CN101002018A - 通过系数和扫掠带尺寸的变化控制风力涡轮机功率的系统 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种通过对功率系数和扫掠带尺寸的主动和动态修正来控制风力涡轮机输出功率的系统。在低风速时，涡轮机采用最大扫掠带面积和高功率系数进行运转。在高风速时，通过叶段(S)的动力定位(D)并辅以变桨距控制来实现扫掠带面积(A)和功率系数的减小。这套系统的目的是为了增加风力涡轮机的年发电量。

Description

通过系数和扫掠带尺寸的变化控制风力涡轮机功率的系统

技术领域

虽然这种系统可以应用于需要对涡轮机功率控制的任何领域，但其主要应用领域是用于风力涡轮机的发电。这类涡轮机的尺寸和速度在技术上使得实现这种系统更加容易，并且增加的复杂性可以通过从风中获取更多的能量而得到补偿。

背景技术

在过去的几十年中，曾经有过几种控制系统来处理风速的高可变性问题。我们可以将其分为两类：主动系统和被动系统。在被动系统中广泛采用失速节制。在被动失速节制的风力涡轮机上，动叶片以一个固定角度用螺栓固定在毂上。动叶片轮廓的几何形状应符合空气动力学设计以保证在风速太高时动叶片背风的一侧产生气体的紊乱。这种失速会减少转子上动叶片的升力。失速节制的根本优势在于可以避免转子自身部件的移动以及一套复杂的控制系统的支持。但从另一方面来讲，失速节制描绘了一个非常复杂的空气动力学设计问题，而且其相关设计对整个风力涡轮机的结构动力学提出了挑战。所以使用主动而非从动失速功率控制机械的较大型的风力涡轮机的数量持续增长。

但是如今对于大型涡轮机上最为广泛使用的主动系统是变桨距控制(pitch control)。输出功率可以通过动叶片角度加以调控。动叶片围绕其纵轴旋转(变桨距)，减少或增加其表面的风力。

发明内容

此项发明技术为一种主动控制系统。但是这套系统并非通过旋角或襟翼控制空气动力，而是通过另一项基础参数扫掠面积来控制这些作用力的结合。风力涡轮机的输出功率可以通过一种非常紧凑的方式，用以下公式表达：

P＝Cp×A×V³

其中Cp是总功率系数，它与空气动力效率有关，A为转子的扫掠面积，V是风速。现代主动系统的目的是通过改变功率系数Cp来控制输出功率，本系统的目的就是主动控制Cp和A。

在图1中，动叶片由四个叶段组成：S1，S2，S3和S4。每一段都有扫掠带区域：A1，A2，A3，A4。每一段都有其自身独特的外形轮廓，所以它们有不同的功率系数：Cp₁，Cp₂，Cp₃，Cp₄。风力涡轮机的输出功率可以表达为：

P＝(Cp₁×A1+Cp₂×A2+Cp₃×A3+Cp₄×A4)×V³

如果一个段的位置改变，那么其扫掠带区域也随之改变，这取决于到旋转中心的距离。而且其他区域的尺寸也会发生改变。例如，如果S3段靠近中心，则区域A2减少，减少的部分被带区域A3侵占，如果S3和S4的相对位置保持不变，那么区域A4会减少。这样扫掠带总面积下降，导致风力涡轮机的输出功率随之降低。

这是一种控制输出功率的有效方式，但是本系统还有其他功效。我们假设在上述例子中其他段(例如S4)向(S3)靠近中心的相反方向移动与(S3)向中心靠近的相等距离，则两个移动相互进行补偿，使得扫掠带总面积保持不变，而且风力涡轮机所有的转子直径保持不变但涡轮机的输出功率发生了改变。这是因为扫掠带区域分布的不同所致。如果总扫掠面积不变且输出功率改变，则意味着总功率系数Cp发生变化。甚至当一个段移入其他相邻扫掠带区域，表现为一个具有新功率系数的合并带。

此系数一个更为直接的变化可以通过对任何特定叶段或一组叶段进行变桨距控制(pitch control)得以实现。需要考虑的是第一段(S1)的桨距对接下来各段(S2，S3，S4)的桨距产生影响。第二段(S2)的桨距对其接下来各段(S3，S4)产生影响，以此类推。另一项需要考虑的是由于外部几何形状的原因，某一段的桨距角在一些位置的范围非常有限。最终，扫掠带面积负值加总输出功率，系数甚至可以成为负值。

扫掠带尺寸变化可以通过动态叶段得以实现。动态叶段由两种叶段组成：覆盖段和可撤销段。图1中的叶片有三对动态叶段：D1，D2，和D3。第一对动态叶段中S2为覆盖段，S1为可撤销段；第二对动态叶段中S3为覆盖段，S2为可撤销段；第三对动态叶段中S4为覆盖段，S3为可撤销段。覆盖段是指当观测者在上风向的位置观测时，位于另一个叶段之前的叶段，与它们的相对尺寸没有关系。实际上，在第三对动态叶段(D3)中S4为最后一段覆盖段，而且它比其可撤销段S3要小，如图1所示。在动态叶段中哪一段为覆盖段，哪一段为可撤销段取决于涡轮机的空气动力学设计，而且可以自由选择，另外，其相对尺寸和它们之间的相对距离在各方面也都可以自由选择。在图2中表明了在所选例子中，相对于气流方向(F1)得出带有动态叶段分布的叶段的空间位置。

动态叶段总扫掠带面积的减少可以通过将一叶段滑到这对段片的另一段上来实现：这样就增加了合并带。另一方面，总扫掠带面积的增加可以通过减少合并带来完成。一个重要的考虑是动态叶段通常为叶片的组成部分，通过翼形轮廓来优化净空气动力，但是有时候它们相当于支撑结构，其轮廓或外部的盖板设计是为了对气流产生低的干扰。

动态叶段之间的相对运动可以通过电机或执行器完成。虽然有一些实施例不符合这一规则，但通常每一对动态叶段都有一个双向(两路)执行器。电机和执行器独立控制其他动态叶段。所以它们可以在任何时间段都处于不同的相对位置。另一方面，一个与段片相对位置有关的系统的重要特征就是：内部叶片协同控制。对于有两个或多个叶片的风力涡轮机，一个叶片的动态叶段的扫掠带区域与其他叶片的扫掠带区域合并。如果任何叶段的相对位置都采用独立控制，则可能通过合并不同叶片的叶段的位置优化整个系统的输出功率。这种控制功能强大，甚至可以通过动态改变转子的重心或空气动力分布来对振动进行补偿。

同现代功率控制系统相比，通过扫掠带系数和尺寸变化进行控制有以下几个优点：

--在较低风速下，风力涡轮机可以采用最大扫掠带面积和功率系数来进行操作；

--在较高风速下，风力涡轮机可以保持全负荷生产，这时叶段所处位置能够耐受高空气动力作用；

--空气动力学设计可以改良叶片的叶段，使其能够在特定风速下与其它段片协同操作；

--内部叶片的协同控制可以在任何风速下进一步优化涡轮机的输出功率。

从而，对于放置在特定场所，产生确定功率的风力涡轮机，这些优点的集合可以使其预估的年发电量高于以前的系统。

另一项补充的优点与物流和安全有关。因为动叶片在运输时可以缩回到其最小尺寸，这样就可以占用更少的空间。缩减的尺寸也有一个重要的优点：带有扫掠带系数和尺寸控制的风力涡轮机比任何其他种类的涡轮机能够耐受更强的风力。

附图说明

图1表明涡轮叶片有四个叶段和三对动态叶段，其扫掠带面积可达到100％.

图2表明从垂直于气流的视角观察到的同一涡轮叶片，并且其扫掠带面积可以达到额定值的50％，40％，30％和60％。

图3为一种主叶片上带有一对动态叶段并有两个附加的标准叶片的涡轮机。

具体实施方式

这套系统可以应用于带有一个，两个或多个叶片的风力涡轮机。图3为单叶片和三叶片的风力涡轮机的杂交机型。其主叶片有两个叶段S1和S2，其扫掠带区域分别为A1和A2。它们形成一对动态叶段，覆盖段S2可以滑动到S1段上。S1为一种带低空气阻力轮廓的支撑结构。由电机驱动产生由S2段的耦合结构到S1段的运动，或者在其它位置通过电缆进行电力传输。S1段作为支撑结构和移动导向装置。电动机旋转转换为导向装置上的线性运动。这样S2段可以在导向装置上移动。另一种选择是使用电动线性执行器或液压气缸。在这些情况下，执行器沿着S1段移动。执行器的移动头附着在S2段的耦合结构上。执行器上带有电驱动器，或流体阀门，可以从风力涡轮机的输出功率控制系统接收指令。控制系统则根据风速、产生的电能和位置以及几个其他信号，如叶段和叶片的角度，发送指令。

在低风速时，功率的产生由扫掠带A2控制。在高风速时，S1和S2叶段加上其他叶片B2和B3一起形成扫掠合并带。这些只带有俯仰控制的叶片比较小，特别设计用于高风速运行。在稳定性补偿上，它们也起重要的作用。

最后，图3中表现了一种质量补偿和补充支撑结构M1。

本文中使用的术语并不限制它们更为广泛的解释。元件的材质、形式和配置可以在不改变发明实质的条件下加以变化。

Claims (2)

1.一种通过系数和扫掠带尺寸的变化控制风力涡轮机功率的系统，其特征在于：该系统包括至少一个由若干叶段(S)组合形成的涡轮机叶片，并且这些叶段上至少具有一对动态叶段(D)，叶段(S)在所有维度上的相对尺寸没有限制，按照风力涡轮机控制系统的指令，动态叶段的其中一段可以滑到另一段上。

2.根据权利要求1所述的通过系数和扫掠带尺寸的变化控制风力涡轮机功率的系统，其特征在于：若干个叶段和若干个叶片具有变桨距控制机械装置。

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