CN103114964B - 一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统 - Google Patents

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Abstract

一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统，包括安装在机舱外近风侧的风速感应装置、安装在机舱内和风速感应装置电连接的控制器、安装在机舱外远风侧的轮毂、通过转轴和轮毂相连接的叶片主体以及安装在转轴两侧并和其连接的执行机构，所述执行机构和控制器电连接；风速感应装置将速度信号传递给控制器，控制器发出指令，命令执行机构解除对转轴的锁定，然后带动转轴转动，而与转轴相连的叶片主体则随着转轴同步同角度转动以达到顺风收拢或者逆风展开的目的；随着风速的变化，可以设定几个角度，避免连续转动导致叶片不稳定情况的发生；采用本发明系统能够在风速较大时降低风力发电机的能量捕获，保证风力机工作在额定参数附近，从而扩大风力发电机的风速适用范围。

Description

一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统
技术领域
本发明属于风力发电设备技术领域，具体涉及一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭，寻找替代能源成为世界各国能源领域相关工作的重中之重。风能是一种清洁的可再生能源，近十年来在我国飞速发展，在能源结构的比例也越来越高。然而利用风能的一个很大的局限是经济风速范围较窄。一般来说，3~20m/s的风速是目前风力发电机的所能适应的经济风速。风力发电机的启动风速为3~4m/s，切出风速（停机风速）为25m/s左右。当风速低于启动风速时，风力机不能发电；当风速超过切出风速时，风力发电机必须停机。扩大风速适用范围在工程应用中有很大的实际意义。
风力发电机是把风能转化为电能的装置，工作在一定的风速范围之内。人们希望，无论风速如何变化，风力发电机的转速保持恒定并且不能超过上限值。这就要求风力发电机在风速变大时，降低叶片的能量捕获，并且减少叶片受到的冲击。改变叶片角位移，进而改变叶片迎风角度是一种行之有效的调节风力机功率的方式。
改变叶片本体的面积（比如打孔、折叠和拉伸等方式）对叶片的强度影响较大，尤其在大风速下容易造成叶片损坏，而且加工制造和运行过程中改变叶片面积的难度较大，特别是运行过程由于风力作用，每个叶片的不同部件相互挤压很难相对移动，变面积调节较为困难。
风力机按照轴的方向分为水平轴风力机和垂直轴风力机。对于水平轴风力机，根据叶片和机舱相对于来流风的位置又可以分为上风向风力机和下风向风力机。上风向风力机需要偏航系统，下风向风力机可以自动对风，所以不需要偏航系统。而且，在极端大风速下，上风向风力机存在叶片与机舱相撞的危险，下风向风力机则不存在这种危险。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统，能够根据风速调节叶片角位移，而且调节方便，从而扩大风力发电机的风速适用范围。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统，包括安装在机舱外近风侧的风速感应装置1、安装在机舱内和风速感应装置1电连接的控制器2、安装在机舱外远风侧的轮毂3、通过转轴6和轮毂3相连接的叶片主体4以及安装在转轴6两侧并和其连接的执行机构5，所述执行机构5和控制器2电连接。
所述轮毂3上有三个转轴6分别连接三个叶片主体4，并且叶片主体4随着转轴6同步同角度转动。
通过控制器2控制执行机构5使得转轴6的转动并不是随着风速的增减连续转动，而是转轴6带动叶片主体4，使得叶片主体4与风力机水平轴之间的夹角Ф有固定的角度取值。
把夹角Ф从90°到0°划分为10个区间，其固定的角度取值为90°、72°、63°、57°、51°、45°、39°、33°、27°、18°和0°。
本发明的工作原理为：风速感应装置1将速度信号传递给控制器2，控制器2发出指令，命令执行机构5解除对转轴6的锁定，然后带动转轴6转动，而与转轴6相连的三个叶片主体4则随着转轴6同步同角度转动。
和现有技术相比，本发明具有以下优点：
采用本发明系统能够在风速过大时降低风力发电机的能量捕获，保证风力机工作在额定参数附近，从而扩大风力发电机的风速适用范围。而且，由于下风向风力机的先天优势使得叶片在风速较大时沿着顺风方向收拢，角位移减小，风阻不会突然增大过多，叶片受到的冲击比较稳定；在风速由大变小的过程中，叶片朝着逆风方向展开，风阻不会突然减小过多，叶片受到的冲击较小，调节也比较稳定。这样，叶片在整个运行过程中承受的载荷不会突变，所以增强了叶片的安全性和稳定性。
附图说明
图1是正常风速时本发明叶片主体处于正常工况位置的示意图。
图2是风速增大时本发明叶片主体角位移为Ф时的示意图。
图3是风速过大，超过叶片承受范围时本发明叶片主体完全收合并且风力机停机时的状态示意图。
图4是本发明逆风方向的视图。
图5是角位移Ф随风速大小V的函数关系示意图（图中V表示来流风速，V0表示当风力机原工况正常运行时的最大可承受风速，Ф表示叶片与风力机水平轴的夹角，该图是10个档位的情况）。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1至图4所示，本发明是一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统，包括安装在机舱外近风侧的风速感应装置1、安装在机舱内和风速感应装置1电连接的控制器2、安装在机舱外远风侧的轮毂3、通过转轴6和轮毂3相连接的叶片主体4以及安装在转轴6两侧并和其连接的执行机构5，所述执行机构5和控制器2电连接。风速感应装置1测定来流风速，并将信息及时传递给控制器2，控制器2发出指令，命令执行机构5工作，执行机构5一方面用于给转轴6的转动提供动力，并且测量记录转轴6转过的角度，另一方面用于给转轴6刹车并且使其固定在某一位置。这样，在高风速下，通过整个系统的自动调节，调节叶片的角位移，可以在较大的风速情况下，使风力机继续工作；反之，在风速降低直至设计风速的过程中，叶片逆向经过上述的角位移，分阶段与环境风速的对应区间相适应，直至正常工作状态。
如图1所示，当风速正常时，叶片主体4处于正常工况位置，转轴6处于被执行机构5锁定的状态，风力机正常运行，此时角位移Ф为90°。
如图2所示，当风速超过正常的风速适用范围时，风速感应装置1将速度信号传递给控制器2，控制器2发出指令，命令执行机构5解除对转轴6的锁定，然后带动转轴6转动，而与转轴6相连的叶片主体4则随着转轴6同步同角度转动，根据不同的风速，角位移Ф为相应的角度，然后命令执行机构5对转轴6实现锁定。
如图3所示，当风速过大，超出叶片主体4的承受范围时，则叶片主体4完全收合，此时角位移Ф为0°，风力机停机，更有利于保护风力机。
如图4所示，作为本发明的优选实施例，所述轮毂3上有三个转轴6分别连接三个叶片主体4；三个叶片主体4分别以转轴AA’、BB’和CC’为各自轴线，顺风方向收合。执行机构5跟踪记录转轴6转过的角度，则转轴6转过的角度也就是叶片主体4转过的角度。这样，叶片主体4与风力机水平轴的夹角将由90°慢慢减小，即角位移Ф由90°慢慢减小。并且，随着风速的增加，角位移Ф并不是连续产生，而是将风速划分为若干区域，角位移Ф是各个风速区域内的不同常数。当风速从正常工作值上升到达某一值时，系统控制器2发出指令，执行机构5将转轴6解锁，驱动转轴6转动某一设定角度，然后锁死，叶片主体4完成一次改变角位移的操作，风力机即可在此风速条件下正常工作；当风速再次上升，达到某一值时，执行机构再次重复上述的工作，完成角位移Ф的改变。
如图5所示，把角位移Ф从90°到0°划分为10个区间，考虑功率不变，计算出每个角位移Ф所对应的叶片可承受的最大风速为V0、1.05V0、1.12V0、1.20V0、1.30V0、1.41V0、1.58V0、1.83V0、2.24V0和3.16V0（风速超过3.16V0，角位移Ф为0时，相当于风力机停机，能够发电的工作状态有10个角位移）。因此，叶片角位移调节时有10个工作位置，有效地保证了系统的灵敏度和稳定性。当风速达到V0时，控制器2发出命令，转轴6被执行机构5解锁，由初始位置（角位移Ф为90°）持续转过18°则叶片主体4也持续转过18°，角位移Ф变成了72°，则叶片部分收拢，然后执行机构5对转轴6进行刹车并且锁死。这样，风力机的适用风速扩展到1.05V0。当风速再次上升超过1.05V0时，重复上述“解锁—转动—刹车—锁死”的动作，角位移Ф变为63°，风力机的适用风速扩展到1.12V0。以此类推。同理，当风速减小时，叶片主体4随着转轴6的反转逆风展开，仍与叶片收拢时的工作位置相同，只是顺序相反，即角位移Ф也不是连续产生，而是随着风速达到某一值时，转轴6转动某一角度，带动叶片主体4转动使角位移Ф增加至上述取值中的某一个，随着风速的进一步减小直至叶片主体4展开至正常位置，角位移Ф则顺次阶段性地恢复至90°。这样，风力发电机又恢复到了正常的工作范围。通过以上调节，本发明可以在保证风力机叶片系统稳定工作的条件下，使叶片随风速变化而阶跃性转动，抵消了风速变大对风力机功率的影响，使得风力机功率近似不变，从而扩大了风速的适用范围。
同理，本发明不仅适用于将叶片角位移分十个区间，而且适用于其它区间的情形。
比如将叶片角位移分八个区间，则此时相应的角位移Ф由大到小依次为：90°、69°、60°、52°、45°、38°、30°、21°和0°，此时各个角位移Ф所对应的叶片可承受的最大风速为V0、1.07V0、1.15V0、1.26V0、1.41V0、1.63V0、2.00V0和2.83V0。
又如将叶片角位移分五个区间，则此时相应的角位移Ф由大到小依次为：90°、63°、51°、39°、27°和0°，此时各个角位移Ф所对应的叶片可承受的最大风速为V0、1.12V0、1.29V0、1.58V0、1.41V0和2.24V0。

Claims (2)

1.一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统，其特征在于：包括安装在机舱外近风侧的风速感应装置(1)、安装在机舱内和风速感应装置(1)电连接的控制器(2)、安装在机舱外远风侧的轮毂(3)、通过转轴(6)和轮毂(3)相连接的叶片主体(4)以及安装在转轴(6)两侧并和其连接的执行机构(5)，所述执行机构(5)和控制器(2)电连接；通过控制器(2)控制执行机构(5)使得转轴(6)的转动并不是随着风速的增减连续转动，而是转轴(6)带动叶片主体(4)，使得叶片主体(4)与风力机水平轴之间的夹角Ф有固定的角度取值；把夹角Ф从90°到0°划分为10个区间，其固定的角度取值为90°、72°、63°、57°、51°、45°、39°、33°、27°、18°和0°。
2.根据权利要求1所述的一种可调叶片角位移的下风向风力机叶片系统，其特征在于：所述轮毂(3)上有三个转轴(6)分别连接三个叶片主体(4)，并且叶片主体(4)随着转轴(6)同步同角度转动。
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