CN101255850A - 一种风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种风力发电系统，其是把风的运动能转化为电能的相关能源转化技术的风力发电系统。本发明是通过阻止叶轮内部风的流动，使从入口的导向叶片流入的高速动压，通过在导向叶片后流部分的叶轮之间转化为定压，在叶片受压面高速流动而产生相对逆行压力，为了把逆行压力应用到扭矩的发生上，所以入口导向叶片弦长尽可能要短，并且通道适当的弯曲，还有出口角在设定的翼端速比中从上流到下流形成叶轮的进气迎角得到最适当的分布。本发明提供的风力发电系统，其功率系数相对水平轴风力发电机要高，安装不会对周围环境产生噪音，土地补偿问题也较低，而且在具有大容量的情况下也可通过陆路运输。

Description

一种风力发电系统
技术领域
本发明主要涉及发电系统领域，特别是涉及一种喷气型垂直轴风力涡轮及其采用的相关动力发电系统。
背景技术
面对气候变化公约，京都议定书的批准，以及人们对环境关注的不断增加，人们摆脱对化石燃料和原子能的依赖并使用环境友好型的可再生能源(例如风能)的要求日益增长。作为一种自然发生的现象，风能是一种不产生任何有害副产品的清洁能源，而化石燃料则常与严重的环境影响(比如温室效应)联系在一起，因此风能被视为化石燃料的可行替代能源之一。
风力发电机运用技术将风的运动转化为电能。目前全世界风力发电机组装机总量为40,300MW(以2004年为准)，相当于40个核反应堆的装机容量，其生产的电力总量可供应2,300万个家庭使用。20世纪80年代初，在美国加利福尼亚州“Wind Rush”开始时，风力发电机组的规模都相对较小，一般装机容量为55KW，叶轮直径为15m：而现在市场上的主要机组不仅不仅在尺寸上增加很多(叶轮直径50-100m)，同时装机容量也大幅提升(装机容量为750-2000KW)。
风力发电机根据旋转轴形式可以大体分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。垂直轴风力发电机包括广为人知的具有H形垂直直线叶片的Darrieus发电机，Savonius叶轮式发电机等。这些垂直轴风力发电机的优势在于它们不需要水平轴风力发电机所必不可少的偏航装置。然而相较水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机在能量转化上一般效率较低，同时结构件震动问题还未得到解决。
大中型风力发电机组通常采用价格低廉且坚固的感应发电机，该发电机与电力系统直接连接，根据电力系统的固定频率来设计电机的恒定转速，从而不用考虑不断变化的风速的影响。因为发电机与叶轮以不同速度旋转，所以叶轮转速可以根据中间增速齿轮的增速比来决定。然而，为了克服因实际风速在设计风速之外而产生的低能量转化效率问题，需要保持一定的翼端速比；同时在持续多变的风速条件下，控制叶轮转速的方法的使用也在近来的工业得到重视。
风力发电机的空气动力学功率系数Cp是指由涡轮转子产生的轴的功率与转子所接收到的功率之比，可以用以下公式加以计算
公式1 C p = T × ω 1 2 ρ × U 3 × A
公式1中T为扭矩(N·m)，ω(rad/s)是角速度，ρ(kg/m3)为空气密度，U(m/s)表示风速，A(m2)则表示叶轮旋转通过的面积或涡轮的投影面积。
同样，速度系数λ(又叫翼端速比)是翼端旋转速度(Vtip)和流入风速之比，当确定涡轮类型后，一般而言其最大功率系数就可以通过以下公式2来求得。
公式2 λ = V tip U = r × ω U
风力发电机的性能由公式1中的功率系数Cp决定。Cp是涡轮输出功率与进入气体功率之比，用另一种说法，它可以看作能量的转化效率。根据Betz提出的两相气流理论，水平轴风力发电机能达到的最大Cp值为0.598，而Darrieus垂直轴风力发电机所能产生的最大功率系数则为0.35。然而，这仅仅是理论值，实际上得到的功率系数要小于理论最大值。当Savonius发电机(其可视为涡流型风力发电机的代表类型)进行测试时，其设置为如Blackwell例子一样有两个转子叶片。当翼端速比λ为0.8时，得到的功率系数Cp最大值为0.2。同样，在特此纳入参考的WO 2005/108783中，提出了Darrieus涡流型风力发电机，其翼为螺旋型，翼端因此作为叶片。此外，Okamoto也提出了一种结合Savonius与Darrieus特点的混合型风力发电机。
尽管高速旋转的水平轴涡轮的性能可根据叶片周围的升力使用升力理论来预测，但低速情况下的Savonius型风力发电机的性能预测却并不是一件很容易的事，因为Savonius型风力发电机的运行依靠阻力，它的运行处于不稳定状态。这种Savonius型垂直轴风力发电机易于制造，并且具有低风速条件即能产生扭矩的优点。此外，水平轴风力发电机在超过其发电容量时就要停止运行，而垂直轴风力发电机却可以在风速很高情况下调整转速，因为垂直轴风力发电机产生的是扭矩而不是升力。
另外，垂直轴风力发电机一般旋转较慢，因而他们需要速度转化。垂直轴风力发电机只有水平轴风力发电机效率的一半。
如图1所示，在Savonius阻力型垂直轴风力发电机中，叶片受风位置按1，2，3的顺序改变，根据相对速度(w)和来风方向的不同产生不同的扭矩。对于水平轴风力发电机，不论其旋转位置如何，都产生正扭矩，而垂直轴风力发电机则有产生负扭矩的问题，从而使其总体功率系数下降。此外，在叶轮通道封闭情况下，因为进入的气体给翼部的风能转化为压力了，因此产生的扭矩数量与速度的方根成比例。据此，Savonius阻力型垂直轴风力发电机产生了不能控制刮向翼部的风速的问题。
为了解决以上问题，在特此纳入参考的WO2004/018872及大韩民国专利申请第2005-0034732号中提出了在叶轮圆周及沿半径延伸方向上具有固定导叶的垂直轴风力发电机。同时为了对流入叶轮的风速进行加速，还提出了许多其他的设计，这些设计通过在叶轮进气部分及涡轮上安装不同形状的进气导叶来达到加速的目的。
然而，在传统的阻力型涡轮中，叶片旋转速比的效率波动很大，因此不仅有必要创建一个入口处的导叶，增加进入的风速，同时也有必要通过测得的叶轮上的风速来控制叶轮的转速。
同样，在传统的阻力型涡轮情况下，当具有进气导翼面的直形叶轮安装在上游部分时，如图2所示通过叶轮旋转的方式，主流线覆盖右半部。如图3显示的详细数值分析结果能看到：在流入风速(5m/s)下，入口叶轮(20)的出口风速不管大入口导叶的进、出口面积比率(约3.83左右)气流都不能进入口，并流入阻力小的地方，可能不能产生相当于面积比的流速增加的现象。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种风力发电系统，该系统包括一个喷气轮式的垂直轴涡轮，该涡轮通过阻止叶轮内部的气流流动，从而使流入入口导叶的高速喷气动压，在入口导叶后部的叶片之间转化成正压从而产生大扭矩，并使在入口导叶后部产生负扭矩的叶片附近领域发生大的涡流，并把负扭矩降到最低。
为了达到以上目的，本发明提供一种风力发电系统，包括有若干个涡轮垂直设于同一固定轴上，以及一通过涡轮发电的发电机，该风力发电系统还包括：
不仅是通过全都封闭的上板和下板，还要通过若干圆弧形叶片的没有内部流通的叶轮；
固定在一叶轮轴外的轴承连接的框架结构上，并通过加大流入上述若干叶片的风速，在多数叶片之间转化成正压，并发生扭矩的圆弧形状的入口导叶；
被上述框架结构固定，并根据流入的风向调整位置的尾翼；
设置在上述叶轮轴和发电机之间的、与电力系统的固定频率相符、与随时变化的风速无关、使叶轮得到高能源转化效率、通过驱动上述叶轮并维持一定的翼端转速的齿轮装置；
通过上述入口导叶内设置的测风压装置或速度感应器输入差压，在风速增大需控制喷气速度时，反馈控制喷气的速度信号，以步进电机控制上述入口导叶的旋转轴，并在风向和以上入口导叶入口之间形成进气角，使维持一定的翼端转速的控制装置。
此外，所述风力发电系统还包含一个安装于框架侧面的侧后导叶，用来收集那些因叶轮旋转而产生的旋转方向上的气流，从而提高风力发电系统的效率。
把所述入口导叶投影到后流方向时，为了不遮盖半径以上的叶轮而设定的弦的最大值和叶轮的栅距，与入口导叶的整个跨度一致时，在最短的入口导叶的弦上也发生加速效果，通过缩短入口流路，取得损失最小的弦长。
并且，入口导叶的出口角分布于，在叶片入口相对速度矢量和叶片形成的迎角-10°～+10°之间。
所述入口导叶之间的栅距(p)是为了以上叶片的进气喷气发生同一位状的扭矩，使入口导叶总跨度栅距是叶片栅距的整数倍，而入口导叶个数与叶片个数不为整数倍，另外，所述叶片只在上述叶轮半径的末端上以多数圆弧状设置。
根据以上发明的风力发电系统，在各个模块中心位置预测边界层内风速后，为满足各模块的发电动力，通过计算各阶段叶轮直径的方式，取得风电系统的最小的土地使用面积，同时达成垂直轴涡轮的高效率。
所述控制装置是根据已输入的入口导叶出口喷气最大速度(Vc)及运行翼端速比(λmin，λmax)值，使入口导叶出口喷气速度不超过运行值，为了防止发电机负荷过大，对入口导叶旋转轴，以步进电机或液压电机反馈控制，并调整风向和入口导叶入口之间的进气角。根据以上叶轮的霍尔感应器计算出的翼端速比值，不同的调整发电机连接齿轮，使与风速无关尽量在翼端速比范围内工作，并确保一定的效率。
所述叶轮、入口导叶以及框架结构等均由水平轴支撑，所述尾翼面部垂直设置。
另外，本发明之另一目的在于再提供一种风力发电系统，包括有若干个涡轮垂直设于同一固定轴上，以及一通过涡轮发电的发电机，该风力发电系统还包括：
通过单面开放或全都开放的上板和下板及多数圆弧形叶片的具有流动性的叶轮；
固定在一叶轮轴外的轴承连接的框架结构上，并通过加大流入以上多数叶片的风速，使压力面和负压面之间形成正压差，并发生扭矩的圆弧形状的入口导叶；
固定在以上框架结构上，根据风向调整入口导叶位置的尾翼及旋转控制装置；
设置在以上叶轮轴和以上发电机之间连接二者的，为了保持电力系统的固定频率，与随时变化的风速无关，通过运用发电机扭矩控制方法驱动以上叶轮维持一定翼端转速，使叶轮得到高能量转化效率的齿轮装置；
通过以上入口导叶内设置的测风压装置或速度感应器输入差压，在风速增加需控制喷气速度时，反馈控制喷气的速度信号，通过步进电机或液压电机控制以上入口导叶的旋转轴，使在风向和以上入口导叶入口之间形成进气角，并维持一定翼端转速的控制装置。
此外，所述风力发电系统还包含一个安装于框架侧面的侧后导叶，用来收集那些因叶轮旋转而产生的旋转方向上的气流，从而提高风力发电系统的效率。
所述叶轮开放时，开放所述上板和下板的其中一边或整个板面积的20％以上。
所述入口导叶各叶片的形状为翼型。
所述齿轮装置在1MW级的大型设备中，以螺旋齿轮或伞齿轮形成的2档以上的多档齿轮装置形成。
并且，入口导叶的出口角分布于，在叶片入口相对速度矢量和叶片形成的迎角-10°～+10°之间。
所述入口导叶之间的栅距(p)是为了以上叶片的进气喷气发生同一位状的扭矩，使入口导叶总跨度栅距是叶片栅距的整数倍，而入口导叶个数与叶片个数不为整数倍，另外，所述叶片只在上述叶轮半径的末端上以多数圆弧状设置。
所述叶轮叶片及各模块的上下板，以框架结构或构架结构构成，其框架结构或构架的表面以隔膜覆盖。
所述叶轮和入口导叶及框架结构等被水平轴支撑，所述尾翼面部垂直设置。
本发明的优点就是通过适当途径得到占用土地面积最小，同时具有高效率的垂直轴涡轮。这些途径包括：对于一个或多个叶轮叶片的叶片间距，在一定运行翼端速比时，减小进气导叶内部的阻力，在合适的角度对转子叶片施以高速气流，优化进气导叶的弦长与曲率，优化进气导叶的出口角；基于满足每个模型的发电量要求以及每个模型边界层以内的中点风速的前提下经过计算得到的不同级别的涡轮直径。并且，通过入口导叶的设置尽量增加进气风速，而且为了克服随翼端转速效率变动较大的，抗力式涡轮的缺点，根据在各阶段的风速范围，不同的调整发电机连接齿轮比或发电机档数或发电机扭矩，为了按照在各阶段测定的叶轮流入风速(Vjut)，并适当的控制转速，在入口导叶出口喷气速度不超过其输入的最大的运行值(Vc)的范围内，用步进电机或液压电机反馈控制入口导叶旋转轴，并以调节风向和入口导叶的入口之间进气角的方式，在翼端速比范围内运行，以达到高效率发电。
附图说明
图1是已知技术中根据叶轮位置得到的Savonius阻力型垂直轴风力发电机的扭矩输出示意图。
图2是已知技术中具有直线形进气导叶的喷气轮型涡轮附近的流线分布图。
图3是已知技术中通过直线形进气导叶的气流的速度分布图(c＝5m/s)。
图4a是本发明提供的一种风力发电系统具体化得到的喷气轮型垂直轴风力发电机透视示意图。
图4b是图4a中的齿轮装配透视示意图。
图5是图4a中所示的进气导叶与转子叶片几何变量的二维图表。
图6是在图4a上所示的入口导叶的出口速度矢量和叶轮叶片末端的旋转速度矢量及叶轮入口的相对速度矢量之间形成的三角形速度矢量图。
图7a至图7f是本发明提供的一种风力发电系统中垂直轴风力涡轮入口导叶的各种实施举例图。
图8a至图8f是本发明提供的一种风力发电系统根据上下表面封闭的叶轮的叶片入口角的变化而显示的多种实施图。
图8g是本发明提供的一种风力发电系统中转子上下表面开放部分直径为Do的叶轮设计实例图。
图9是安装有入口导叶的现有发明，在涡轮上下板都封闭，一个封闭一个打开以及两个都打开的情况下得到的相应的性能特征比较图。
图10是本发明提供的一种风力发电系统得到的喷气型垂直轴发电机侧后导叶的设计变量图表。
图11是根据入口导叶(I.G.V)和侧后导叶(S.G.V)是否安装来比较性能特性的图。
图12是本发明提供的一种风力发电系统得到的使用垂直轴风力发电机的风力发电系统的转子各档位的设计变量图表。
图13是大型喷气型垂直轴风力发电机的模块化结构物被桁架结构支撑的举例说明图，
图14是大型喷气型垂直轴风力发电机的模块化结构物被轨道结构支撑的举例说明图，
图15a至图15b显示了喷气型垂直轴风力发电机的的转子叶片以及上下板的形成剖面图。
图16a及图16b是根据本发明提供的一种风力发电系统实施的喷气型垂直轴风力发电机的控制算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行更详细的描述。
以下是，根据参考附件上的图纸说明的喷气轮方式的垂直轴涡轮及采用此垂直轴涡轮的风力发电系统。图4a所示，喷气轮方式的垂直轴风力涡轮工作实例示意图，图4b是图4a上所示的齿轮装置示意图。
首先，采用喷气轮方式垂直轴涡轮的风力发电系统包括：上/下同轴上设置的一对涡轮(1)，速度感应器(23)，齿轮装置(44)，发电机(45)，多数涡轮支撑架(60)及控制装置(70)。
一对涡轮(1)被多数涡轮支架(60)固定的固定轴(40)，以锁定的间隙设置在上/下同轴上，并且相互同样的结构形成。在以下说明中，只是一对涡轮(1)中的其中一个进行说明。涡轮(1)包括叶轮(10)，入口导叶(20，21)导叶旋转轴(22)，侧后导叶(30)及尾翼(50)。
叶轮(10)与传统的Savonius涡轮的叶轮不同，不仅是叶轮的上板及下板，还有通过圆弧形叶片(11)的内部气流被隔开的结构。
入口导叶(20，21)是，被与叶轮轴(10a)以外的另一个轴承(41)连接的框架结构(12)固定，并通过加大流入叶片的风速，使在叶片(11)之间转化成正压来产生扭矩的作用。
侧后导叶(30)和尾翼(50)，各自固定在框架结构(12)的一侧，特别是尾翼(50)对流入的风向调整位置。
齿轮装置(44)位于叶轮轴(10a)和发电机(45)之间，为了保持电力系统的固定频率，并与随时变化的风速无关，使叶轮得到高能源转化效率，将通过控制发电机扭矩从而尽量维持一定的翼端转速来实现。此时，如果齿轮装置(44)在1MW级的大型设备中，为了1∶100以上增速比，以螺旋状齿轮或伞齿轮形成的2档以上的多档齿轮装置构成。
控制装置(70)是，通过入口导叶(21，21)内部设置的测风压装置或速度感应器(23)输入差压，如果风速增加需控制喷气速度时，反馈控制喷气速度信号，使风向和入口导叶入口之间形成流入角，用步进电机控制入口导叶(20)的旋转轴(22)，并更好地维持一定的翼端转速。
图4a及图4b所示的符号41是入口导叶的主轴推力轴承，42是叶轮轴推力轴承，43是驱动轴齿轮，46是发电机支架。
图5是图4a上所示的入口导叶和叶轮叶片的2次元面上的，显示几何学变数的图。图6是图4a上所示的入口导叶的出口速度矢量和叶轮叶片术端的旋转速度矢量及，叶轮叶片入口的相对速度矢量的三角形速度矢量图。
对涡轮(1)的性能提高有影响的入口导叶(20，21)的形象因子有，如图6所示：入口导叶弦长(C)，入口导叶栅距(p)和弦(C)的比(切弦比)，入口导叶曲率，入口导叶的出口角(α)。
并且，本发明为了把入口导叶(20)流道内的损失降到最低，形成入口流道较短并弯曲的形状，并根据设定的翼端速比经过一个或多个叶轮叶片栅距，使入口导叶(20)的出口形成最佳角度。
参考图5所示的是，从2次元平面上看到的入口导叶(20)和叶轮叶片(11)的几何学变数的图示，这时的入口导叶(20)的出口角(α)和叶轮叶片(11)入口角(β1b)是入口导叶(20)的出口切线和叶片(11)入口切线，与叶片(11)末端旋转方向各自形成的角。
图6为，入口导叶(20)出口速度矢量(C1)和叶片(11)末端旋转速度矢量(U1)，还有叶片(11)入口相对速度矢量(W2)形成的三角形速度矢量，这时，入口迎角(i)为β1b-β1定义。并且Zs，Zr所示的是入口导叶(20，21)的数量和叶片(11)数量，如果把θ0定义为叶片(11)之间角，那么入口导叶(20)的弦长(C)的分布是按以下公式3得出最大和最小值。
〔公式3〕
D 2 sin ( θ 0 Z s - 1 ) / sin ( 50 ) ≤ C 1 , C 2 . . . , C n ≤ 1 - sin ( m θ 0 ) 2 sin ( 40 )
在这里D是叶轮(10)直径，n个入口导叶(20)的弦长C1~Cn的值，m是入口导叶(20)整体栅距则，(Zs-1)p除叶片栅距的整数值。并且叶片入口相对速度矢量(W1)和叶片形成的迎角(β1b-β1)最小在-10°～+10°之间，这时从特定的β2b及迎角函数并根据公式4求得入口导叶出口角(α)。
〔公式4〕
tanβ1(C1cosα-U1)-C1 sinα＝0
还有，在以下公式5中，入口导叶(20)列之间的距离也叫栅距(p)，由入口导叶全部栅距形成总栅距，则(Zs-1)p成为叶片栅距的整倍数，使叶片之间的流入喷气尽量产生相同位状扭矩。同时，可以通过调整入口导叶(20，21)个数(Zs)和转子叶片(11)个数(Zr)的不同整数倍，从而达到缩短反复发生的相互作用噪音。
〔公式5〕
m π ( D + 2 ϵ Z r - 1 = ( Z s - 1 ) p
在这里，ε是指叶片(11)和入口导叶(20)之间的设计公差。
参考图7a乃至图7e是，利用公式3至5设计出来的入口导叶(20)的多种实例。在以上实例当中，入口流路最短的设计，使流路损失最小并有利于涡轮效率。在图7f中，如果把入口导叶各叶片的形状做成翼型，可以把出口角(α)设计成各入口导叶通道的转子流入角相同。
另外本发明，使从入口导叶(20，21)流入的高速动压在入口导叶(20，21)上的多数叶片(11)之间转化成正压或叶片压力面和负压面之间的正压差，并产生扭矩。所以叶轮的性能取决于叶轮的旋转数(Ω)，叶轮直径(D)，叶轮毂的直径(Dh)，上下板开口直径(Do)，叶片个数(Zr)及叶片入口角(β1b)等。在前面提到的Savonius系列的垂直轴涡轮，其旋转而扭矩的变动较大，所以叶片数量(Zr)需要满足公式5较为妥当。叶片入口角(β1b)是根据额定的翼端速比(λr)决定，大概在10°～70°之间。
参考图8a乃至图8f，根据上下面封闭的叶轮叶片(11)入口角变化，并显示的叶轮的设计实例。图8g所示的是，直径D0的具有上下开放的叶轮的设计实例。
图9所示，对设有入口导叶的涡轮，在上下板都封闭时、单面开放时、上下都开放时测量的性能特征。从而可以了解到，在性能方面上板和下板都敞开的时候有利于高效率的大型涡轮。
图10所示，为了在大范围得到运行翼端速比而设置的侧后导叶的设计变数。Φ1和Φ2各表示侧后导叶的入口及出口设置角，α3和α4为转子叶片旋转方向和侧后导叶的入口及出口切线方向形成的角，P表示侧后导叶支点中心轴位置。以上侧后导叶是在图2所示的一样，通过转子的旋转，使密集在上部的流线从新集中到侧后面，并在侧后面也发生能源传达，从而起到在大范围得到运行翼端速比的作用。
图11是，根据有无设置入口导叶(I.G.V)和侧后导叶(S.G.V)来比较性能的图。都设有入口导叶和侧后导叶时，最大动力系数(Cp)值可达到0.44。因此可以判定设置入口导叶和侧面导叶，最有利于高效率大型涡轮。
并且，为了减少中大型风力发电机的土地实用面积，图4a中适用了2个以上的垂直轴喷气轮涡轮模块，这时要考虑大气边界层(Atmospheric boundarylayer)的高度来设计各阶段叶轮直径。则，适用以下公式6，预测在涡轮模块中心位置上的边界层内的风速后，再求各个模块满足发电动力的在各阶段的叶轮直径。
〔公式6〕
C ∞ = C g ( Z Z g ) 1 α
在这里，表示速度分布的系数α，如果在开阔地段时它的值约1/0.16，Zg表示边界层的厚度。
图12所示，对3个模块构成的垂直型风力发电系统的各阶段叶轮大小的设计变速。在这里，各模块的动力是 P = C p × C m × 1 2 ρ aD 2 C 3 ∞ , 所以在以上公式6中预测到了模块中间高度，并为了得到设计动力，利用风速(C∞)和在公式2中假定的翼端速比的预测效率Cp，反复计算计算模块的直径D。在这里，a是叶轮(10)高度和直径的比，Cm是发电机模块效率。并且叶轮(10)高和直径的比a，在各个模块中可使用其它值。
图13所示的是，为了支撑大型模块喷气轮垂直轴风力涡轮的固定轴(40)，而发明的推力结构物(80)的实例。
并且，图14显示了一个大型模块型垂直轴喷气风力涡轮，该涡轮具有一个安装于地表基部上的固定轴，同时该涡轮在地表基部上还有一个轨道结构用以支撑滚动轴承在其上运动，该轨道结构安装在转子叶片以及导叶之下从而可以分散轴的负荷。
还有，为了减轻大型模块喷气——轮垂直轴风力涡轮固定轴(40)的负荷，把叶轮(10)叶片及各模块的上下板构成与图15a所示的框架结构或图15b所示的桁架结构，并且框架结构或桁架表面，以隔膜(Membrane)覆盖。
图16及图16b是，采用喷气轮方式的垂直轴风力涡轮的，风力发电系统的控制运算法则顺序图。
还有本发明，通过设置入口导叶(20)尽量的增加入口风速，并且为了克服因翼端转速，而效率变动较大的抗力式涡轮的缺点，在根据测定的叶轮流入风速，与图16a及图16b上所示的控制运算法则，适当的控制叶轮旋转数来进行运作。则，按其输入的入口导叶出口喷气的最大速度(Vc)及运转翼端速比(λmin，λmax)，使入口导叶出口喷气速度不超出最大运转值，把入口导叶(20，21)的转轴(22)用步进电机或液压电机反馈控制，并通过以调节风向和入口导叶(20)入口之间的流入角方式，防止发电机负荷的过大。测定转速的感应器，比如：根据霍尔感应器(24)计算出的翼端速比的值，不同的调整发电机连接齿轮或发电力扭矩，使尽量在翼端速比运行范围内工作。
本发明用以良好的实例来说明了图示的内容特征，但是本发明不限于以上叙述的实例，在不超出本发明精神的范围内，会在属于该发明的技术领域中被有通常知识的人，更多样的变更和修正。

Claims (18)

1. 一种风力发电系统，包括有若干个涡轮垂直设于同一固定轴上，以及一通过涡轮发电的发电机，其特征在于，该风力发电系统还包括：
不仅是通过全都封闭的上板和下板，还要通过若干圆弧形叶片的没有内部流通的叶轮；
固定在一叶轮轴外的轴承连接的框架结构上，并通过加大流入上述若干叶片的风速，在多数叶片之间转化成正压，并发生扭矩的圆弧形状的入口导叶；
被上述框架结构固定，并根据流入的风向调整位置的尾翼；
设置在上述叶轮轴和发电机之间的，为了与电力系统的固定频率相符，与随时变化的风速无关，使叶轮得到高能源转化效率，通过驱动上述叶轮并维持一定的翼端转速的齿轮装置；
通过上述入口导叶内设置的测风压装置或速度感应器输入差压，在风速增大需控制喷气速度时，反馈控制喷气的速度信号，以步进电机控制上述入口导叶的旋转轴，并在风向和以上入口导叶入口之间形成进气角，使维持一定的翼端转速的控制装置。
2. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，在叶轮一侧设置有侧后导叶。
3. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述入口导叶的出口角至少分布在-10°～+10°之间，该角由叶片入口与叶片的相对速度矢量构成。
4. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述入口导叶总栅距是叶片栅距的整数倍。
5. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述入口导叶个数与叶片个数不为整数倍。
6. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述叶片只在上述叶轮半径的末端上以多数圆弧状设置。
7. 根据权利要求1所述的风力发电系统，其特征在于，所述叶轮和入口导叶及框架结构被水平轴支撑，所述尾翼面部垂直设置。
8. 一种风力发电系统，包括有若干个涡轮垂直设于同一固定轴上，以及一通过涡轮发电的发电机，其特征在于，该风力发电系统还包括：
通过单面开放或全都开放的上板和下板及多数圆弧形叶片的具有流动性的叶轮；
固定在一叶轮轴外的轴承连接的框架结构上，并通过加大流入以上多数叶片的风速，使压力面和负压面之间形成正压差，并发生扭矩的圆弧形状的入口导叶；
固定在以上框架结构上，根据风向调整入口导叶位置的尾翼及旋转控制装置；
设置在以上叶轮轴和以上发电机之间连接二者的，为了保持电力系统的固定频率，与随时变化的风速无关，通过运用发电机扭矩控制方法驱动以上叶轮维持一定翼端转速，使叶轮得到高能量转化效率的齿轮装置；
通过以上入口导叶内设置的测风压装置或速度感应器输入差压，在风速增加需控制喷气速度时，反馈控制喷气的速度信号，通过步进电机或液压电机控制以上入口导叶的旋转轴，使在风向和以上入口导叶入口之间形成进气角，并维持一定翼端转速的控制装置。
9. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述框架结构的侧面设置侧后导叶。
10. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，开放叶轮上板和下板的其中一边或整个板面积的20％以上。
11. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述入口导叶各叶片的形状为翼型。
12. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述齿轮装置在1MW级的大型设备中，以螺旋齿轮或伞齿轮形成的2档以上的多档齿轮装置形成。
13. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述入口导叶的叶片入口相对速度矢量和该叶片形成的迎角，至少在-10°～+10°之间形成出口角。
14. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述入口导叶总栅距是叶片栅距的整数倍。
15. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述入口导叶个数与叶片个数不为整数倍。
16. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述叶片只在上述叶轮半径的末端上以多数圆弧状设置。
17. 根据权利要求8或9任意一项中所述的风力发电系统，其特征在于，所述叶轮叶片及各模块的上下板，以框架结构或构架结构构成，其框架结构或构架的表面以隔膜覆盖。
18. 根据权利要求8所述的风力发电系统，其特征在于，所述叶轮和入口导叶及框架结构等被水平轴支撑，所述尾翼面部垂直设置。
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