风力发电设备

本发明涉及根据权利要求1所述的风力发电设备。

通常人们都知道有带护罩的风力涡轮机的风力发电设备。通常，带护罩的风力涡轮机通过护罩轴承元件以可绕支撑纵向旋转的方式布置在限定支撑纵向的支撑件上，例如塔架或框架。这使得带护罩的风力涡轮机能够在各自的风向中绕支撑纵向旋转，从而使螺旋桨最佳地暴露在风中以驱动发电机。

在先前的专利申请EP 17 197 490.0中公开了一种具有特别有效的带护罩风力涡轮机的风力发电设备。

本发明的一个目的是提供一种具带护罩的风力涡轮机的风力发电设备，该风力发电设备以简单的结构最佳地适应风力和现场条件。

该目的通过根据权利要求1的风力发电设备来解决。

在从属权利要求中给出了风力发电设备的优选实施例。

风力发电设备的带护罩的风力涡轮机具有限定了纵轴的环形护罩，该环形护罩至少与纵轴大致旋转对称，并且径向内侧限定了作用于风的流动通道。流动通道内设有可绕纵轴转动的螺旋桨，以驱动发电机。发电机优选地布置在螺旋桨的下游，在风流方向上，其中发电机的轴优选地与纵轴同心地布置。

所述风力发电设备还具有支撑件，所述支撑件限定了支撑纵向，其中所述支撑件上布置带护罩的轴承元件。由于风力涡轮机的护罩，整个风力涡轮机可以绕枢轴安装在护罩轴承元件上，该枢轴在不同的枢转位置中横向于支撑件的纵向方向运行。

根据本发明的风力发电设备，可以在支撑件上布置一个或多个带护罩风力涡轮机，支撑件的纵向可以偏离垂直方向，或者具有弯曲而不是笔直的纵向。此外，根据本发明的风力发电设备即使在山区，例如，在风不总是水平方向吹的地方，护罩风力涡轮机也能够最佳地朝向风向。相应地选择了枢转位置。

优选地，枢轴至少近似垂直于支撑纵向方向运行。这使得风力发电设备的结构简单。

优选地，护罩轴承元件是闭合的，至少近似圆形的设计，其中，护罩轴承元件优选地以一定距离包围风力涡轮机的护罩。一方面，这确保了非常稳定的结构，另一方面，环形设计的护罩轴承元件提供了在护罩轴承元件上布置支撑延伸件的可能性，特别是在远离支撑件的一侧，所述支撑延伸部分承载优选地相同设计的另外的护罩轴承元件，所述轴承元件上布置优选地相同设计的另外的护罩风力涡轮机。

然而，也可以设想将护罩轴承元件至少近似设计成半圆环的形状或具有两个异形支撑件，在这种情况下，枢轴优选穿过护罩轴承元件的两个端部区域。为完整起见，应提及的是，也可在护罩轴承元件上布置支撑延伸件，该延伸件反过来支撑另一个护罩轴承元件，而另一个护罩轴承元件上布置有另外的护罩风力涡轮机。

优选地，护罩以及护罩风力涡轮机枢转地安装在护罩轴承元件上。这样可以使旋转位置与风况精确对准。

优选地，轴承短柱从护罩两侧径向向外突出，并与枢轴同心，其被保持在护罩轴承元件的轴承元件中。这使得带护罩的风力涡轮机，特别是其护罩的结构简单。当然，运动学上的反向也是可能的，即，将轴承短柱固定至护罩轴承元件，并且将轴承元件布置在护罩上或护罩中。

优选地，轴承元件设计为枢轴轴承。可以通过锁定装置例如通过将枢转轴承设计为夹紧轴承来固定枢转位置。但是，也可以提供一种枢转驱动器，以使轴承短柱在枢转轴承中自由旋转，从而使护罩和整个带护罩的风力涡轮机绕枢轴枢转。所提到的第一种可能性允许简单的构造，而第二种可能性允许对不同风况的最佳适应。

优选地，不同旋转位置的护罩轴承元件可以围绕支撑纵向方向安装在支撑件上。这使得即使支撑纵向偏离垂直方向或弯曲，也可以使用相同的部件。

优选地，所述护罩轴承元件布置在所述支撑件上，使得其可以绕所述支撑件的纵向方向旋转；然后，护罩轴承元件的支撑纵向方向形成旋转轴。这使得护罩和带护罩的风力涡轮机能够实现一种万向节悬挂，其中它可以最佳且容易地适应所有风况，例如也适应下降气流。

优选地，所述护罩轴承元件固定在所述支撑件上，其中所述支撑件可绕旋转轴旋转；所述旋转轴可与所述支撑纵向重合。在本实施例中，带护罩风力涡轮机的纵轴的方向也可以最佳地适应风况。

根据本发明的风力发电设备还提供了这样一种可能性，即至少两个以门形(portal-like)方式彼此连接的支撑件可以绕旋转轴旋转，每个支撑件配备有支撑带护罩风力涡轮机的至少一个带护罩轴承元件。在这种情况下，旋转轴优选地至少大约位于支撑件之间的中心并且至少大约在竖直方向上延伸。优选地，三个支撑件以门形方式彼此连接。门形连接优选地由门延伸件形成，门延伸件优选地在背离相应的支撑件的一侧附接到相应的最上方的护罩支撑元件。以此方式，可以以简单且稳定的结构在较小的空间中操作多个带护罩的风力涡轮机。

将护罩轴承元件连接到支撑件上是有可能性的，如有必要，为了支撑不同旋转位置的延伸件以及不同枢轴位置的带护罩风力涡轮机的护罩与护罩轴承元件，可以以简单的方式使所有带护罩风力涡轮机彼此平行对齐。

优选地，支撑件布置在滚动脚上。在这种情况下，滚动脚滚动的轨道或铁轨以旋转轴为中心循环运行。这使得所有带护罩的风力涡轮机能够在风向上共同对齐。

优选地，所述带护罩风力涡轮机的护罩具有双凸机翼轮廓的横截面。在这种情况下，护罩的径向外底面优选具有至少近似球形层护罩的形状，该球形层优选至少近似对称于与枢轴所在的纵轴成直角的对称平面。该实施例实现了带护罩的风力涡轮机在不同的枢转位置中的无障碍布置。

优选地，风力发电设备包括如申请EP 17 197 490.0中公开的一个或多个风力涡轮机。该欧洲申请的公开内容通过引用并入本申请。

因此，风力涡轮机优选地进一步包括相对于纵轴至少近似旋转对称的环形导向元件，该环形导向元件的最大外径小于流动通道的最小净宽度，该引导轮廓头锥布置在上游，相对于护罩的轮廓头锥布置在沿风的流动方向，并且该导向元件轮廓后缘相对于轮廓头锥布置在下游，并且相对于流动通道的最小净宽度布置在上游。沿流动方向看，螺旋桨至少近似位于导向元件轮廓的后缘。风力涡轮机的这个实施例使其有了非常高的效率。

优选地，所述螺旋桨具有至少近似于所述导向元件的净宽度的直径。由于这一措施，螺旋桨只受到流经导向元件的主气流的作用，而在导向元件和导流罩之间流动的导流罩气流使得螺旋桨下游产生负压，这有助于提高风力涡轮机的效率。

优选地，枢轴与纵轴相交，并且优选地，枢轴至少近似地穿过带罩的风力涡轮机的重心。

螺旋桨的直径优选在2.5m和6m之间。在螺旋桨直径为3.0m的情况下，在纵轴方向上测量的带护罩的风力涡轮机的长度可以是例如2.4m，并且护罩的长度可以是例如2.2m。相应地，护罩的外径可以是4.4m并且导向元件的外径可以是3.1m。然而，相对于这些尺寸，带护罩的风力涡轮机可以制造得更大或更小。

在具有奇数个叶片的螺旋桨的情况下，螺旋桨的直径应理解为叶片半径的两倍(从纵轴到叶片的径向外端)。

参考附图中示出的实施例的示例更详细地解释本发明。它们只是示意性地显示：

图1为立面图，一个风力发电站，其支撑件垂直竖立在地基上，以及护罩轴承元件，其设置在所述支撑件的上端，所述护罩轴承元件上设置有带护罩的带护罩风力涡轮机，以便绕在水平方向上运行的枢轴转动；

图2与图1相比，图1中标记为II的风力发电设备的放大截面；

图3为所述带护罩风力涡轮机的优选实施例的透视图；

图4为立面图，为风力发电设备的一部分，其中，支撑件布置在滚动脚上，并带有圆形的带护罩轴承元件，带护罩的风力涡轮机安装在该圆形的带护罩轴承元件上，从而可绕在水平方向上运行的枢轴旋转，其中，支撑延伸件固定到护罩轴承元件上，该支撑延伸件又意在承载类似设计的护罩轴承元件，在该护罩轴承元件上布置有另一台风力涡轮机，以使风力涡轮机绕其在水平方向上延伸的枢轴可枢转；

图5在与图4相同的图示中，尺寸有所减小，其中所示的风力发电设备的一部分带有带护罩的风力涡轮机，该部分围绕枢轴向下枢转；

图6在与图5相同的图示中，带有带护罩的风力涡轮机的风力发电设备围绕枢轴向上枢转；

图7在与图5和图6相同的图示中，具有带护罩的轴承元件的风力发电设备通过带罩的风力涡轮机绕支撑纵向方向顺时针旋转；

图8在与图7相同的图示中，带护罩轴承元件的风力发电设备相对于图5和图6绕带护罩风力涡轮机的支撑纵向逆时针旋转；

图9为立面图，风力发电设备有三个支撑件，每个支撑件布置在一个滚轮上，支撑延伸件和四个护罩轴承元件在护罩的纵向上一个接一个地布置，每个都有一个带护罩的风力涡轮机，其中三个支撑件以门形方式相互连接；

图10为侧视图，与图9相比尺寸减小，为所示风力发电设备的实施例；以及

图11是图9和图10所示的风力发电设备的实施例的俯视图。

图1所示的风力发电设备的实施例具有安装在地基10上的管状直线形支撑件12，该支撑件12因此限定了沿竖直方向延伸的支撑纵向方向14。在支撑件12的上端，有一个封闭环形式的圆形护罩轴承元件16。护罩轴承元件16绕着与支撑纵向14重合的旋转轴17可旋转地安装在支撑件12上。

通过其圆环形状，护罩轴承元件16限定了一条与支撑纵向成直角的轴；因此，它被布置在支撑件12上。

罩轴承元件16包括罩式风力涡轮机20的罩18，其中在罩18与罩轴承元件16之间设置有气隙22。护罩18限定纵轴24，护罩18相对于该纵轴旋转对称并且形成为闭环设计。护罩18的径向内上侧26限定了一个流动通道28，其中布置有三叶螺旋桨30。该螺旋桨受到沿流动方向W流过流动通道28的风的作用，其中该螺旋桨绕纵轴24旋转，并且使同轴布置在下游的发电机32旋转以产生电能。

发电机32和螺旋桨30的轴由布置成十字的发电机支撑件34支撑在护罩18上。护罩18优选具有双凸机翼剖面，以增加流动通道28中的风速并尽可能避免湍流。

护罩18，护罩风力涡轮机20，安装在护罩轴承元件16上，以绕枢轴36转动，在所示的实施例中，枢轴36水平延伸，从而与支撑纵向14成直角。

为此，如图2所示，连接到护罩18的轴承短柱38在两侧径向向外突出，并与护罩18的枢轴36同心，这些轴承短柱38容纳在设计为护罩轴承元件16中的枢轴40的轴承元件42中。

在所示的实施例中，枢轴轴承40同时设计为夹紧轴承，以在护罩18处于固定枢轴位置时形成锁紧装置44，并将护罩18和护罩风力涡轮机20保持在该枢轴位置。

然而，如图2中虚线所示，也可以在护罩轴承元件16中提供枢轴驱动器46，以旋转可自由旋转地安装在枢轴40上的轴承短柱38，从而将护罩风力涡轮机20绕枢轴36旋转到所需的枢轴位置并将其保持在那里。

优选地，枢轴36穿过护罩风力涡轮机20的重心。

因此，带护罩的风力涡轮机20可以绕着垂直方向旋转的旋转轴17和绕着水平方向旋转的枢轴36以万向的方式逆着风的流动方向W对齐，以允许螺旋桨30受到风的最佳作用。

这种类型的带护罩风力涡轮机20的悬挂还允许带护罩风力涡轮机20在风不吹或不总是在水平方向吹的位置最佳地对准。也可以将护罩轴承元件16固定到支撑件12上，并将其与支撑件12一起相对于地基10绕旋转轴17旋转。

也可以设想，将护罩轴承元件16布置在相对于基础10的固定位置上，例如，风力发电设备布置在相对狭窄的山谷中的情况下，风几乎总是向同一方向吹。

图3示出了用于风力发电设备的护罩风力涡轮机20的另一优选实施例的透视图。在申请EP 17 197 490.0中详细描述和示出了护罩风力涡轮机20的该实施例；通过引用将该EP申请的公开并入本文中。

图3所示的护罩风力涡轮机20的护罩18为封闭环形，并且相对于纵轴24旋转对称。护罩18的横截面为双凸形状，径向内上侧26限定了流动通道28。根据图3以及根据图1和图2的实施例的带护罩风力涡轮机20的护罩18的径向外部下侧48优选具有球形层的表面的形状，其中所述径向外部下侧48与垂直于纵轴24的对称平面50对称，其中枢轴36位于其中。

图3中未显示的轴承短柱38从两侧的护罩18径向向外伸出，并与枢轴36同心。图3所示的护罩风力涡轮机还具有环形、闭环设计的导向元件52，其与纵轴24旋转对称，最大外径小于流动通道28的最小净宽度，并且从风的流动方向W看，导向轮廓头锥54相对于护罩18的轮廓头锥56布置在上游。导向元件52的导向元件轮廓后缘58相对于轮廓头锥56布置在下游，并且相对于流动通道28的最小净宽度布置在上游。沿流动方向W看，可绕纵轴24旋转的螺旋桨至少大致位于导向元件轮廓的后缘58处。螺旋桨30的直径优选地至少近似对应于导向元件52的净宽度。优选地，螺旋桨30的直径(略)小于导向元件52的直径，并且螺旋桨30的叶片的径向外端位于导向元件剖面后缘58的(略)上游，在流动方向W上。

螺旋桨30连接到发电机32，发电机32与纵轴24同轴布置，并通过发电机支撑件34连接到护罩18。

为完整起见，应当提及，根据图3的护罩风力涡轮机20的实施例可以代替图1和图2以及图4至图11所示的护罩风力涡轮机20的实施例。

在图4至图8所示的风力发电设备的实施例中，支撑件12、护罩轴承元件16和护罩风力涡轮机20的设计与结合图1和图2所述的设计相同。然而，支撑件12不固定在地基10上，而是位于滚轮60上，两个滚轮64安装在底盘62上。结合图9至图11更详细地说明本实施例的目的和操作模式。

在远离支撑件12的一侧，支撑延伸件66(此处也是管状)连接到护罩轴承元件16。支撑延伸件66的上端旨在支撑另一个护罩轴承元件16，如结合图1和图2所述，在该轴承元件16上容纳另一个护罩风力涡轮机20，以便其能够围绕其枢轴36进入所需的枢转位置。

在根据图1的实施例中，也可以相应地连接支撑延伸件66，用于用另一个带护罩的风力涡轮机20支撑另一个护罩轴承元件16。

在图5中，护罩18和带护罩的风力涡轮机20以倾斜向下的方向绕枢轴36转动，其中纵轴24升起，如在风的流动方向W上。对于图6所示的旋转位置，护罩18和带护罩的风力涡轮机20处于倾斜向上的旋转位置，从风的流动方向W看纵轴24向下运行。

如图7和图8所示，护罩轴承元件16布置在支撑件12上，以绕支撑纵向14旋转。在图7中，与图4、图5和图6所示的旋转位置相比，从上面看，护罩轴承元件16以及带护罩的风力涡轮机20是顺时针旋转的，并且在图8中是逆时针旋转的。

可以在支撑件12和护罩轴承元件16之间提供旋转驱动。然而，优选地，特别是结合根据图9到11的实施例，在支撑件12和护罩轴承元件16之间提供旋转轴承，以设置然后固定所需的旋转位置。同样适用于轴承元件42以固定每个带护罩风力涡轮机20的枢转位置。

图9至图11示出了一种风力发电设备，其中三个支撑件12(每个支撑件布置在滚轮60上)通过四个护罩轴承元件16以门形方式彼此连接，支撑延伸件16在它们之间运行。在各种情况下，三臂入口支撑元件70的臂70延伸至最上面的围板轴承元件16。与每个支撑件12和入口支撑件86的相关臂70相关联的支撑延伸件66以其纵向14在相关垂直面内延伸，三个垂直面相对彼此偏移120°。

通过门形支撑件68的中心，运行旋转的垂直轴17，风力发电设备可通过滚轮60围绕该轴旋转。

此外，在图9至12所示的风力发电设备的实施例中，支撑件12和支撑件延伸件66以及门形支撑件68的臂70都是弯曲的；例如，支撑纵向14和支撑延伸件的纵向以及相关联的臂70，每个在各自的垂直面上运行，形成直立椭圆的四分之一的形状。

所带护罩的轴承元件16和由其支撑的护罩风力涡轮机20具有相同的设计。如图10和图11所示，由于带护罩的风力涡轮机20的枢轴和护罩轴承元件16的枢轴，所带护罩的18和所带护罩的风力涡轮机20可以以纵轴24彼此平行的方式对齐；在所示的实施例中沿水平方向。此外，由于风力涡轮机绕竖直旋转轴17旋转，因此所有带护罩的风力涡轮机20可以以简单的方式一起逆着风的流动方向W旋转。

当然，也可以想到的是，仅两个支撑件以门形方式与这些相关的带护罩风力涡轮机20连接。此外，还可以形成支撑件12，如有必要，与支撑延伸件66在一条直线上，并提供一个例如在水平方向上运行的门形支撑元件，其上可以依次提供护罩轴承元件16，每个轴承元件上都有一个带护罩的风轮机20。

为完整起见，应提及的是，如果存在支撑延伸件66和支撑件12，发电机32之间的电线穿过其中一个轴承短柱38、护罩轴承元件16，如果适用，连接到电气成型装置和存储装置，例如布置在建筑物72中。