專利名稱：變量發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變量發(fā)電機(jī)，該變量發(fā)電機(jī)用于將機(jī)械旋轉(zhuǎn)和/或位移能量轉(zhuǎn)化為電能，例如涉及一種變量發(fā)電機(jī)，該變量發(fā)電機(jī)能夠可操作地動(dòng)態(tài)地改變電能輸出以及處理動(dòng)態(tài)變化的機(jī)械輸入旋轉(zhuǎn)和/或往復(fù)速度。另外，本發(fā)明還涉及操作這些變量發(fā)電機(jī)的方法。另外，本發(fā)明涉及構(gòu)造這些變量發(fā)電機(jī)的方法。另外，本發(fā)明涉及用于實(shí)施本發(fā)明的方法的可在計(jì)算機(jī)硬件上執(zhí)行的軟件產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
由于化石原料的消耗，以及考慮到因人類活動(dòng)導(dǎo)致的氣候變化，近年來，注意力已經(jīng)集中到可再生能源系統(tǒng)。傳統(tǒng)的發(fā)電方法通常涉及到儲(chǔ)器(reservoir)的形式，例如，水電設(shè)備包括水壩，該水壩提供能夠通過水閥調(diào)節(jié)的穩(wěn)定的水流以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)；熱核反應(yīng)堆核心能夠儲(chǔ)存大量的熱能，用以提供能夠通過蒸汽閥調(diào)節(jié)的高壓下的穩(wěn)定的蒸汽流以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)。相比較而言，多數(shù)通過風(fēng)、潮汐流和海浪運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的可再生能源系統(tǒng)承受很寬范圍·的振幅運(yùn)動(dòng)、速度運(yùn)動(dòng)、頻率運(yùn)動(dòng)和/或方向運(yùn)動(dòng)。另外，在整個(gè)一年的不同時(shí)段極端天氣條件往往導(dǎo)致很大的動(dòng)態(tài)范圍的運(yùn)動(dòng)。其結(jié)果是，這些可再生能源系統(tǒng)的能源傳感器通常在技術(shù)上很難實(shí)施。應(yīng)對(duì)能源傳感器的這些問題的傳統(tǒng)方法是應(yīng)用液壓裝置，例如在美國專利US 6 476 511 BI (Yemm et al.)中描述的液壓缸泵裝置，或者在國際PCT專利申請(qǐng)WO2007/016120A2中描述的液壓泵裝置。然而，液壓系統(tǒng)容易磨損，并且由于在其所應(yīng)用的液壓機(jī)液體(hydraulic fluids)中發(fā)生粘滯阻力導(dǎo)致能源效率相對(duì)低下。作為應(yīng)用液壓傳感器的替代方式，應(yīng)用變速發(fā)電機(jī)是可行的。若干類型的變速發(fā)電機(jī)已經(jīng)公知，但這些發(fā)電機(jī)通常是很粗糙的設(shè)備，并不能真正理想地應(yīng)用在諸如風(fēng)能或者潮汐能發(fā)電中。用于發(fā)電的大型風(fēng)力渦輪機(jī)以相當(dāng)?shù)偷霓D(zhuǎn)速(rpm)旋轉(zhuǎn)，并且所設(shè)計(jì)與的供這些渦輪機(jī)使用的電流發(fā)生器還需要利用( i )風(fēng)力渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)之間的多級(jí)齒輪系統(tǒng)；其中，通過調(diào)整風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片間距控制旋轉(zhuǎn)速度；(ii)直接連接到風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的寬直徑發(fā)電機(jī)；其中，該發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。發(fā)電機(jī)的輸出功率通常進(jìn)行整流，并且通過運(yùn)行在高開關(guān)頻率(例如幾千赫茲的頻率)的動(dòng)力電子設(shè)備形成相位。(i )和(ii)的這些方法實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)較昂貴，尤其是對(duì)于整流所需的電力設(shè)備和由發(fā)電機(jī)提供的電能產(chǎn)生相位形式而言。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種變量發(fā)電機(jī)，該變量發(fā)電機(jī)能夠更好地適用于應(yīng)對(duì)可變的機(jī)械輸入速度和各種輸入旋轉(zhuǎn)方向和/或線性移動(dòng)方向。本發(fā)明旨在提供一種先進(jìn)形式的變量發(fā)電機(jī)，該變量發(fā)電機(jī)更適合于批量生產(chǎn)，并且還提供較大的發(fā)電能力和穩(wěn)固的運(yùn)行。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種如獨(dú)立權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)提供一種變量發(fā)電機(jī)，該變量發(fā)電機(jī)用于將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，其中，發(fā)電機(jī)至少包括定子組件和具有線圈及磁體的轉(zhuǎn)子組件；其特征在于，發(fā)電機(jī)包括模塊結(jié)構(gòu)，該模塊結(jié)構(gòu)包括所述線圈，用以響應(yīng)與所述磁體的磁性相互作用的線圈而生成子波(30);以及控制裝置，用以組合子波以生成復(fù)合合成的發(fā)電機(jī)的電能輸出。在上述的所述輸出中的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于能夠通過控制方式快速地動(dòng)態(tài)地進(jìn)行調(diào)整，在控制方式中子波組合在一起合成所述輸出?？蛇x地，在發(fā)電機(jī)中，模塊與其所對(duì)應(yīng)的線圈空間并列配置(spatiallycollocated),以在發(fā)電機(jī)中的早期階段提供電能信號(hào)變形。該空間并列配置潛在地避免了后續(xù)對(duì)昂貴的和復(fù)雜的高頻電子開關(guān)單元的需求，該高頻電子開關(guān)單元在傳統(tǒng)中應(yīng)用于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)的狀態(tài)輸出以合適的形式反饋至電力配電網(wǎng)?？蛇x地，有利地，變量發(fā)電 機(jī)的實(shí)施使得模塊能夠產(chǎn)生子波，該子波的周期(d)短于發(fā)電機(jī)的輸出的交流波形的周期(D)持續(xù)時(shí)間。方便地，當(dāng)構(gòu)造發(fā)電機(jī)時(shí)，所述定子包括所述線圈，并且安裝成在運(yùn)行中基本保持靜止；所述轉(zhuǎn)子包括所述磁體，并且安裝成在運(yùn)行中相對(duì)于所述定子(60)轉(zhuǎn)動(dòng)和/或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以在線圈中感應(yīng)子波信號(hào)?？蛇x地，變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施使得模塊以二維開關(guān)矩陣的方式電連接在一起，該二維開關(guān)矩陣包括至少一個(gè)串聯(lián)支路，用以疊加子波的電勢(shì)(potentials);以及至少一個(gè)并聯(lián)支路,用以在述子波之間分配電流(current preading),以生成輸出?？蛇x地，變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施使得模塊能夠在運(yùn)行中響應(yīng)于控制裝置提供的控制信號(hào)在非導(dǎo)通狀態(tài)、短路狀態(tài)、負(fù)子波狀態(tài)和正子波狀態(tài)之間切換?？蛇x地，控制裝置分布在控制單元外部至模塊之間，并且微控制器位于模塊中?？蛇x地，當(dāng)實(shí)施變量發(fā)電機(jī)時(shí)，模塊與控制裝置通過光學(xué)數(shù)據(jù)總線通信連接。此外，可選地，當(dāng)實(shí)施變量發(fā)電機(jī)時(shí)，光學(xué)數(shù)據(jù)總線能夠以波分復(fù)用(wavelength division multiplexing)的方式選擇性地指引控制裝置和模塊之間的數(shù)據(jù)?？蛇x地，實(shí)施變量發(fā)電機(jī)，使得模塊能夠?qū)㈥P(guān)于其運(yùn)行狀態(tài)的診斷信號(hào)傳輸至控制裝置，并且從控制裝置接收相對(duì)于模塊各自的子波的關(guān)于計(jì)時(shí)信息和/或極性信息的控制信號(hào)?？蛇x地，實(shí)施變量發(fā)電機(jī)，使得模塊設(shè)置為插拔到所述模塊在定子和/或轉(zhuǎn)子上的其對(duì)應(yīng)的位置，例如為了維護(hù)和/或檢修目的。可選地，實(shí)施變量發(fā)電機(jī)，使得模塊包括固態(tài)開關(guān)裝置，該固態(tài)開關(guān)裝置用以在運(yùn)行中在所述線圈中感應(yīng)的感應(yīng)電信號(hào)的至少半個(gè)周期中開關(guān)?？蛇x地，變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施使得控制裝置包括輸入，該輸入在運(yùn)行過程中合成和/或調(diào)整輸出的振幅和/或相位時(shí)用作參考的輸入。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的變量發(fā)電機(jī)中使用的模塊，其中，模塊包括微控制器，用以提供模塊的本地控制；線圈，該線圈連接至開關(guān)裝置，用以生成微控制器控制下的子波；以及光學(xué)通信接口，用以接收控制數(shù)據(jù)以控制模塊和/或從模塊傳輸診斷信息。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種使用變量發(fā)電機(jī)的方法，該變量發(fā)電機(jī)用于將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，其中，發(fā)電機(jī)至少包括一個(gè)定子組件，和一個(gè)具有線圈和磁體的轉(zhuǎn)子組件；其特征在于，該方法包括(a)在模塊結(jié)構(gòu)中生成子波，所述模塊結(jié)構(gòu)包括所述線圈，用以響應(yīng)與所述磁體的磁性相互作用的所述線圈而生成子波；(b)使用控制裝置組合子波，用以生成復(fù)合合成的發(fā)電機(jī)的電能輸出。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種可再生的能源系統(tǒng)，該能源系統(tǒng)用于將機(jī)械設(shè)備的線性和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，其中，設(shè)備能夠產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的第一方面的變量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子之間的相對(duì)移動(dòng)，用以生成系統(tǒng)的電能輸出?？蛇x地，系統(tǒng)的運(yùn)行通過由變量發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的診斷數(shù)據(jù)確定?？蛇x地，實(shí)施可再生的能源系統(tǒng)，使得機(jī)械設(shè)備包括潮汐水輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、振蕩風(fēng)力葉片、海洋漂浮、水力發(fā)電渦輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)中的至少一者。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種維護(hù)變量發(fā)電機(jī)的方法，該變量發(fā)電機(jī)根據(jù)本發(fā)明的第一方面，該方法包括以下步驟(a)確定發(fā)電機(jī)的模塊的運(yùn)行狀態(tài)；·
(b)拔下并且更換步驟(a)中識(shí)別出的一個(gè)或者多個(gè)損壞的模塊。根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種向電力配電網(wǎng)提供響應(yīng)負(fù)載穩(wěn)定化的方法，該方法使用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的變量發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)連接至配電網(wǎng)，其特征在于，該方法包括(a)感測(cè)指示配電網(wǎng)所經(jīng)受的電氣負(fù)載的程度的一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)；(b)在發(fā)電機(jī)中選擇性地調(diào)整子波，以吸收或者注入電能至配電網(wǎng)，以協(xié)助穩(wěn)定配電網(wǎng)，調(diào)整由電氣負(fù)載的程度造成的配電網(wǎng)的電壓和/或頻率的偏差。可以理解地，本發(fā)明的特征很容易以多種組合方式組合。


以下將通過實(shí)例并參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述；其中圖I是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式，并通過在不同的組合中合成子波來表不輸出波形的合成；圖2A是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式，其中，發(fā)電機(jī)實(shí)施為寬直徑的形式；圖2B是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式，其中，發(fā)電機(jī)實(shí)施為長窄直徑;圖2C是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式，其中，發(fā)電機(jī)實(shí)施為包括具有相關(guān)聯(lián)的模塊的中心固定定子，和環(huán)繞在定子周圍的可轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子；圖3是顯示通過使用子波合成的波形輸出，該子波位于相位和正交相位以實(shí)現(xiàn)合成質(zhì)量的改善，由此減少了對(duì)輸出過濾的需求,該輸出過濾能夠從發(fā)電機(jī)輸出中去除存在的諧波分量；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式的中心定子；圖5是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式的沿著定子螺旋形分布的模塊；圖6A是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式的轉(zhuǎn)子的環(huán)形轉(zhuǎn)子部件；圖6B是顯示根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的實(shí)施方式的形成為轉(zhuǎn)子的一部分的轉(zhuǎn)子部件，這些環(huán)形的轉(zhuǎn)子部件以相位補(bǔ)償?shù)姆绞桨惭b；圖7是示意性地顯示適用于構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的定子的模塊；
圖8A是示意性地顯示用于本發(fā)明的模塊的電源電路的實(shí)施方式；圖8B是示意性地顯示本發(fā)明的模塊的矩陣電連接裝置(arrangement)；圖9是離岸風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，即“風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)”的示意圖，該系統(tǒng)包括裝配有根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)的多個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)；以及圖10是根據(jù)本發(fā)明的用于以多種方式將線性運(yùn)動(dòng)(例如往復(fù)線性運(yùn)動(dòng))轉(zhuǎn)化為電能的實(shí)施方式的示意圖。在附圖中，帶下劃線的數(shù)字用于表示上面帶有該帶下劃線的數(shù)字的部件或者與帶下劃線的數(shù)字相毗鄰的部件。無下劃線的數(shù)字指示通過將無下劃線的數(shù)字連接到部件的連接線標(biāo)示的部件。當(dāng)一個(gè)數(shù)字沒有下劃線并且伴隨著相關(guān)的箭頭時(shí)，該沒有下劃線的數(shù)字通常用于標(biāo)示箭頭所指向的部件。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是基于圖I中所顯示的構(gòu)思，即，通過選擇性地開關(guān)(switch)大量較小的子波30，能夠易于合成發(fā)電機(jī)20所提供的交流電源輸出10，所述較小的子波30的幅值P遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)20所提供的交流電源輸出10的幅值M，所述較小的子波30的周期(duration)d遠(yuǎn)短于發(fā)電機(jī)20所提供的交流電源輸出10的周期D。如果需要，可以應(yīng)用濾波器40(例如，通過電感和電容的組合來實(shí)現(xiàn))來過濾發(fā)電機(jī)20的輸出10中存在的高次諧波信號(hào)分量(high-order harmonic signal components)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，響應(yīng)于發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)子50的動(dòng)態(tài)變化的輸入旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，子波30能夠快速地開關(guān)。另外，可以使用批量生產(chǎn)的固態(tài)電子模塊80，該固態(tài)電子模塊80專用于開關(guān)其各自的子波30。另外，有利地，模塊80實(shí)施為能夠單獨(dú)地控制，例如，可操作的控制單元70通過普通的光學(xué)數(shù)據(jù)總線直接操作發(fā)電機(jī)10。這種操作方式是有利的，因?yàn)椋恍┠K80的失效通常不會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)10無法運(yùn)行，而只是會(huì)潛在地導(dǎo)致所合成的輸出10更加地粗糙。另外，可以將模塊80安裝成沿著轉(zhuǎn)子50和/或定子60層疊的裝置，以確保在運(yùn)行中產(chǎn)生更加均勻的和易控制的潛在的梯度，從而降低電擊穿或者閃絡(luò)(flash-over)的風(fēng)險(xiǎn)。通過應(yīng)用圍繞轉(zhuǎn)子50和與其相關(guān)聯(lián)的定子60設(shè)置的相對(duì)較小的磁極和相關(guān)聯(lián)的磁體90，以在轉(zhuǎn)子50相對(duì)于定子60的各個(gè)不同的角度位置產(chǎn)生子波30，從而生成前文中提及的子波30。電絕緣冷卻流體(例如合成硅油或者強(qiáng)制氣體)穿過模塊80流通，以驅(qū)除運(yùn)行時(shí)在其中產(chǎn)生的熱量?？蛇x地，轉(zhuǎn)子50和定子60安裝有諸如光電編碼器的位置傳感器，以向控制單元70提供轉(zhuǎn)子50相對(duì)于定子60的旋轉(zhuǎn)角度的指示。在運(yùn)行中，圖I中的發(fā)電機(jī)選擇性地接收外部的同步信號(hào)S，并且能夠在合適的時(shí)間與模塊80產(chǎn)生的子波耦合以生成與信號(hào)S同步的輸出10。不過，應(yīng)該理解，子波能夠以如下的方式開關(guān)以使得圖I中的發(fā)電機(jī)能夠產(chǎn)生直流電(DC)輸出10，也能夠產(chǎn)生交流電(AC)輸出10?？梢砸灾苯域?qū)動(dòng)的方式應(yīng)用發(fā)電機(jī)20，例如，發(fā)電機(jī)20直接連接到渦輪機(jī)，或者發(fā)電機(jī)20與渦輪機(jī)一體形成?？商娲?，發(fā)電機(jī)20可以通過變速箱(例如，定比變速箱)連接到渦輪機(jī)。因此，發(fā)電機(jī)20 (也稱作可變電壓發(fā)電機(jī)“VVG”)能夠作為直接驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行。發(fā)電機(jī)20可以具體地設(shè)計(jì)為用于直接驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，其中發(fā)電機(jī)20的輸入速度和轉(zhuǎn)矩變化(例如響應(yīng)于潮汐或者風(fēng)力條件的變化)很大。發(fā)電機(jī)20的示例性實(shí)施方式可以為在岸或者離岸風(fēng)力渦輪機(jī)或者水下潮汐渦輪機(jī)。另外，發(fā)電機(jī)20也易于以無曲軸結(jié)構(gòu)的自由汽缸往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)(free-cylinder reciprocating combustion machines devoid of acrankshaft structure)的方式應(yīng)用。現(xiàn)在將更加詳細(xì)地描述圖I的發(fā)電機(jī)20。由于發(fā)電機(jī)20的構(gòu)造的模塊化形式和運(yùn)行，發(fā)電機(jī)20實(shí)質(zhì)上能夠提供另外的一些優(yōu)點(diǎn)。例如，發(fā)電機(jī)20能夠在以下模式之間調(diào)整其運(yùn)行(a)單機(jī)運(yùn)行模式；以及(b)協(xié)作運(yùn)行模式，該運(yùn)行模式允許發(fā)電機(jī)20與其他單元相結(jié)合發(fā)揮作用；因此能夠構(gòu)造高穩(wěn)固性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以耐受發(fā)電機(jī)20中的多個(gè)元件失效。這種程度的穩(wěn)固性使得發(fā)電機(jī)20能夠理想地應(yīng)用于可再生能源的應(yīng)用中，例如，在離岸風(fēng)力渦輪機(jī)的應(yīng)用中，由于為了維護(hù)目的的入口通道的限制(諸如在風(fēng)雪交加的條件下)，因此高穩(wěn)固性很重要。在運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)20能夠產(chǎn)生的輸出具有任何所期望的頻率、完整的波 形、相對(duì)于參考信號(hào)的電壓幅值和相位；發(fā)電機(jī)還能夠產(chǎn)生直流(DC)，因此不再需要發(fā)電機(jī)外部的整流元件。雖然圖I中顯示的子波30同相位并且具有彼此相似的幅值，但應(yīng)該理解，發(fā)電機(jī)20可以構(gòu)造成使得子波30具有彼此不同的極性，彼此不同的相對(duì)相位，和彼此不同的幅值。有利地，磁體90和與其相關(guān)聯(lián)的模塊80設(shè)置為圖I中所示的螺旋形方式，以使得子波30獲得多種不同的相對(duì)相位，從而使得控制單元70能夠很好地控制輸出IO，例如使輸出IO與電力配電網(wǎng)(electrical power distribution grid)同步。舉例而言，可以以諸如二進(jìn)制序列1、2、4、8……的方式將子波30設(shè)置為二進(jìn)制數(shù)列的幅值，以能夠很好地調(diào)整輸出10的幅值和波形。發(fā)電機(jī)20可以構(gòu)造為使用寬直徑結(jié)構(gòu)，例如圖2A中所示的煎餅形布置。為了實(shí)現(xiàn)“寬直徑”發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子50的直徑應(yīng)該比其軸向有效長度至少大I. 5倍，定子60也相似地設(shè)置?？商娲?，發(fā)電機(jī)20可以實(shí)施為圖2B中所示的長窄直徑的結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)“長轉(zhuǎn)子”發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子50的長度至少比其直徑長I. 5倍，而定子60的長度依轉(zhuǎn)子50的長度而定。在圖2C中，發(fā)電機(jī)20實(shí)施為使得轉(zhuǎn)子50圍繞定子60，其中，定子60在運(yùn)行中是靜止的，并且位于發(fā)電機(jī)20的中心。有利地，每個(gè)模塊80設(shè)置為具有一個(gè)或者多個(gè)相連接(associated)的拾取線圈(pickup coils)的集成子單元(integrated subunit)。另外，有利地，相對(duì)于發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)軸而言，模塊80配置為幾行或者幾個(gè)螺旋線。磁體90和模塊80的線圈的數(shù)量決定了發(fā)電機(jī)的產(chǎn)生電能輸出的能力。另外，有利地，可以針對(duì)就發(fā)電機(jī)而言所期望的運(yùn)行速度的預(yù)定范圍的每一種情況來調(diào)整發(fā)電機(jī)20的波形輸出分辨率。傳統(tǒng)的變量發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)能夠?qū)τ砂l(fā)電機(jī)拾取線圈產(chǎn)生的功率信號(hào)進(jìn)行整流，以生成經(jīng)過整流的輸出，然后將該輸出利用電力電子元件形成相位，從而生成具有所期望的頻率、相位和電壓幅值的最終的輸出功率信號(hào)。這種電力電子元件價(jià)格昂貴，不夠靈活，并且會(huì)引起很多局部能量損失，即，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重失效的單個(gè)點(diǎn)(a single point of criticalfailure)的“熱點(diǎn)”。電力電子元件通常實(shí)施為諸如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FETS)、可控娃、達(dá)林頓晶體管(Darlington transistors)等類似的高頻開關(guān)裝置,該電力電子元件能夠以諸如脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式切斷整流信號(hào)，從而合成振幅、頻率和相位可調(diào)整的輸出功率信號(hào)。比較而言，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施的發(fā)電機(jī)與前文所述的傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)相比呈現(xiàn)出很大的不同。因此，傳統(tǒng)的變量發(fā)電機(jī)執(zhí)行兩個(gè)相分離的操作，將交流線圈信號(hào)整流成直流狀態(tài)(DC)，然后利用電子裝置生成隨后的波形，以生成傳統(tǒng)應(yīng)用的合成輸出信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)20 (“VVS”)包括多個(gè)模塊80產(chǎn)生子波30，然后該子波30通過二進(jìn)制開關(guān)可選擇地結(jié)合，從而合成輸出功率波形。根據(jù)本發(fā)明的這種方法可以提供如下的優(yōu)點(diǎn)(a)可以在很低的頻率下開關(guān)子波30，由此降低開關(guān)損耗，并提高效能，并且能夠因此而使用低效能硅開關(guān)裝置；(b) 一個(gè)子波30的供給丟失不會(huì)引起發(fā)電機(jī)20的災(zāi)難性的故障；在一個(gè)或者多個(gè)模塊80發(fā)生故障使得其子波30無法輸出波形合成的情況下，控制單元70能夠操作為在其他可用的子波30中進(jìn)行選擇，以提供輸出10的下一個(gè)最好的可能的合成?？刂茊卧?0的自適應(yīng)控制系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)20中引導(dǎo)功率流動(dòng)，從而單個(gè)線圈80的輸出與所有的其他線圈80相配合實(shí)時(shí)地重新排列，以生成所期望的輸出10，不受由轉(zhuǎn)子50的旋轉(zhuǎn)速率決定的輸入頻率的影響。由于每個(gè)模塊80的控制電子元件只與其自身相關(guān)聯(lián)的拾取線圈80關(guān)聯(lián)，例如每個(gè)拾取線圈80所具有的最大的功率范圍是5kw到IOkw,因此利用簡(jiǎn)單地批量生產(chǎn)的現(xiàn)成的電子開關(guān)元件就能夠控制和調(diào)制發(fā)電機(jī)20中數(shù)量可觀的功·率。因此，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)20取消了傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)的整流和相位形成階段，從而節(jié)約了成本，并提供更高效的操作和更可靠的操作。圖3中顯示子波30的合成(即，通過應(yīng)用相互正交相位的子波30)以為輸出10合成正弦的輸出波形。由此，通過一個(gè)同相子波30A、兩個(gè)正交子波30B和三個(gè)同相子波相結(jié)合，生成圖3的頂部區(qū)域所顯示的接近半個(gè)正弦信號(hào)110，其中，子波具有相同的極性。通過將在圖3的底部區(qū)域顯示的更多的子波30D、30E、30F、30G相結(jié)合，易于合成相對(duì)周期更長的半正弦信號(hào)。通過將這些單個(gè)的子波相結(jié)合，可以在輸出10提供幾乎任何范圍的頻率、電壓和電流，即，相互獨(dú)立的輸入頻率只取決于轉(zhuǎn)子50的旋轉(zhuǎn)速率，而不再需要整流或者通過線圈生成相位形式的信號(hào)。在圖4中，示出了定子60的可行的實(shí)施方式，其中，轉(zhuǎn)子50 (圖4中未示出)以圖2c中所顯不的外圍的方式(peripheral manner)設(shè)置；因此,有利地,定子60可以在運(yùn)行中保持靜止，從而連接到定子60的渲染電纜(rendering cable)可以不再需要使用滑環(huán)。應(yīng)該理解，當(dāng)發(fā)電機(jī)20設(shè)計(jì)為生成兆瓦(麗)數(shù)量級(jí)的電功率時(shí)，發(fā)電機(jī)20要承受相當(dāng)大的機(jī)械應(yīng)力，因此磁體90和模塊80需要機(jī)械的穩(wěn)固性和適當(dāng)?shù)臋C(jī)械支撐，例如用以耐受離心力。例如，有利地，磁體90由釹材料制造而成，并且由轉(zhuǎn)子50的由兼容的聚合物或者橡膠制成的減震架支撐，用以分散應(yīng)力從而避免運(yùn)行中永久磁體90彈響(snapping)或者斷裂；例如，可以選擇應(yīng)用聚氨酯層理的(polyurethane bedding)永久磁體90。模塊80被牢固地機(jī)械地支撐，并且向模塊80提供冷卻。另外，有利地，模塊80為層疊在一起的方式，以確保在運(yùn)行中沿著模塊80產(chǎn)生漸進(jìn)式的電位梯度；當(dāng)發(fā)電機(jī)20提供的輸出10的幅值在千伏(KV)的數(shù)量級(jí)時(shí)，這種電位分布很重要以防止任何出現(xiàn)閃絡(luò)的趨勢(shì)。有利地，模塊80安裝在絕緣中心管150上,在運(yùn)行中，強(qiáng)制冷卻空氣(force air cooling)或者冷卻流體(cooling liquid)穿過絕緣中心管150循環(huán)；例如,有利地，電絕緣和基本上光學(xué)透明的娃油可以用作液體冷卻劑。有利地，模塊80安裝在自中心管150凸起的軸向葉片160上，其中，葉片160與中心管150熱交換。對(duì)于葉片，可以有利地安裝模塊80的磁極片170，該磁極片170由諸如層疊硅鋼制成，與葉片同樣堅(jiān)固，能夠耐受應(yīng)力，并且具有一定程度的柔韌性，以應(yīng)對(duì)可能損壞發(fā)電機(jī)20的機(jī)械振動(dòng)。有利地，模塊80彼此相同，以能夠批量地生產(chǎn)定子60從而降低其成本。另外，當(dāng)發(fā)電機(jī)20需要維護(hù)時(shí)，可以很容易地將故障的模塊80診斷出來，然后將故障的模塊80從葉片160和/或中心管150拔下，并替換上相應(yīng)的新的功能模塊80。有利地，模塊80可以設(shè)置成共享光學(xué)通信總線，例如以以太網(wǎng)的方式實(shí)施，用以控制從控制單元70發(fā)送到模塊80的 信號(hào)，從而控制模塊80開閉，并且將指示模塊80的運(yùn)行的反饋信號(hào)從模塊80傳遞返回至控制單元70。如果有必要，可以應(yīng)用光波分復(fù)用(opticalwavelength division multiplexing) (WDM),用以在模塊80和控制單元70之間對(duì)不同類別的控制信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行交換。另外，可以使用由光學(xué)總線傳遞的光學(xué)輻射來提供動(dòng)力，用以控制包括在每一個(gè)模塊80中電子元件,例如,使用發(fā)電光電管(power-generatingphotocell)，該發(fā)電光電管容納在提供電絕緣的模塊中。使用光學(xué)輻射具有特別的優(yōu)越性，因?yàn)?a)光學(xué)輻射相對(duì)而言不受電氣干擾的影響；(b)光學(xué)輻射提供至模塊或者自模塊的相對(duì)的高通信數(shù)據(jù)傳輸速率；并且(C)光學(xué)輻射在模塊80之間提供到電絕緣的內(nèi)部通路，這在其他的應(yīng)用電控制信號(hào)的結(jié)構(gòu)中是不可能實(shí)現(xiàn)的。 可選地，模塊80以圖5所示的略微的螺旋方式設(shè)置在定子60上，用于改善波形合成，以通過提供一系列具有略微不同的相位特征的子波30從而在運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)更大的相位分辨率。當(dāng)如圖I中所示那樣應(yīng)用發(fā)電機(jī)20的配置時(shí)，有利地，轉(zhuǎn)子50由圖6A中標(biāo)注為300的一系列環(huán)形件構(gòu)造而成。每個(gè)環(huán)形件200包括永久磁體210(例如釹陶瓷永久磁體)，該永久磁體210圍繞環(huán)狀支撐件220設(shè)置，在運(yùn)行中，該環(huán)狀支撐件220能夠牢固地安裝至支撐桿。磁體210設(shè)置成如圖所示的彼此之間具有氣隙的徑向的葉片狀。另外，自支撐件220的葉片狀凸起有助于機(jī)械地支撐磁體210，當(dāng)發(fā)電機(jī)20在運(yùn)行中提供大量的輸出功率(例如幾百千瓦甚至幾兆瓦的數(shù)量級(jí))時(shí)，該磁體210承受大部分的應(yīng)力。如圖6B所示，可以將一些環(huán)形件220沿軸向安裝在一起并且彼此之間具有角位移，用以向控制單元70提供更多選擇的子波30，這些子波30相結(jié)合生成輸出10。因此，轉(zhuǎn)子50易于由多個(gè)牢固地組裝在一起的環(huán)形件220構(gòu)造而成。在一個(gè)或者更多的環(huán)形件220損壞(例如其磁體90斷裂)的情形中，可以在發(fā)電機(jī)20的日常維護(hù)中，簡(jiǎn)單地將損壞的環(huán)形件220整個(gè)更換掉。有利地，環(huán)形件220可以由以下的一種或者多種材料構(gòu)造而成金屬、碳纖維、復(fù)合材料、塑料聚合物材料、陶瓷材料。轉(zhuǎn)子50和定子60可以一起安裝在殼體中并具有適當(dāng)?shù)妮S承布置，使得轉(zhuǎn)子50能夠相對(duì)于定子60旋轉(zhuǎn)，以在輸出10生成電功率?？梢詰?yīng)用機(jī)械和/或磁軸承和/或流體軸承，取決于發(fā)電機(jī)20的應(yīng)用和發(fā)電機(jī)20的設(shè)計(jì)發(fā)電能力?，F(xiàn)在將參考圖7更加詳細(xì)地描述模塊80。每個(gè)模塊80都是獨(dú)立的子波30發(fā)電機(jī)，每個(gè)模塊80可以安裝成倚靠其他相同的模塊80層疊地構(gòu)造，或者安裝到如前所述的定子60的支撐結(jié)構(gòu)的支撐件。模塊80設(shè)置有冷卻裝置300，例如能夠循環(huán)的絕緣硅冷卻油和/或強(qiáng)制冷卻空氣。另外，模塊80也可以包括可拆卸的安裝裝置310，以使得在運(yùn)行中經(jīng)受各種機(jī)械應(yīng)力時(shí)，模塊80能夠獲得足夠的機(jī)械支撐；有利地，安裝裝置310包括螺釘、定位銷、橡膠襯套等等。模塊80包括線圈320，用以與轉(zhuǎn)子50的磁體90產(chǎn)生的磁通相互作用。線圈320的輸出連接至整流裝置330，然后通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)340連接至子波輸出30 ;開關(guān)網(wǎng)絡(luò)340設(shè)計(jì)為在相對(duì)較低的開關(guān)頻率下操作以對(duì)應(yīng)子波30的周期d。這種操作與傳統(tǒng)的高頻脈沖寬度調(diào)制器(PWM)電功率調(diào)節(jié)電路有很大的不同，傳統(tǒng)的高頻脈沖寬度調(diào)制器(PWM)電功率調(diào)節(jié)電路因在KHz數(shù)量級(jí)的高頻發(fā)生高頻開關(guān)損失(switching losses)而導(dǎo)致成本高并且能源效率低。另外，模塊80還包括雙向光學(xué)接口 360，用以接收來自控制單元70的控制指令，并且向控制單元輸出診斷數(shù)據(jù)和/或確認(rèn)數(shù)據(jù)。接口 360能夠提供快速的數(shù)據(jù)傳輸率，同時(shí)以最穩(wěn)固和具有成本效益的方式與模塊80之間保持電絕緣。微控制器350在局域級(jí)(local level)控制模塊80的運(yùn)行；在實(shí)踐中，有利地，以控制單元70和模塊80的微控制器350之間的分布式方式(distributed manner)實(shí)施發(fā)電機(jī)20的控制。另外，接口 360方便地設(shè)置為使 用高速光偵測(cè)器和數(shù)據(jù)調(diào)制固態(tài)激光設(shè)備。如前所述，接口360設(shè)計(jì)為接收和傳輸各種不同的光載波輻射波長(例如以波分復(fù)用(WDM)的方式)，以能夠在發(fā)電機(jī)20中使用單一普通光學(xué)數(shù)據(jù)總線(single general optical data highway),用以控制發(fā)電機(jī)20的所有模塊80的運(yùn)行?？蛇x地，可以在發(fā)電機(jī)20中應(yīng)用多個(gè)光學(xué)數(shù)據(jù)總線，例如用于在因各種原因?qū)е掳l(fā)電機(jī)的主光學(xué)數(shù)據(jù)總線變得難以處理的情況下出于緊急備份的目的。每個(gè)線圈320及其相關(guān)聯(lián)的電子元件都是獨(dú)立的批量生產(chǎn)的單元，該單元能夠方便地更換，例如，即使是在運(yùn)行時(shí)也能夠更換。發(fā)電機(jī)20能夠構(gòu)造成寬直徑裝置，或者長窄直徑裝置，使得該發(fā)電機(jī)20能夠與多種傳統(tǒng)的和外來的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)相匹配，而無需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)其基本元件部分。如前所述，發(fā)電機(jī)20的所有構(gòu)造具有由內(nèi)部或者外部的旋轉(zhuǎn)的磁體建立的單級(jí)或者偶極磁場(chǎng)，如圖2A、圖2B和圖2C所示。下面參考圖8A，示出一種具有代表性的實(shí)施模塊80所應(yīng)用的電子開關(guān)元件?？梢允褂枚喾N電子開關(guān)元件來實(shí)施模塊80，例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，雙極型晶體管(BJT)，三端雙向可控硅開關(guān)，可控硅整流器(SCR)，達(dá)林頓晶體管，碳化硅晶體管，硅鍺晶體管，等等。最優(yōu)選地，考慮到低成本和穩(wěn)固性，如圖所示使用可控硅整流器SCRl至SCR8來實(shí)施模塊80?？梢再徺I具有2KV耐壓特性、幾千安培的電流導(dǎo)通性能、被封裝在扁平的陶瓷腔體中的可控硅整流器SCR，該陶瓷腔體便于以機(jī)械方式置入模塊80中?？煽毓枵髌鱏CR包括由模塊80的微控制器350觸發(fā)的門終端(gate terminal);有利地，可控硅整流器SCR的觸發(fā)由光觸發(fā)和/或通過隔離鐵氧體脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)行中，只有觸發(fā)可控硅整流器SCR的門終端時(shí)，可控娃整流器SCR才會(huì)導(dǎo)通。另外，當(dāng)潛在的跨過(potential thereacross)小于閾值幅值或者可控硅整流器SCR在主要的兩端形成反向偏置時(shí)，可控硅整流器SCR停止導(dǎo)通。圖8A中模塊80具有四種導(dǎo)通模式，即(a)第一模式，其中，模塊80在其端部Tl和T2之間提供有效的短路電路；(b)第二模式，其中，端部Tl和T2之間開路；(c)第三模式，其中，負(fù)子波30半周期定向?yàn)閺木€圈320至端部Tl和T2 ；(d)第四模式，其中，正子波30半周期定向?yàn)閺木€圈320至端部Tl和T2。有利地，模塊80包括第一保險(xiǎn)絲FS1，用以在嚴(yán)重故障的情形下將整個(gè)模塊80隔離；以及第二保險(xiǎn)絲FS2，用以在嚴(yán)重故障的情形下保護(hù)線圈320?？煽毓枵髌鱏CRl至SCR8安裝成圖8A中所示的橋式結(jié)構(gòu)。在第一模式中，觸發(fā)可控硅整流器SCR3、SCR4、SCR7和SCR8為導(dǎo)通狀態(tài)，而可控硅整流器SCR1、SCR2、SCR5和SCR6為非導(dǎo)通狀態(tài)。在第二模式中，可控硅整流器SCRl至SCR8都不導(dǎo)通，即，都處于開路狀態(tài)。在第三模式中，可控硅整流器SCR2和SCR7處于導(dǎo)通狀態(tài)，可控硅整流器SCR1、SCR3至SCR6、以及SCR8處于非導(dǎo)通狀態(tài)。在第四模式中，可控硅整流器SCRl和SCR8處于導(dǎo)通狀態(tài)，可控硅整流器SCR2至SCR7處于非導(dǎo)通狀態(tài)。如圖8B中所示，有利地，在一個(gè)包括mXn個(gè)模塊80的二維矩陣中，模塊80電連接在一起。若干模塊80可選地從矩陣中去除。通過這種安裝方式，電流負(fù)載能夠在并聯(lián)連接的模塊80之間分配，并且通過將模塊80串聯(lián)連接能夠在輸出10提供較大的電勢(shì)。例如，如果需要，輸出10能夠達(dá)到數(shù)千伏的數(shù)量級(jí)，這樣就有可能避免將發(fā)電機(jī)20經(jīng)過變壓器接合至電力配電網(wǎng)的需要，由此節(jié)省安裝成本和降低能量損耗?？蛇x地，矩陣包括幾百個(gè)模塊80，用以合成諧波含量相對(duì)較少的正弦信號(hào)輸出10，例如諧波含量小于1%。如前所述，矩陣的模塊80選擇性地提供彼此不同振幅的子波30，從而能夠更加精確地合成輸出10的合成波形。不過，應(yīng)該理解，可以控制矩陣以提供直流電DC輸出，該直流電DC輸出能夠直接加載到長距離的海底電纜(submerged ocean cable),用以降低長距離電能輸送損耗。與以傳統(tǒng)方式構(gòu)造的發(fā)電機(jī)相比，變量發(fā)電機(jī)20 (“VVG”)提供很多內(nèi)在的優(yōu)點(diǎn)。從概念上講，變量發(fā)電機(jī)20 (例如適用于用以發(fā)電的離岸風(fēng)力渦輪機(jī)的變量發(fā)電機(jī))可以看作是小型發(fā)電廠的空間配置(spatial collocation),這些小型發(fā)電廠能夠動(dòng)態(tài)重組以 各種連接方式整合其電能輸出，以從電網(wǎng)(electrical power network)吸收電能或者向電網(wǎng)輸送電能；該吸收或者輸送可以通過相對(duì)于發(fā)電機(jī)20所連接的電網(wǎng)的相位調(diào)整輸出10的相位來實(shí)現(xiàn)，即，通過子波30選擇性地疊加在一起以生成發(fā)電機(jī)輸出10時(shí)選擇時(shí)間實(shí)例(time instance)來實(shí)現(xiàn)?？商娲?或者另外地,通過調(diào)制輸出10的幅值，即通過控制單元70選擇子波30的數(shù)量以進(jìn)行組合從而在輸出10合成其輸出波形，也可以控制電能的吸收和電能的輸出。當(dāng)電網(wǎng)短暫過載，以及需要從電網(wǎng)吸收電能以儲(chǔ)存到風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)慣量中時(shí)，這種情形下吸收電能的需求增大。當(dāng)多個(gè)用戶從電力配電網(wǎng)吸收電能時(shí)，這種情形下需要將電能輸送到電網(wǎng)。由此，當(dāng)應(yīng)用于離岸風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)，發(fā)電機(jī)20可能在一個(gè)電源電力周期以內(nèi)響應(yīng)時(shí)間內(nèi)能夠提供電能輸出，并且非?？焖偈闺娋W(wǎng)需求響應(yīng)穩(wěn)定化。該需求響應(yīng)穩(wěn)定化比傳統(tǒng)使用的用于電網(wǎng)穩(wěn)定化的任何泵蓄能系統(tǒng)要快速得多；泵蓄能需求響應(yīng)穩(wěn)定化設(shè)備的一個(gè)實(shí)例是英國的威爾士的Dinorwig。發(fā)電機(jī)20因此非常適合應(yīng)用于智能電網(wǎng)(smart grids ;美國表述為"supergrid")。通常，通過微控制器350和/或控制單元70，使用各種測(cè)試參數(shù)控制發(fā)電機(jī)20，或者是控制以協(xié)作方式一起運(yùn)行的若干臺(tái)發(fā)電機(jī)20的配置。測(cè)試參數(shù)的實(shí)施例是給定模塊80中的溫度，或者給定發(fā)電機(jī)20已經(jīng)在風(fēng)力農(nóng)場(chǎng)中運(yùn)行的小時(shí)數(shù)(例如，為了在發(fā)電機(jī)20中均勻分布磨損(wear-and-tear)以在服務(wù)操作之間提高整體運(yùn)行可靠性)。例如，參考圖9，系統(tǒng)500包括裝配有根據(jù)本發(fā)明的變量發(fā)電機(jī)20的若干離岸風(fēng)力渦輪機(jī)510。有利地，系統(tǒng)500根據(jù)如下方法運(yùn)行其中，如果風(fēng)首先從西部方向吹來，那么系統(tǒng)500的控制中心520決定(通過獨(dú)立決定)啟動(dòng)系統(tǒng)500的位于西部區(qū)域530的風(fēng)力渦輪機(jī)510，即風(fēng)力“農(nóng)場(chǎng)”;換句話說，系統(tǒng)500首先驅(qū)動(dòng)那些能夠最有效地發(fā)電的風(fēng)力渦輪機(jī)510。有利地，應(yīng)用在系統(tǒng)500中的發(fā)電機(jī)20的控制單元70可操作地對(duì)從發(fā)電機(jī)20累積輸出的功率進(jìn)行時(shí)間記錄(temporal log),例如，為了在系統(tǒng)500中分散磨損(spreadingwear-and-tear)和/或?yàn)榱舜_定系統(tǒng)500的維護(hù)時(shí)間表。在另一種運(yùn)行方法中，控制中心520旨在設(shè)置為在運(yùn)行中首先啟動(dòng)那些迄今產(chǎn)生最少輸出的風(fēng)力渦輪機(jī)510，例如為了分散磨損和/或?yàn)榱朔乐乖诟g性的離岸環(huán)境中不常用的結(jié)構(gòu)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn))?？刂浦行?20選擇性地設(shè)置為自動(dòng)裝置，該自動(dòng)裝置無需人為干涉地控制系統(tǒng)500?？蛇x地，基于風(fēng)力渦輪機(jī)510的基于對(duì)輸出10進(jìn)行監(jiān)測(cè)和從維修活動(dòng)中接收信息獲得的反饋，控制中心520能夠自適應(yīng)和更新風(fēng)力渦輪機(jī)510的操作程序。有利地，應(yīng)用于系統(tǒng)500的控制程序基于自組織神經(jīng)中樞控制(self-organizingneural control);該類型的神經(jīng)中樞控制意味著,系統(tǒng)500自身可以根據(jù)由系統(tǒng)500的操作人員預(yù)先設(shè)定的值在任意給定的時(shí)間確定單個(gè)發(fā)電機(jī)20或者發(fā)電機(jī)20的組合的最佳的操作方案。操作人員的任何所期望的值都能夠結(jié)合到應(yīng)用于單個(gè)單元或者整個(gè)系統(tǒng)500中的控制算法中。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將系統(tǒng)500以這種方式操作使輸出最大化，使維護(hù)最小化，另外，使電子子單元的單個(gè)元件的溫度最小化，等等。例如，可以使用其他手段優(yōu)化系統(tǒng)500的發(fā)電機(jī)20的電能輸出或者整個(gè)系統(tǒng)500，但允許系統(tǒng)500所連接的電網(wǎng)所顯示的響應(yīng)負(fù)載需求優(yōu)先于所述的經(jīng)過優(yōu)化的電能。有利地，在因經(jīng)歷季節(jié)變換等原因使得一個(gè)或者多個(gè)發(fā)電機(jī)20或者與其相關(guān)聯(lián)的風(fēng)力渦輪機(jī)510失效的情形下，系統(tǒng)500采用自動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)償。有利地，做決定的方法可以基于系統(tǒng)500的操作人員的決定和加權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)；這些·方法允許系統(tǒng)500以任何期望的系統(tǒng)運(yùn)行效果為依據(jù)獨(dú)立地及時(shí)地行使優(yōu)先。例如，可以指示系統(tǒng)500在任何給定時(shí)間在其傳輸點(diǎn)保持絕對(duì)電壓和頻率控制，或者如果有需要可以補(bǔ)償/抵消電網(wǎng)上的噪音。有利地，發(fā)電機(jī)20易于適用于智能單元和智能電網(wǎng)方案中。如果單獨(dú)的風(fēng)力渦輪機(jī)510突然經(jīng)受陣風(fēng)，可能會(huì)產(chǎn)生短暫的不期望的功率升高至渦輪機(jī)510所連接的電網(wǎng)，有利地，通過使風(fēng)力渦輪機(jī)510的轉(zhuǎn)子加速以將陣風(fēng)的能量轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，風(fēng)力渦輪機(jī)510的發(fā)電機(jī)20可操作地抵消因功率升高導(dǎo)致的電力激增。該操作特征使得向電網(wǎng)輸出更加穩(wěn)定的電能成為可能。在協(xié)作方案中，在電網(wǎng)的基本負(fù)荷突然下降100MW的情形下，例如每個(gè)用戶都將其電能驅(qū)動(dòng)設(shè)備退出，此時(shí)，通過將風(fēng)力渦輪機(jī)510的轉(zhuǎn)子減速，應(yīng)用發(fā)電機(jī)20并且產(chǎn)生100MW電能的風(fēng)力渦輪機(jī)農(nóng)場(chǎng)能夠瞬時(shí)開關(guān)并且實(shí)際上瞬時(shí)產(chǎn)生100MW的附加電能。該方法降低了對(duì)于電網(wǎng)內(nèi)實(shí)施的短時(shí)卸載的需求。有利地，系統(tǒng)500能夠不斷地自調(diào)，從而其中任何單獨(dú)的元件或者單元的失效對(duì)于系統(tǒng)500的整體性能而言只能產(chǎn)生微不足道的影響。如果系統(tǒng)500中的一個(gè)元件失效，其負(fù)面影響僅在于失效的元件的功率丟失。這是非常有用的特征，尤其是如果生產(chǎn)單位位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的情況下，例如離岸或者水下并且接下來的計(jì)劃維護(hù)間隔很長的情況下。發(fā)電機(jī)20不僅能夠及時(shí)地適應(yīng)噪音或者不平衡負(fù)載，并且能夠充當(dāng)瞬時(shí)卸載體(instantaneous loadshedder),等于在任何給定的時(shí)間由系統(tǒng)500產(chǎn)生的瞬時(shí)電能或者在單獨(dú)生產(chǎn)單元中，或者分布在多個(gè)獨(dú)立生產(chǎn)單元?？蛇x地，發(fā)電機(jī)20易于變換為作為線性發(fā)電機(jī)的部件發(fā)揮作用，用以將由燃燒過程產(chǎn)生的往復(fù)的線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電能，例如作為授權(quán)的歐洲專利EP0772735B1所描述的設(shè)備的部件。在可再生能源系統(tǒng)中，往復(fù)的線性運(yùn)動(dòng)可以上升為由海浪上由于漂浮導(dǎo)致的上下擺動(dòng)而產(chǎn)生，和在振動(dòng)葉片風(fēng)能設(shè)備中產(chǎn)生；有利地，該運(yùn)動(dòng)也可以使用發(fā)電機(jī)20轉(zhuǎn)化為電能。在圖10中，顯示定子60設(shè)置在線性平面矩陣(可選地，傾斜或者不規(guī)則的矩陣)中，用以接口至裝配有多個(gè)磁體90的線性往復(fù)“轉(zhuǎn)子” 50。雖然已經(jīng)在前文中描述了在轉(zhuǎn)子50中包括磁體90和在定子60中包括線圈320，但應(yīng)該理解，在混合型裝置中，每個(gè)定子60和轉(zhuǎn)子50可選擇地包括磁體90和線圈320。可選地，電感耦合的滑環(huán)和/或磁體可以用于傳輸所產(chǎn)生的電能。雖然在前文中主要描述了在可再生能源系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)20的使用，但應(yīng)該理解，發(fā)電機(jī)20也可以適用于使用在更多的常規(guī)安裝中，例如(a)在水電設(shè)備中；(b)與煤炭、核能、天然氣、太陽能和地?zé)岚l(fā)電站中的汽輪機(jī)相連接。在未脫離由所附的權(quán)利要求限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍的前提下，可以對(duì)前文所述的本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行的改變。用來描述和宣稱本發(fā)明的諸如“包括”、“包含”、“合并”、“組成”、“具有”、“是”的表述，目的在于以非排他性的方式進(jìn)行解釋，即，允許未明確描述部件，元件或組件也受到保護(hù)。所提及的單數(shù)也應(yīng)該解釋為還包括復(fù)數(shù)。在所附的權(quán)利要 求 中，包含在括號(hào)中的數(shù)字是為了幫助理解權(quán)利要求，不應(yīng)該被解釋為以任何方式限制這些所宣稱的權(quán)利要求的主題。
權(quán)利要求
1.一種變量發(fā)電機(jī)(20)，該變量發(fā)電機(jī)(20)用于將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，其中，所述發(fā)電機(jī)(20)至少包括定子組件(60)和具有線圈(320)及磁體(90)的轉(zhuǎn)子組件(50);其特征在于，所述發(fā)電機(jī)(20)包括模塊(80)結(jié)構(gòu)，該模塊(80)結(jié)構(gòu)包括所述線圈(320)，用以響應(yīng)與所述磁體(90)的磁性相互作用的所述線圈(320)而生成子波(30);以及控制裝置(70)，用以組合所述子波(30)以生成復(fù)合合成的所述發(fā)電機(jī)(20)的電能輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(80)與其所對(duì)應(yīng)的線圈(320)空間并列配置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(80)能夠生成子波(30)，該子波(30)的周期(d)短于運(yùn)行輸出(10)供給的交流波形的周期(D)持續(xù)時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述定子(60)包括所述線圈(320)，并且安裝成在運(yùn)行中基本保持靜止；所述轉(zhuǎn)子(50)包括所述磁體(90)，并且安裝成在運(yùn)行中相對(duì)于所述定子(60)轉(zhuǎn)動(dòng)和/或往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(80)以二維開關(guān)矩陣的方式電連接在一起，該二維開關(guān)矩陣包括至少一個(gè)串聯(lián)支路，用以疊加所述子波(30)的電勢(shì)；以及至少一個(gè)并聯(lián)支路，用以在所述子波(30)之間分配電流，以生成所述輸出(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(80)能夠在運(yùn)行中響應(yīng)于所述控制裝置(70，80)提供的控制信號(hào)在非導(dǎo)通狀態(tài)、短路狀態(tài)、負(fù)子波狀態(tài)和正子波狀態(tài)之間切換。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(80)與所述控制裝置(70，80)通過光學(xué)數(shù)據(jù)總線(360)通信連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述光學(xué)數(shù)據(jù)總線能夠以波分復(fù)用的方式選擇性地指引所述控制裝置(70)和所述模塊(80)之間的數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(80)能夠?qū)㈥P(guān)于其運(yùn)行狀態(tài)的診斷信號(hào)傳輸至所述控制裝置(70)，并且從所述控制裝置(70)接收相對(duì)于所述模塊(80)各自的子波的關(guān)于計(jì)時(shí)信息和/或極性信息的控制信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(80)設(shè)置為插拔到所述模塊(80 )在所述定子(60 )和/或轉(zhuǎn)子(50 )上的對(duì)應(yīng)的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述模塊(20)包括固態(tài)開關(guān)裝置(330, 340)，該固態(tài)開關(guān)裝置(330，340)用以在運(yùn)行中在所述線圈(320)中感應(yīng)的感應(yīng)電信號(hào)的至少半個(gè)周期中開關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20)，其中，所述控制裝置(70)包括輸入，該輸入在運(yùn)行過程中合成和/或調(diào)整輸出(10)的振幅和/或相位時(shí)用作參考。
13.—種用于在權(quán)利要求1-12中任意一項(xiàng)所述的變量發(fā)電機(jī)(20)中使用的模塊(80)，其中，所述模塊(80)包括微控制器(350)，用以提供所述模塊(80)的本地控制；線圈(320)，該線圈(320)連接至開關(guān)裝置(330，340)，用以生成所述微控制器(350)控制下的子波(30 );以及光學(xué)通信接口( 260 )，用以接收控制數(shù)據(jù)以控制所述模塊(80 )和/或從所述模塊(80)傳輸診斷信息。
14.一種使用變量發(fā)電機(jī)(20)的方法，該變量發(fā)電機(jī)(20)用于將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，其中，所述發(fā)電機(jī)(20 )至少包括定子組件(60 )和具有線圈(320 )及磁體(90 )的轉(zhuǎn)子組件(50);其特征在于，該方法包括 (a)在模塊(80)結(jié)構(gòu)中生成子波(30 )，所述模塊(80 )結(jié)構(gòu)包括所述線圈(320 )，用以響應(yīng)與所述磁體(90)的磁性相互作用的所述線圈(320)而生成子波(30)； (b )使用控制裝置(70 )組合所述子波(30 )，用以生成復(fù)合合成的所述發(fā)電機(jī)(20 )的電能輸出。
15.一種可再生的能源系統(tǒng)(500)，該能源系統(tǒng)(500)用于將機(jī)械設(shè)備(510)的線性和/或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能，其中，所述設(shè)備(500)能夠產(chǎn)生如權(quán)利要求I中所述的變量發(fā)電機(jī)(20 )的轉(zhuǎn)子(50 )和定子(60 )之間的相對(duì)移動(dòng)，用以生成系統(tǒng)(500 )的電能輸出(10 )。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的可再生的能源系統(tǒng)(500)，其中，所述機(jī)械設(shè)備包括潮汐水輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、振蕩風(fēng)力葉片、海洋漂浮、水力發(fā)電渦輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)中的至少一者。
17.—種維護(hù)如權(quán)利要求I中所述的變量發(fā)電機(jī)(20)的方法，該方法包括以下步驟 Ca)確定所述發(fā)電機(jī)(20)的模塊(80)的運(yùn)行狀態(tài)； (b)拔下并且更換步驟(a)中識(shí)別出的一個(gè)或者多個(gè)損壞的模塊(80)。
18.—種向電力配電網(wǎng)提供響應(yīng)負(fù)載穩(wěn)定化的方法，該方法使用如權(quán)利要求I所述的變量發(fā)電機(jī)(20 )，該發(fā)電機(jī)(20 )連接至所述電網(wǎng)，其特征在于，該方法包括 Ca)感測(cè)指示所述電網(wǎng)所經(jīng)受的電氣負(fù)載的程度的一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)； (b)在所述發(fā)電機(jī)(20)中選擇性地調(diào)整子波(30)，以吸收或者注入電能至所述電網(wǎng)，以協(xié)助穩(wěn)定所述電網(wǎng)，調(diào)整由所述電氣負(fù)載的程度造成的所述電網(wǎng)的電壓和/或頻率的偏差。
全文摘要
一種變量發(fā)電機(jī)(20)，能夠?qū)C(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機(jī)(20)至少包括定子組件(60)和具有線圈(320)及磁體(90)的轉(zhuǎn)子組件(50)。發(fā)電機(jī)(20)包括包括線圈(320)的模塊(80)結(jié)構(gòu)，用以響應(yīng)與磁體(90)的磁性相互作用的線圈(320)而生成子波(30)；以及控制裝置(70)，用以組合子波(30)以生成復(fù)合合成的發(fā)電機(jī)(20)的電能輸出。一種維護(hù)變量發(fā)電機(jī)(20)的方法，包括以下步驟(a)確定發(fā)電機(jī)(20)的模塊(80)的運(yùn)行狀態(tài)；(b)拔下并更換步驟(a)中識(shí)別出的一個(gè)或者多個(gè)損壞的模塊(80)。發(fā)電機(jī)(20)適于使用在可再生能源系統(tǒng)中，例如潮汐水輪機(jī)、風(fēng)力渦輪機(jī)、振蕩風(fēng)力葉片、海洋漂浮、水力發(fā)電渦輪機(jī)、蒸汽渦輪機(jī)。
文檔編號(hào)H02P9/02GK102971959SQ201180024292
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者K·托勒森 申請(qǐng)人:適應(yīng)生成器有限公司