塔架的基部接近，例如容易地接近。

涡轮机的质心在使用中可能较低。例如，动力连接器和动力电子设备可以被容纳在塔架的基部处和/或其附近，这可以使涡轮机的质心下降、在使用中更靠近塔架的基部。

塔架可以由平台支撑。平台可以是可漂浮的和/或可拴系的。涡轮机可以被构造成相对于常规的浮动涡轮机的平台减小平台的重量和/或大小。

根据第二方面，存在一种使用第一方面的涡轮机生成动力的方法。

所生成的动力可以由至少一个第二转子的旋转生成和/或从其中提取。

该方法可以包括将涡轮机暴露于流体，该流体可以作用于上部叶片和/或下部叶片以驱动第一转子。流体可以是空气和/或水。例如，风能和/或波能可以推动上部叶片和/或下部叶片来驱动第一转子。上部叶片和/或下部叶片可构造成从作用于上部叶片和/或下部叶片的流体中提取能量。

方法可以包括配置上部叶片和/或下部叶片，使得第一转子的叶尖速比和旋转速度在使用中较高，例如叶尖速比在4至5的范围内。

方法可以包括配置第一转子和/或至少一个第二转子，使得叶尖速比和旋转速度在使用中较低，例如叶尖速比在3至5的范围内。在使用中至少一个第二叶片的最大叶尖速度可以较高，例诸如在额定风速下为160m/s至200m/s，例如180m/s。

该方法可以包括布置涡轮机，使得第一转子通过流体的旋转通过流体(例如通过空气或水)驱动至少一个第二转子。流体可以作用在至少一个第二转子上，以驱动至少一个第二转子。例如，流体可以作用在至少一个第二转子的第二叶片上，以使至少一个第二转子旋转。

至少一个第二转子的旋转可以驱动至少一个动力输出系统，该至少一个动力输出系统可以生成动力，例如电力。至少一个第二转子可以在没有齿轮箱或多极发电机的情况下驱动动力输出系统。例如，至少一个第二转子的旋转可以直接驱动至少一个动力输出系统。在使用中至少一个第二叶片的旋转可以直接驱动动力输出系统。

由至少一个第二转子生成的动力可以是循环的、正弦的和/或周期性的。例如，在第一转子旋转时，至少一个第二转子可以被逆着流体流和随着流体流交替驱动。相比于当至少一个第二转子被随着流体流驱动时，当至少一个第二转子被逆着流体流驱动时由至少一个第二转子生成的动力可以更大。由至少一个第二转子生成的循环、正弦和/或周期性动力可以增加由第二转子生成的动力的效率。例如，由至少一个第二转子生成的循环、正弦和/或周期性动力可以增加从作用在至少一个第二转子上的流体中提取的能量。对于振幅为A、平均流速为

由至少一个第二转子生成的循环、正弦和/或周期性动力可以用于计算和/或确定第一转子的旋转的速度和/或频率。

由第一转子生成的动力可以是循环的、正弦的和/或周期性的。由第一转子形成的最大动力生成点可以与由至少一个第二转子形成的最小动力生成点重合。由至少一个第二转子生成的动力的循环、正弦和/或周期性质可以通过由第一转子生成的异相循环、正弦和/或周期动力减小。

根据第三方面，存在一种控制第一方面或第二方面的涡轮机的方法。

涡轮机可构造成在特定条件下具有最大效率。例如，当特定期望速度或特定期望速度范围内的流体吹向涡轮机时，涡轮机可以最有效地从作用于涡轮机上的流体中提取能量。在这些条件下，涡轮机可以额定产生最大动力。涡轮机可以被额定或可构造为在这些条件下从作用在涡轮机上的流体中提取最大能量。

例如，当涡轮机作为风力涡轮机操作时，涡轮机可以构造成在低于11m/s至13.5m/s范围内的额定风速的风速下最有效地操作。涡轮机可构造成产生兆瓦的动力，例如多兆瓦的动力，例如高达10MW，例如5.9MW。

当涡轮机作为风力涡轮机操作时，该方法可以包括配置至少一个第二转子以在高达65m/s(例如59m/s)的有效风速下最有效地操作。在第一转子旋转时，至少一个第二转子的有效风速是风速和至少一个第二转子的相对速度之和。该方法可以包括配置至少一个第二转子以产生兆瓦的动力，诸如高达5MW，例如2.5MW。

该方法可以包括使得叶片(例如没有第二转子的上部叶片和/或下部叶片)中的至少一些变桨距。该方法可以包括使上部叶片变桨距。该方法可以包括在第一转子旋转时使上部叶片变桨距以固定每个上部叶片相对于流体流的取向。例如，上部叶片可以周期性地变桨距。叶片中的至少一些可以以与第一转子的旋转相同的频率变桨距。当涡轮机低于其最大额定能量操作时，例如当风以小于特定期望速度或特定期望速度范围吹向涡轮机时，叶片中的至少一些可以变桨距。使叶片(诸如上部叶片)中的至少一些变桨距可以增加由涡轮机生成的能量。例如，使叶片(诸如上部叶片)中的至少一些变桨距可以增加从吹向涡轮机的风中提取的能量。

相对于当叶片不变桨距和/或相对于涡轮机的旋转具有固定桨距时从流体到竖直轴线涡轮机的能量传递，叶片中的至少一些可以变桨距以增加或优化能量从作用在竖直轴线涡轮机上的流体传递到涡轮机的效率。例如，叶片中的至少一些可以变桨距以增加或优化第一转子的旋转的速度。当涡轮机作为风力涡轮机操作时，叶片中至少一些可以变桨距以固定那些叶片相对于风的取向。例如，叶片中的至少一些可以周期性地变桨距，以使从风到那些叶片的能量传递最大化。

该方法可以包括确定作用在涡轮机上的流体流的方向。当由至少一个第二转子生成的循环、正弦和/或周期性动力处于最大值时，流体流的方向可以根据第一转子的位置确定。例如，当由至少一个第二转子生成的动力处于最大值时，至少一个第二转子被第一转子直接驱动到流体流中。

上部叶片和/或下部叶片中的至少一些的变桨距的频率和/或速度可以基于在至少一个第二转子处生成的循环动力。例如，上部叶片和/或下部叶片中的至少一些，例如上部叶片，可以以与在至少一个第二转子处生成的动力相同的频率变桨距。

相对于当叶片不变桨距和/或相对于涡轮机的旋转具有固定桨距时从流体到涡轮机的能量传递，叶片中的至少一些可以变桨距以减小能量从作用在涡轮机上的流体传递到涡轮机的效率。例如，叶片中的至少一些可以变桨距以降低第一转子的旋转速度和/或停止第一转子的旋转。叶片中的至少一些可以变桨距以提供超速保护。例如，叶片中的至少一些可以变桨距以防止第一转子旋转过快，例如防止对第一转子和/或第一轴承造成的损坏。

该方法可以包括控制至少一个第二转子的转子速度。该方法可以包括单独控制每个第二转子的转子速度。至少一个第二转子的转子速度可以通过控制至少一个第二转子上(至少一个第二转子的动力输出系统上)的电压的频率来控制。至少一个第二转子的阻力(drag)可以用于控制和/或影响第一转子的旋转速度。

当涡轮机在其最大额定能量以上操作时，例如当风以超过特定期望速度或特定期望速度范围吹向涡轮机时，第一转子的转子速度可以是可变的，并通过使上部叶片集中变桨距来控制。上部叶片可以响应于风速方面的相对低的频率变化而变桨距以控制第一转子的转子速度。可以响应于风速方面的相对高的频率变化，例如通过控制至少一个第二转子上的电压的频率，来控制至少一个第二转子的转子速度。

当风以超过特定期望速度或特定期望速度范围吹向涡轮机时，可以将旋转的第一转子的动力中的一些存储在储备中，例如储存在飞轮、压缩空气存储装置、电化学电池和/或类似物中。稍后，当风速已经下降时，可以从储备中提取动力。

该方法可以包括监控由涡轮机生成的动力。该方法可以包括响应于由涡轮机生成的动力来控制涡轮机。由涡轮机生成的动力可以由动力电子设备监控和/或涡轮机的控制可以由动力电子设备执行。动力电子设备可以由可编程计算机控制。

应当理解的是，在本发明的任何其他方面或实施例中，根据本发明的任何方面或以下关于本发明的任何特定实施例限定的各个特征和/或特征的组合可以分离地或单独地、独自地或以与任何其他限定的特征组合的方式使用。

另外，本发明旨在涵盖被构造为执行本文中关于方法和/或使用或生产、使用或制造本文描述的任何装置特征的方法描述的任何特征的装置。

附图说明

现在将参照附图仅作为示例描述本发明的至少一个实施例，在附图中：

图1示出了竖直轴线涡轮机的透视图；

图2示出了竖直轴线涡轮机的平面图；

图3示出了竖直轴线涡轮机的风电场；以及

图4示出了上部叶片、下部叶片和第二叶片的平面形状。

具体实施方式

贯穿以下描述，相同的附图标记将用于标识相同的零件。

图1示出了具有塔架10和第一转子12的竖直轴线涡轮机5。第一转子12在第一轴承13处附接到塔架10。第一转子12在第一轴承13上旋转。第一轴承13在塔架10的顶部处。第一转子12具有支撑构件15。第一转子12在支撑构件15的中心附接到第一轴承13。

两个上部叶片20附接到支撑构件15，并且上部叶片20倾斜向上并背离塔架10突出。两个下部叶片25附接到支撑构件15，并且下部叶片倾斜向下并背离塔架10突出。上部叶片20和下部叶片25通过附接点30附接到支撑构件15。用于上部叶片20的附接点30包括能够使得上部叶片20变桨距的致动器。由于第一转子12在使用中相对较慢地旋转，上部叶片20的变桨距也相对较慢，并且因此致动器的占空比较低。因此，致动器具有较低的维护成本。

下部叶片25包括相应的第二转子35和在下部叶片25的端部处的相关联的发电机37。第二转子35包括第二叶片40。第二转子35各自被构造成驱动相关联的发电机37。第二转子35面向相反的方向，使得第一转子12的旋转导致两个第二转子35在使用中沿着相同的路径以相同的取向被驱动。

上部叶片20、下部叶片25和支撑构件15被构造成使得当风吹向竖直轴线涡轮机5时，第一转子12围绕第一轴承13顺时针旋转(尽管应当理解的是，可以提供其中旋转方向被反转的构型)。这种旋转通过空气驱动第二转子35。空气作用在第二转子35的第二叶片40上，这使得第二转子35旋转。这又为由第二转子35驱动的发电机37提供动力。因此，第一转子12用于使第二转子35旋转，并且第二转子35的旋转驱动发电机37。由此，主要驱动发电机37的是第二转子35而不是第一转子12的旋转。

与常规水平轴线风力涡轮机相比，水平轴线第二转子35被不同寻常地设计成以较低的C

在第二转子以相对短的第二叶片40以相对高的叶尖速度操作时，第二转子35以较高速度旋转，例如高达50rad/s。这导致第二转子35中的每一个能够直接驱动相应的相关联的电力发电机37，而不需要齿轮箱或多极发电机。这简化了第二转子35，并且因此降低了第二转子35的成本。

因为在第一轴承13处没有动力输出系统，所以在第一轴承13处不需要大型的、重的且昂贵的传动系。这极大地简化了竖直轴线涡轮机5，并且极大地降低了其成本。

动力电子设备41被包括在塔架10的底部处，并且容易接近。由于动力电子设备41容易接近，所以维护成本相对较低。动力电子设备41用于监控和控制竖直轴线涡轮机5以及竖直轴线涡轮机5生成的动力。

动力电子设备41连接到动力连接器42。动力连接器42将竖直轴线涡轮机5连接到动力系统43，诸如国家电网。

由于动力电子设备41位于较低的高度，因此可以从塔架10的基部的平面容易地接近它们。这提供了简单且低成本的维护。

图2示出了图1的竖直轴线涡轮机5的平面视图。第一转子的旋转轴线45由虚线示出。

上部叶片20和下部叶片25的叶尖距离第一转子的旋转轴线45相同的距离，并且以距离第一转子的旋转轴线45相同的半径旋转。第二转子35处于下部叶片25的叶尖处。第二转子35与塔架10的基部高度相同。第二转子25距离第一转子的旋转轴线45相同的距离，并且以距离第一转子的旋转轴线45相同的半径旋转。

由于第二转子35位于较低的高度(例如距地面或海平面25m或20m或更低)处，因此可以容易地从塔架10的基部的平面接近它们。由于第二转子35也是轻质且可更换的，所以第二转子35可以被容易地更换。这提供了简单且低成本的维护。

上部叶片20相比于下部叶片25与竖直方向形成更小的锐角。上部叶片20、下部叶片25和支撑构件15位于平面内。

图3示出了竖直轴线涡轮机5的离岸风力场105。塔架10在海洋110上方支撑第一转子12。塔架10可以由浮动平台支撑或者固定到海床上。

下部叶片25朝向海洋110向下突出，并且第二转子35处于下部叶片25的叶尖处。因此，第二转子35处于相对较低的高度，并且相对靠近海110的表面。因此，由于第二转子35不处于相当高的高度，所以从船上维护和/或更换第二转子35相对简单。

图4a示出了上部叶片20和下部叶片25的平面形状。上部叶片20和下部叶片25两者在基部处比在叶尖处更厚。下部叶片25的基部比上部叶片20的基部更厚。上部叶片20比下部叶片25更长。

图4b示出了第二叶片40的平面形状。第二叶片40具有与下部叶片25相似的平面形状，但是第二叶片40比下部叶片25小得多。

在以上描述的示例中，第一和第二转子被构造成使得动力输出通过直接驱动进行，而不需要齿轮箱或多极发电机。第一转子和第二转子被构造成使得在第一转子处的机械动力被转换成在第二转子处的机械动力的动力转换具有高效率。

尽管上面已经提供了各种示例，但是应当理解的是，本发明不限于这些具体示例，而是替代性地由权利要求限定。例如，本领域技术人员将会理解，涡轮机可以按比例放大或缩小到不同的大小，并且本文给出的尺寸仅是示例性的。类似地，应当理解的是，几何术语是有目的地进行解释。例如，叶片是三维物体，并且它们可以是线性的和/或直的并不禁止例如沿着叶片长度逐渐变细。上部部分和下部叶片对可以是平面的，但是应当理解的是，上部部分和下部叶片对不会单独存在于二维平面中，而是作为真实的三维物体可以是平面的。第一转子的旋转轴线在使用中被描述为基本竖直的，并且应当理解的是，这涉及这样使用中的旋转轴线，该旋转轴线在使用中可能偏离完全竖直，例如与竖直方向成小于15°的角度。

本领域技术人员将会理解，以上公开的涡轮机同样适用于岸上和离岸风力涡轮机，并且所描述的涡轮机可以在其他地方使用，例如作为潮汐流涡轮机。另外，如果以上公开的涡轮机被用作波浪涡轮机，将理解的是，附图中示出的实施例的微小修改可能是必要的，这种修改落入本公开的范围内。例如，图1的第一转子可能必须水平颠倒，使得第二转子在上部叶片而不是下部叶片上。这将有利地使第二转子更靠近水的表面，这将提供更容易接近和更低维护成本的益处。