CN101915205B

CN101915205B - 可调迎风面积的风力机叶片

Info

Publication number: CN101915205B
Application number: CN2010102714099A
Authority: CN
Inventors: 许盟来; 许士泉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN101915205A

Abstract

本发明公开一种可调迎风面积的风力机叶片及其工作方法。风力机叶片根据整个风轮的旋转角度的不同展开或闭合，使叶片的迎风面积可随风轮的转动而改变，充分有效地采集风能。本发明设计紧凑、合理，故障率低，运输、安装和维护简单方便，适用于低风速地区，而且风能的利用率达到80％。

Description

可调迎风面积的风力机叶片

技术领域

本发明公开一种可调迎风面积的风力机叶片及其工作方法，属于风力机技术领域。

背景技术

风能作为一种清洁可再生的能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能为2×10⁷MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，但是风能的利用率却不高，因此怎样有效充分地利用风能一直是人们所探究的问题。

以风力发电为例，国内外传统的风能的采集与使用都局限于贝茨(Betz)理论，其风能利用系数的最大值为0.593。2004年，印度研究员做出了风能利用系数达到0.89的最大值报告。但是，无论风能利用系数是0.593还是0.89，我们不得不承认：将采集到的风能转换成电能过程中存在巨大耗损，使得最后产生的电力远不足原来风能的1/4。

现在所使用的风力发电机的风力采集设备以三个叶片为主，风轮直径都在数百英尺以上。巨大的结构及装备，无论是设备成本、安装和维修的造价都十分昂贵。

现有的风力机叶片存在以下技术不足：

1)叶片的迎风面积是一定的，一部分叶片处于迎风、准迎风状态，另一部分叶片则处于逆风和半逆风状态，这样会抵消部分力矩，从而降低采集风能的效率。

2)叶片的面积庞大，运输、架设和维修的成本普遍偏高，故障率也高。

3)单位时间内，理想状态下风轮叶片A所能采集的风能为PA，

PA＝1/2ρ×A×V³，

其中，ρ为空气密度(单位：kg/m³)，A为风轮叶片扫掠面积(单位：m²)，V为风速，(单位：m/s)。

由于风轮在风场中受到风速及风向波动的影响，使风力机输出的可用功率进一步减少。考虑到此因素，风力机的实际采集有效风能为PA _(有)，

PA_(有)＝1/2ρ×A×V³×Cp×η，

其中η表示系统效率，一般η为0.7，Cp表示风能利用系数，最大值为0.593，Cpmax×η＝0.593×0.7≈0.42，因此，真正从风力机所获得的功率很少超过风轮叶片采集风能的40％。

针对风轮叶片不能随风调整迎风面积的技术缺陷，中国专利CN101225796A公开了可以调节迎风面积的叶片，每个风叶本体(相当于本发明中所述的叶片)是由两个相互铰链的叶片(相当于本发明中所述的折叠叶片)组成，铰链叶片的迎风面采用弹簧将两个叶片相连，目的在于，当风叶本体不迎风时，两个叶片可以在弹簧的弹力作用下闭合，减少阻力。该专利的不足在于，整个风叶本体的张开是需要风能驱动的，因此难免会消耗部分风能；其次整个风叶本体的张开时间也只是在风向与风叶本体完全垂直时才能完全张开，时间相对较短，采集风能的效率比较低。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明公开一种能适用低风速地区、采集风能效率高的可调迎风面积的风力机叶片，本发明还公开了该叶片的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种可调迎风面积的风力机叶片包括叶柄和折叠叶片，其特征在于，风力机叶片还包括收展控制杆、联动杆、联动轴和配重块，在叶柄远离水平轴的端部两侧对称设有折叠叶片，联动轴平行于叶柄；折叠叶片上设有骨架，两个联动杆的一端分别通过轴承与联动轴垂直连接，另一端分别与两个折叠叶片上的与叶柄平行的骨架轴承连接；收展控制杆的一端与联动轴垂直固定连接，在叶柄远离水平轴的末端设置一个轴向与叶柄垂直的筒套，收展控制杆贯穿设置在筒套中，收展控制杆的另一端与配重块固定连接。本发明的风力机叶片可固定安装在风力机的水平轴上，形成风轮；叶片可以根据风轮旋转角度的不同展开或闭合，使叶片的迎风面积可随风轮的转动而改变：例如当叶片旋转的角度处于迎风时，叶片开展至最大，此时叶片处于完全采集风能阶段；当叶片旋转的角度处于逆风时，叶片闭合至最小，此时叶片处于不完全采集风能阶段，同时也减小了逆向所产生的阻力，增加了风能的利用率。

所述的折叠叶片的材料为碳纤维布。

所述叶柄的长度为2～3米。

所述折叠叶片长：1～1.2米，宽：0.2～0.4米。

所述的配重块重0.8～1.5kg。增加配重块的目的在于：使风轮在低风速时能产生最大的力矩，以维持正常转动；其次；利用重力，使配重块牵拉收展控制杆控制叶片的自动张合。

所述风力机叶片的工作方法，过程如下：

5个风力机叶片固定设置在风力机的水平轴上，形成风轮，相邻风力机叶片的叶柄的夹角度数为72度；

当叶片由270度旋转至0度时，叶片的状态是由图2的虚线部分到实线部分的转变过程：当叶片逆时针旋转至0度时，配重块10因重力向叶片闭合的方向运动，随即带动收展控制杆7向叶片闭合的方向运动，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆7推离叶片，同时两个联动杆8之间的夹角变大，即叶片逐渐张开至最大张角；

当叶片由0度旋转至90度时，叶片的状态是图2、3的实线部分：配重块10因重力的作用停滞在离叶片最近的地方，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆7推离并停滞在离叶片最远的位置，两个联动杆8之间的夹角保持最大，即叶片保持最大张角；

当叶片由90度旋转至180度时，叶片的状态是由图2的实线部分到虚线部分的转变过程：当叶片逆时针旋转至180度时，配重块10因重力向叶片展开的方向运动，随即带动收展控制杆7向叶片展开的方向运动，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆7向叶片方向拉近，同时两个联动杆8之间的夹角变小，即叶片逐渐闭合至最小角；

当叶片由180度旋转至270度时，叶片的状态是图2的虚线部分：配重块10因重力的作用停滞在离叶片最远的地方，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆拉近并停滞在离叶片最近的位置，两个联动杆8之间的夹角保持最小，即叶片保持最小角。

优选的，所述叶片的张开角度最大为135度。

本发明的优势在于：

1)本发明的风力机叶片设计紧凑、合理，故障率低，运输、安装和维护简单方便，经济适用。

2)本发明应用在风能采集时，通过机械方式控制叶片面积随风轮的转动而改变，以减少运转时的阻力，使风能的利用率达80％以上。

附图说明

图1是风力机叶片的张、合示意图；

图2是可调迎风面积风力机叶片的结构示意图，其中实线部分为叶片完全张开的状态，虚线部分为叶片完全闭合状态；

图3是图2实线部分的右视图。

在图1-3中：1、叶柄；2、水平轴；3、风轮；4、折叠叶片；5、风向；6、套筒；7、收展控制杆；8、联动杆；9、联动轴；10、配重块；11、骨架；12、轴承。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1、

一种可调迎风面积的风力机叶片包括叶柄1和折叠叶片4，其特征在于，风力机叶片还包括收展控制杆7、联动杆8、联动轴9和配重块10，在叶柄1远离水平轴2的端部两侧对称设有折叠叶片4，联动轴9平行于叶柄1；折叠叶片4上设有骨架11，两个联动杆8的一端分别通过轴承12与联动轴9垂直连接，另一端分别与两个折叠叶片4上的与叶柄平行的骨架11轴承连接；收展控制杆7的一端与联动轴9垂直固定连接，在叶柄1远离水平轴2的末端设置一个轴向与叶柄1垂直的筒套6，收展控制杆7贯穿设置在筒套6中，收展控制杆7的另一端与配重块10固定连接。

所述的折叠叶片4的材料为碳纤维布。

所述叶柄1的长度为2～3米。

所述折叠叶片4长：1～1.2米，宽：0.2～0.4米。

所述的配重块10重0.8～1.5kg。

实施例2、

实施例1所述风力机叶片的工作方法，过程如下：

5个风力机叶片固定设置在风力机的水平轴2上，形成风轮3，相邻风力机叶片的叶柄1的夹角度数为72度；

当叶片由270度旋转至0度时，叶片的状态是由图2的虚线部分到实线部分的转变过程：当叶片逆时针旋转至0度时，配重块10因重力向叶片闭合的方向运动，随即带动收展控制杆7向叶片闭合的方向运动，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆7推离叶片，同时两个联动杆8之间的夹角变大，即叶片逐渐张开至最大张角；风力机叶片开始进入采集风能阶段。

当叶片由0度旋转至90度时，叶片的状态是图2、3的实线部分：配重块10因重力的作用停滞在离叶片最近的地方，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆7推离并停滞在离叶片最远的位置，两个联动杆8之间的夹角保持最大，即叶片保持最大张角；风力机叶片完全张开，与风向5的接触面积最大，因此处于完全采集风能阶段。

当叶片由90度旋转至180度时，叶片的状态是由图2的实线部分到虚线部分的转变过程：当叶片逆时针旋转至180度时，配重块10因重力向叶片展开的方向运动，随即带动收展控制杆7向叶片展开的方向运动，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆7向叶片方向拉近，同时两个联动杆8之间的夹角变小，即叶片逐渐闭合至最小角；风力机叶片开始进入不完全采集风能阶段。

当叶片由180度旋转至270度时，叶片的状态是图3的虚线部分：配重块10因重力的作用停滞在离叶片最远的地方，收展控制杆7的另一端连接有联动轴9，联动轴9被收展控制杆7拉近并停滞在离叶片最近的位置，两个联动杆8之间的夹角保持最小，即叶片保持最小角。风力机叶片完全闭合，与风向5的接触面积最小，因此处于不采集风能阶段。

所述叶片的张开角度最大为135度。

Claims

1.一种可调迎风面积的风力机叶片，该叶片包括叶柄和折叠叶片，其特征在于，风力机叶片还包括收展控制杆、联动杆、联动轴和配重块，在叶柄远离风力机水平轴的端部两侧对称设有折叠叶片，联动轴平行于叶柄；折叠叶片上设有骨架，两个联动杆的一端分别通过轴承与联动轴垂直连接，另一端分别与两个折叠叶片上的与叶柄平行的骨架轴承连接；收展控制杆的一端与联动轴垂直固定连接，在叶柄远离水平轴的末端设置一个轴向与叶柄垂直的筒套，收展控制杆贯穿设置在筒套中，收展控制杆的另一端与配重块固定连接。

2.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于，所述的折叠叶片的材料为碳纤维布。

3.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于，所述叶柄的长度为2～3米。

4.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于，所述折叠叶片长：1～1.2米，宽：0.2～0.4米。

5.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于，所述的配重块重0.8～1.5kg。