CN101988471A

CN101988471A - 一种减小风力发电机叶片转动阻力的方法及叶片转动助力系统

Info

Publication number: CN101988471A
Application number: CN2009101620335A
Authority: CN
Inventors: 王德恒
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-03-23

Abstract

本发明提供了一种减小风力发电机叶片转动阻力的方法及其叶片转动助力装置。风力发电是利用风力的动能对风力发电机叶片的作用使其转动，产生的机械能带动风力发电机转子转动切割磁力线达到发电的目的，由于转动发电机转子切割磁力线存在较大的阻力，通常需要较大的风速才能够使风力发电机叶片转动，达到发电的目的，利用汽车方向助力器原理和方法，在风力发电机系统上增加一套风力发电机转动助力系统，包括电子液压助力系统、电动助力系统(EPS)、线控助力系统、电磁助力系统等，可以有效的减小风力发电机叶片转动切割磁力线产生的阻力，即便利用小的风量或风速也能够让风力发电机大功率发电。

Description

一种减小风力发电机叶片转动阻力的方法及叶片转动助力系统

技术领域

本发明涉及风力发电机系统，特别涉及的是一种利用汽车方向助力器原理减小风力发电机叶片转动阻力的方法及其风力发电机叶片转动助力系统。该系统包括电子液压助力转动系统；电动助力转动系统等。

技术背景

利用洁净的能源(可再生能源)是人类社会文明进步的表现、是科学技术的发展、是环保理念的体现。也是一个地区环保的重要指标。洁净能源包括太阳能、风能、潮汐能、生物能等，这都是可再生取之不尽的能源。天不会无风、不会无太阳......风能是取之不尽、源源不断的可再生的能源。是技术最为成熟，经济可行性较高，是一种较理想的发展能源。

地球风能约为2.74×109MW，可利用风能为2×107MW，是地球水能的十倍。只要利用上地球1％的风能就能满足全球能源的需要。我国探明风能理论储量为32.26亿KW，而可发利用为2.53亿KW，近海可利用风能7.5亿KW。目前东南沿海是最大风能资源区，风能密度为200W/M2～300W/M2，大于6m/s的风速时间全年3000小时以上就可取得较大经济利润效益。

就风能的商业利用价值来说，风力越大价值越高。地点稍有变化对发电都有很大影响，因为电能和风速的立方成正比。这意味着即使是同一台蜗轮发电机，在风速为每小时12英里时，发电量比每小时11英里的发电量高30％。风力发电的前提条件是离地面10m的风速必须达到每秒4-5m。海滨地区的风速大多超过这个数值，但越往内地，随着风力不断减弱，可生产的电能也就越少。

如何在内地风速弱的地区同样达到良好的发电效果如何能够将最大程度的减小风力发电机叶片转动的阻力，利用较小的风速产生风力发电机叶片较大的扭矩，是一种利用汽车方向助力器原理减小风力发电机叶片转动阻力的方法的发明目的。

发明内容

为解决风力发电启动力矩较大、减小风力发电机叶片转动阻力的普遍性问题，充分利用低风速同样达到良好的发电效的目的。本发明提供了一种利用汽车方向助力器原理减小风力发电机叶片转动阻力的方法和实施这一方法的具体步骤。

本发明提供了一种利用汽车方向助力器原理减小风力发电机风轮叶片转动阻力和启动力矩的方法，风力发电是利用风力的动能对风力发电机叶片的作用使其转动，产生的机械能带动风力发电机转子转动切割磁力线达到发电的目的，即将风力的动能转化成机械能再转化成电能的过程，由于转动发电机转子转动切割磁力线存在较大的阻力并且启动力矩较大，通常需要较大的风力或风速才能够使风力发电机的叶片转动，利用汽车方向助力器原理可以有效的减小风力发电机叶片转动切割磁力线产生的阻力及启动力矩。风力发电机叶片转动助力系统就是在风力发电机风轮叶片或风帆、兜风叶片等转动系统的基础上加设一套助力装置而形成的。风力发电机转动助力装置减轻了风轮叶片、风帆或兜风叶片转动的阻力。本发明就是利用汽车方向助力器的原理及方法，使用在风力发电机的受风叶片转动系统上，即增加了一套风力发电机受风叶片转动助力系统，减小风力发电机的启动力矩及可以利用小的风量就能够让风力发电机大功率发电的方法。

风力发电机叶片转动助力系统；该系统包括：第一类是风力发电机片转动电子液压助力系统；第二类是风力发电机叶片转动电动助力系统(EPS)，第三类是风力发电机叶片转动线控助力系统，第四类是风力发电机叶片转动电磁式助力系统等等。

电子液压助力转动系统主要由储油罐、转动助力控制单元、电动泵、转动机、扭矩传感器、蓄电池等组成，其中转动助力控制单元和电动泵是一个整体结构。电子液压转动助力系统采用电动泵控制液压，达到转动助力的目的。

电动转动助力英文全称是Electronic Power Steering，简称EPS，它利用电动机产生的动力协助风力发电机叶片进行助力转动。一般是由转矩(转动)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转动器、以及畜电池电源所构成。风力发电叶片、风帆或兜风叶片在转动时，转矩(转动)传感器会“感觉”到风力发电叶片、风帆或兜风叶片的力矩大小，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了转动助力。又由于它不转动时不工作，所以，也节省了能源。

线控转动助力系统是由风力发电机转动助力系统由风力发电机叶片总成、转动执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、电源等辅助系统组成。风力发电机叶片总成包括风轮叶片或风帆等兜风叶片、转动传感器、力矩传感器等。风力发电机叶片总成的主要功能是将风力发电机叶片的转动意图(通过测量风速)转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，以提供给风力发电机相应的风量大小信息。转动执行总成包括风力发电机叶片转动传感器、转动执行电机、转动电机控制器等组件等组成。转动执行总成的功能是接受主控制器的命令，通过转动电机控制器控制风轮叶片或风帆等兜风叶片的转动，实现风力发电机叶片的转动意图。主控制器对采集的信号进行分析处理，判别风量、风力发电机叶片的运动状态，向风力发电机叶片转动电机发送指令，控制电机的工作，保证各种工况下都具有理想的风能响应，以减少风力发电机对风量转动特性随风速变化的补偿任务，自动防故障系统是线控转动系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持风力发电机的正常运转。因而故障的自动检测和自动处理是线控转动系统最重要的组成系统之一。它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高风力发电机安全性能。电源系统承担着控制器、执行马达以及其它风力发电机电器的供电任务，电源的性能就显得十分重要。

风力发电机线控转动助力系统的工作原理。用传感器检测风力的风速数据，然后通过数据总线将信号传递给风力发电机上的ECU，并从转动控制系统获得反馈命令；转动控制系统也从转动操纵机构获得风力的风速指令，并从转动系统获得风轮叶片或风帆等兜风叶片的情况，从而指挥整个转动系统的运转。

电磁式助力系统主要由由转矩传感器、风速速传感器、控制单元、电磁力发生装置、蓄电池电源等组成。风力发电机叶片在转动时，控制单元根据转矩传感器输出的转动转矩信号及风速传感器输出的风速信号调节电磁力发生装置供电电流的大小，以获得适当的转动助力，从而保证风力发电机叶片在任何工况下转向都有较理想的转动轻便性和操纵的稳定性。

风力发电机叶片转动助力系统是安装在风力发电机转子与风力发电机叶片之间，或者安装在风力发电机增速箱与风力发电机叶片之间，或者安装在风力发电机转子与增速箱之间，具体安装位置视风力发电机系统的结构进行调整。

风力发电机叶片转动助力系统的蓄电池电源可以采用各种类型的蓄电池，给蓄电池充电可以采取太阳能电池或者风力发电机自身发出的电力。

附图简短说明

图1是风力发电机叶片电子液压助力转动系统的原理图

图2是风力发电机叶片电动转动助力系统的原理图

图3是风力发电机叶片线控转动助力系统的原理图

图4是风力发电机叶片电磁式助力系统的原理图

图5-1是风力发电机叶片转动助力系统安装原理图

图5-2是风力发电机叶片转动助力系统安装原理图

图5-3是风力发电机叶片转动助力系统安装原理图

实施方式

图1是是风力发电机叶片电子液压助力转动系统的原理图，主要包括了输入轴1，输出轴2，扭矩传感器、扭杆3，电动机及液压泵4，控制单元5，风速信号传感器6，液压油储罐7等。

电子液压助力转动系统主要由储油罐7、转动助力控制单元5、电动泵转动机4、扭矩传感器3、蓄电池8等组成，其中转动助力控制单元5和电动泵4是一个整体结构。电子液压转动助力系统采用电动泵4控制液压，达到转动助力的目的。

图2是风力发电机叶片电动转动助力系统的原理图，主要包括了输入轴1，输出轴2，扭矩传感器、扭杆3，电动机及电磁离合器4，控制单元5，风速信号传感器6，蓄电池7等。

它利用电动机4产生的动力协助风力发电机叶片进行助力转动。一般是由转矩(转动)传感器3、电子控制单元5、电动机、电磁离合器、机械转动器4以及畜电池电源7所构成。风力发电叶片、风帆或兜风叶片在转动时，转矩(转动)传感器3会“感觉”到风力发电叶片、风帆或兜风叶片的力矩大小，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元5，电控单元5会根据传动力矩3等数据信号，向电动机控制器4发出动作指令，从而电动机4就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了转动助力。又由于它不转动时不工作，所以，也节省了能源。

图3是风风力发电机叶片线控转动助力系统的原理图。主要包括了输入轴1，输出轴2，风力发电机叶片总成3，转动执行总成4，主控制器5，风速信号传感器6，电源7，自动防故障系统8等。

线控助力系统是由风力发电机叶片总成3、转动执行总成4和主控制器(ECU)5三个主要部分以及自动防故障系统8、蓄电池电源7等辅助系统组成，风力发电机叶片总成3包括风力发电机叶片、转动传感器、力矩传感器等，主要功能是将风力发电机叶片的转动意图(通过测量风速)转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，以提供给风力发电机相应的风量大小信息，转动执行总成4包括风力发电机叶片转动传感器、转动执行电机、转动电机控制器等组件等组成，主要功能是接受主控制器5的命令，通过转动电机控制器控制风力发电机叶片的转动，实现风力发电机叶片的转动意图，主控制器5对采集的信号进行分析处理，判别风量、风力发电机叶片的运动状态，向风力发电机叶片转动电机发送指令，控制电机的工作，保证各种工况下都具有理想的风能响应，以减少风力发电机对风量转动特性随风速变化的补偿任务，自动防故障系统8是线控转动系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持风力发电机的正常运转，因而故障的自动检测和自动处理是线控转动系统最重要的组成系统之一，它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高风力发电机安全性能。

图4是风力发电机叶片电磁式助力系统的原理图。主要包括了输入轴1，输出轴2，扭矩传感器、扭杆3，电磁力发生装置4，控制单元5，风速信号传感器6，电流控制器7，蓄电池8等。

电磁式助力系统主要由由转矩传感器3、风速速传感器6、控制单元5、电磁力发生装置4、蓄电池电源8等组成。风力发电机叶片在转动时，控制单元5根据转矩传感器3输出的转动转矩信号及风速传感器6输出的风速信号调节电磁力发生装置4供电电流7的大小，以获得适当的转动助力，从而保证风力发电机叶片在任何工况下转向都有较理想的转动轻便性和操纵的稳定性。

图5-1是风力发电机叶片转动助力系统安装原理图。

风力发电机叶片转动助力系统是安装在风力发电机转子13与风力发电机叶片11之间，具体安装位置视风力发电机系统的结构进行调整。

图5-2是风力发电机叶片转动助力系统安装原理图。

风力发电机叶片转动助力系统是安装在风力发电机增速箱12与风力发电机叶片11之间。具体安装位置视风力发电机系统的结构进行调整。

图5-2是风力发电机叶片转动助力系统安装原理图。

风力发电机叶片转动助力系统是安装在风力发电机转子13与增速箱12之间，具体安装位置视风力发电机系统的结构进行调整。

工业实用性

本发明可以广泛的应用于各种类型的风力发电机系统。

Claims

1.一种利用汽车方向助力器原理减小风力发电机叶片启动力矩、叶片转动阻力的方法及其风力发电机叶片转动助力系统

本发明提供了一种利用汽车方向助力器原理减小风力发电机叶片转动阻力的方法，风力发电是利用风力的动能对风力发电机叶片的作用使其转动，产生的机械能带动风力发电机转子转动切割磁力线达到发电的目的，即将风力的动能转化成机械能再转化成电能的过程，由于转动发电机转子切割磁力线存在较大的阻力，通常需要较大的风力或风速才能够使风力发电机叶片转动，达到发电的目的，利用汽车方向助力器原理和方法，在风力发电机系统上增加一套风力发电机转动助力系统，包括电子液压助力系统、电动助力系统(EPS)、线控助力系统、电磁助力系统等，可以有效的减小风力发电机叶片转动切割磁力线产生的阻力，即便利用小的风量或风速也能够让风力发电机大功率发电。

2.如权利要求1所述的风力发电机叶片转动助力系统；

其特征在于该系统包括：第一类是风力发电机片转动电子液压助力系统；第二类是风力发电机叶片转动电动助力系统(EPS)，第三类是风力发电机叶片转动线控助力系统，第四类是风力发电机叶片转动电磁式助力系统等等。

3.如权利要求2所述的风力发电机叶片转动助力系统

其特征在于电子液压助力转动系统主要由储油罐、转动助力控制单元、电动泵、转动机、扭矩传感器、蓄电池等组成，其中转动助力控制单元和电动泵是一个整体结构。电子液压转动助力系统采用电动泵控制液压，达到转动助力的目的。

4.如权利要求2所述的风力发电机叶片转动助力系统

其特征在于电动转动助力英文全称是Electronic Power Steering，简称EPS，它利用电动机产生的动力协助风力发电机叶片进行助力转动。一般是由转矩(转动)传感器、电子控制单元、电动机、减速器、机械转动器、以及畜电池电源所构成。风力发电叶片、风帆或兜风叶片在转动时，转矩(转动)传感器会“感觉”到风力发电叶片、风帆或兜风叶片的力矩大小，这些信号会通过数据总线发给电子控制单元，电控单元会根据传动力矩等数据信号，向电动机控制器发出动作指令，从而电动机就会根据具体的需要输出相应大小的转动力矩，从而产生了转动助力。又由于它不转动时不工作，所以，也节省了能源。

5.如权利要求1和2所述的风力发电机叶片转动助力系统

其特征在于线控助力系统是由风力发电机叶片总成、转动执行总成和主控制器(ECU)三个主要部分以及自动防故障系统、蓄电池电源等辅助系统组成，风力发电机叶片总成包括风力发电机叶片、转动传感器、力矩传感器等，主要功能是将风力发电机叶片的转动意图(通过测量风速)转换成数字信号，并传递给主控制器；同时接受主控制器送来的力矩信号，以提供给风力发电机相应的风量大小信息，转动执行总成包括风力发电机叶片转动传感器、转动执行电机、转动电机控制器等组件等组成，主要功能是接受主控制器的命令，通过转动电机控制器控制风力发电机叶片的转动，实现风力发电机叶片的转动意图，主控制器对采集的信号进行分析处理，判别风量、风力发电机叶片的运动状态，向风力发电机叶片转动电机发送指令，控制电机的工作，保证各种工况下都具有理想的风能响应，以减少风力发电机对风量转动特性随风速变化的补偿任务，自动防故障系统是线控转动系统的重要模块，它包括一系列的监控和实施算法，针对不同的故障形式和故障等级做出相应的处理，以求最大限度地保持风力发电机的正常运转，因而故障的自动检测和自动处理是线控转动系统最重要的组成系统之一，它采用严密的故障检测和处理逻辑，以更大地提高风力发电机安全性能。

6.如权利要求1和2所述的风力发电机叶片转动助力系统

其特征在于电磁式助力系统主要由由转矩传感器、风速速传感器、控制单元、电磁力发生装置、蓄电池电源等组成。风力发电机叶片在转动时，控制单元根据转矩传感器输出的转动转矩信号及风速传感器输出的风速信号调节电磁力发生装置供电电流的大小，以获得适当的转动助力，从而保证风力发电机叶片在任何工况下转向都有较理想的转动轻便性和操纵的稳定性。

7.如权利要求1和2所述的风力发电机叶片转动助力系统

其特征在于风力发电机叶片转动助力系统是安装在风力发电机转子与风力发电机叶片之间，或者安装在风力发电机增速箱与风力发电机叶片之间，或者安装在风力发电机转子与增速箱之间，具体安装位置视风力发电机系统的结构进行调整。

8.如权利要求1和2所述的风力发电机叶片转动助力系统

其特征在于风力发电机叶片转动助力系统的电源系统可以采用各种类型的蓄电池，给蓄电池充电可以采取太阳能电池或者风力发电机自身发出的电力。