CN103939291A - 高低风速兼容型风电机组 - Google Patents

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Abstract

一种高低风速兼容型风电机组，其包括一风叶组件，所述风叶组件包括至少一风叶，所述风叶包括，一曲面板，所述的曲面板中部形成一凹陷结构，所述的曲面板一侧设有一阻力部，与所述阻力部同侧设有多个喷流孔；一盖板，所述的盖板固定连接于所述的曲面板的边缘，并且所述的盖板与所述曲面板形成一入风口；以及一用于将风叶安装于旋转中心装置上的连接件；一增速器，所述增速器的旋转轴与所述的风叶组件连接；一风能发电机，所述的风能发电机受所述的增速器驱动发电；一用于固定所述增速器和风能发电机，并且可调节风叶组件仰角的安装架。本发明适用风速范围广，风能利用效率高，结构简单，寿命长。

Description

高低风速兼容型风电机组
技术领域
本发明涉及风能发电领域，尤其涉及一种能够同时在低风速和高风速启动发电的高低风速兼容型风电机组。
背景技术
自然界的很多能源都是有限的，大部分也是不可再生的资源。随着人类不断的开发自然资源，全球人口数量不断增加，对能源的消耗越来越大。近年来，全球气候变暖，冰川融化，环境日益恶化。全世界对节能减排，降低碳排放，可持续发展的战略要求越来越紧迫，开发新能源，保护生态刻不容缓。特别是在许多发展中国家，由于科学技术比较落后，经济的发展主要依靠消耗丰富的自然资源，从而造成了生态环境的严重破坏。
发展新能源是解决目前环境问题的当务之急，新能源是指传统能源之外的各种能源形式。目前技术比较成熟，已经开始大规模利用的新能源是风能、太阳能、沼气、燃料电池这四种。新能源发电目前在能源紧缺之下会成为日后发电的主流。
其中，风能的利用越来越受到重视，特别是在西北地区，风能资源丰富，但是其他资源也相对匮乏，大力开发风能，不失为解决问题的优选手段。但是目前常用的风能利用手段为风能发电，但是风能发电的风电机组只能在风速在一定范围内才能正常启动发电。我们知道，自然界的风速风向都是不固定，风速受气候，地域特征的影响非常大，现有的水平轴风力发电机只能适用5～12米/秒的风速发电，在上述范围之外的风速资源就只能白白的浪费掉了。目前，风能发电机组普遍存在以下问题：
1、现有的风能发电机，在低风速的情况下，很难启动发电，浪费了大量的低风速能源，也限制了其应用范围。
2、现有的风能发电机在自然风速超过一定的限度之后，造成对风叶的巨大负荷，风叶受材料结构的强度的限制，在风速过高时，风叶受损，这样不仅造成了高风速资源的浪费，同时风能发电设备的寿命降低，维护成本较高。
目前解决这类问题的方式有两种，一种是采用电子短路刹车；另一种是采用摩擦片刹车装置。但是所述两种方式都有缺陷，前一种电子短路刹车由于瞬间产生很高的冲击电流，容易损坏发电设备；后一种摩擦片刹车方式，由于摩擦片长期使用而磨损，在不知情的情况下，遇到大风，风叶很容易被折断摧毁。如果采用经常更换摩擦片，人力维护成本较高，经济效益低下。
3、目前常见的风能发电设备，在自然高风速时，常采用刹车，或者直接停止发电，这样也浪费了巨大的能源。
目前，为了解决上述技术问题，人们做了很多尝试。解决风能发电机不能同时兼容高低风速的技术问题常采用能够分别在高风速和低风速下工作的设备组合发电，例如中国专利，申请号为：201210593121.2，公开一种高低风速兼容的风力发电机组，该高低风速兼容的风力发电机组由高速风力发电机组、低风速多叶式风轮和传动轴齿组成。其中，一台高低风速兼容的风力发电机组上同时安装有高速风轮和低风速多叶式风轮，使机组同时具有高风速发电和低风速发电二种功能。在高速风力机主轴的适当位置安装低风速多叶式风轮，低风速时低风速多叶式风轮旋转力为高速风力发电机组增速，使高速风力发电机保持正常运转。但是这种风能发电机组只是在一定的范围内提高了风能发电机的适应范围，在高速自然风情况下，风能发电机还是容易损坏，在低风速时，很难启动发电。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术存在的不足，而提出一种高低风速兼容型风电机组，这种高低风速兼容型风电机组通过对风叶的结构进行改进，实现对低风速和高风速的风能能源的高效利用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高低风速兼容型风电机组，其包括：
一风叶组件，所述风叶组件包括一旋转轴，及至少一个与旋转轴联接的风叶；所述风叶包括，一曲面板，所述的曲面板中部形成一凹陷结构，所述的曲面板一侧设有一阻力部，所述阻力部的曲面上设有多个喷流孔；一盖板，所述的盖板固定连接于所述的曲面板的边缘，并且所述的盖板与所述曲面板形成一入风口；以及一用于安装风叶的连接件；
一增速器，所述增速器的旋转轴与所述的风叶组件连接；
一风能发电机，所述的风能发电机受所述的增速器驱动发电；
一用于固定所述增速器和风能发电机的安装架。
其中，所述的风叶组件包括的风叶数目为2至6。
其中，所述的安装架包括：一安装台，所述的安装台上设有可供所述的增速器和风能发电机固定的安装位；一连接部，所述的连接部固定于所述安装台的底板上；一定位桩，所述的定位桩可旋转的与所述的连接部连接。
其中，所述安装架具有一仰角调节机构，所述的仰角调节范围为15度88度。
其中，所述的风叶组件各片风叶的风叶角为15度至60度。
其中，所述的增速器的增速倍数为2至16。
其中，所述的风叶还包括一中轴杆，所述的中轴杆固定于所述的盖板上；以及多根支撑件，所述的支撑件一端固定于所述的中轴杆，另一端固定于所述的曲面板上。
优选的，所述的阻力部为一弧形面。
优选的，所述的中轴杆为一圆锥体状的杆体或管体。
其中，所述的曲面板和所述盖板都是采用玻璃纤维和环氧树脂依次交层叠而成的板状结构。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果，该高低风速兼容型风电机组能够在低风速时快速启动发电，在高风速时能够自动实现平衡控制，风能利用率高，结构简单，寿命长，适用范围广，可大面积推广。
附图说明
图1为本发明高低风速兼容型风电机组的侧视图；
图2为本发明高低风速兼容型风电机组的状态图；
图3为本发明高低风速兼容型风电机组的风叶立体图；
图4为本发明高低风速兼容型风电机组的风叶正视图；
图5为本发明高低风速兼容型风电机组的风叶侧视图；
图6为本发明高低风速兼容型风电机组的风叶仰视图；
图7为本发明高低风速兼容型风电机组的风叶中部横向剖视图；
图8为本发明高低风速兼容型风电机组的风叶的风叶角示意图。
其中图中的标记说明如下：
1风叶组件，11风叶，110曲面板，111曲面状板体，112阻力部，12盖板，121入风口，13中轴杆，14支撑件，15连接件，151连接杆，152安装板，1521安装孔，16喷流孔，17平面；2增速器，21旋转轴，22安装部；3风能发电机；4安装架，41安装台，42支撑部，43连接部，44定位桩。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
参阅附图1和附图2，该高低风速兼容型风电机组包括：一风叶组件1，该风叶组件1包括至少一风叶；一增速器2，该增速器2的旋转轴与风叶组件1连接；一风力发电机3，该风力发电机3的旋转轴与增速器2连接；一安装架4，该安装架4上固定有增速器2和风力发电机3。
参阅附图1至附图7，风叶组件1包括至少一风叶11，优选的，风叶组件1的风叶数目为二至五。
参阅附图3至附图5，该风叶11包括：一曲面板110，该曲面板110中部形成一凹陷结构；一盖板12，该盖板12沿着曲面板110的边缘部分遮盖曲面板110的凹陷空间；一中轴杆13，该中轴杆13固定连接于盖板12上；多根支撑件14，该支撑件14的一端固定连接于中轴杆13，另一端固定连接于曲面板110上；一连接件15，该连接件15连接于中轴杆13的末端；多个喷流孔16，该喷流孔16设于盖板12遮盖部分的下方曲面板110上。
参阅附图3和附图5，该曲面板110包括一曲面状板体111和一阻力部112，曲面状板体111其纵向最长长度较其横向最长长度要大(需要指出的是，这里所说的纵向和横向是按照附图所在的A4中长边为纵向，宽边为横向)，并且曲面状板体11沿其纵向中心线左右对称(这里所说的左右是按照附图中左右相对而言，并不是限制性的位置关系)。其阻力部112设于该曲面板110的右边侧面，该阻力部112为一弧形面，该阻力部112附近设有喷流孔16，或者喷流孔16设置在阻力部112上。在该实施例中，该曲面板111呈船帆状。
其中，曲面状板体111采用一种抗晒、抗老化、韧性较强的材质制成，在本实施例中，该曲面状板体111采用多层玻璃纤维和环氧树脂依次交叉层叠而成，优选的，该曲面状面板111采用碳纤维制成。
参阅附图3和附图5，该盖板12的曲线边缘的形状与曲面板110的边缘相同，盖板12的曲线边沿与曲面板110的边缘密封固定连接，盖板12包括一直线边缘，该直线边缘与曲面板110的纵向中心线平行。其中，该盖板12与曲面板110共同围合一空腔，并且该盖板12部分遮挡曲面板110的空腔，盖板12和曲面板110之间形成一入风口121，该入风口121可供自然风进入该风叶并推动风叶旋转。
其中，盖板12采用一种抗晒、抗老化、韧性较强的材质制成，在本实施例中，该盖板12采用多层玻璃纤维和环氧树脂依次交叉层叠而成，优选的，该盖板12采用碳纤维制成。
参阅附图1，中轴杆13为一高强度，高韧性材质制成的杆体或者是管体，其从上端向下端半径逐渐变大，即上小下大的圆锥体状，该中轴杆13固定于盖板12上，其目的是为了增加该风叶的结构强度，能够承受更大的推力而不受损。其中，中轴杆13设置成上小下大的圆锥体状，是为了减轻该风叶在高速旋转时，旋转中心所需要承受的离心力，同时能够增加该中轴杆13的拉力强度。其中，中轴杆13与曲面板110的纵向对称线平行。
参阅附图3，支撑件14设有多根，其一端固定于中轴杆13，另外一端固定于曲面状板体111上，所述的支撑件14为一均匀固定的支撑杆，也可以是间隔固定安装的支撑板。支撑件14均匀排列固定连接于中轴杆13上。这些支撑件14的设置，是为了提高风叶的结构强度，提高其抗风强度，在风速较低时，增大受力面积，启动风叶旋转。
参阅附图3、附图5和附图6，连接件15包括一连接杆151和一安装板152，连接杆151固定连接于中轴杆13的末端，另外一端与安装板152固定连接。其中安装板152上对称设有多个安装孔1521。连接件15用于将曲面板110安装到一风电机组的旋转中心装置上。
参阅附图5，喷流孔16为设置在阻力部112上的多个通孔，该喷流孔16为椭圆形或圆形通孔。在本实施例中，喷流孔16两个为一组，并且均匀设有多组于阻力部112上。
参阅附图1和附图2，增速器2的旋转轴21上连接有一安装部22，该安装部22上设有多个可供风叶安装板152固定连接的安装座(附图中并未示出)。风叶组件1由至少一风叶组件11组成，风叶11在风力的作用下开始旋转，此时风叶组件1与增速器2连接，将带动增速器2转动。经过增速器2增速之后，由其动力输出轴将动力传递给风力发电机3。其中，在该实施例中，增速器2可将即时的风速进行2至16倍的提高，增速之后将动力传递给风力发电机3。
参阅附图1和附图2，安装架4包括：一安装台41，该安装台41上设有风力发电机3和增速器2的安装位；一支撑部42，该支撑部42可将风力发电机3的一侧转轴托起，使其可旋转的连接；一连接部43，连接部43固定于安装台41的底板上，并且连接部43可旋转的连接于一定位桩44。定位桩44可将安装架4固定于地面或其他风能发电位置。通过旋转连接部43与定位桩44之间的相对角度，从而调整风叶组件1的风叶面与水平面之间的角度，该角度称之为仰角，并且，风叶组件的所有风叶所在的平面经过调整之后与水平面形成一定的角度，待调整至合适角度之后，可将其固定下来。
参阅附图2，途中虚线图表示该高低风速兼容型风电机组经过调整之后的相对位置，L1为水平面水平线，L2为增速器2和风能发电机3相互之间连接轴的轴心线，L1和L2之间的最小角度为b，最小角度b的具体数值为5度；最大角度为L3所示的旋转状态，此时最大旋转角为L1和L3之间的夹角c，该夹角c为88度。
参阅附图8，在本实施例中以风叶组件1的风叶11的数目为4作为其中一种方式进行说明。现在以曲面板110的凹陷结构的最低点作为基点，四片风叶的凹陷结构的最低基点共同确定一平面17，通常状态下，该四片风叶11处于同一平面上，盖板12与四片风叶11共同确定的平面17之间的夹角a为0度。但是为了更好的利用低风速的风力，每片风叶11与四片风叶11最低基点确定的平面17呈一点的角度a，这里所述的角度a可称之为风叶角，该风叶角的范围为0度至60度。
在其他实施例中，曲面板110为一桃形或芭蕉叶形面板，也可以是一半圆柱形面板，也可以是半圆锥状面板。优选的，该曲面板110为一上部宽度较下部宽度要小的一弧形边缘的船帆状板。
以上述的四片风叶组成的风叶组件的高低风速兼容型风电机组为例，具体说明其工作原理：在具体的应用环境中，根据当时的地理环境和气候状态选择适当的风叶组件仰角和风叶角。此时当自然风正面吹向风叶组件时，左上、左下和右上方的区域内的风叶所受的风力是一种推动风叶组件转动的推力，由于每片风叶具有自身的空腔，并且在风叶的一侧设有阻力部和喷流孔。在较低风速时，一般为0.8m/s以下，少量的风力完全被带有腔室的风叶吸收转化为旋转动力；当风速较高，一般为超过12m/s时，此时风力较大，但是风叶的正面承受风力有限，此时在风叶组件旋转的每个时刻，正处于右下角区域内的风叶都会受到一个逆向阻力作用，其阻力作用面为风叶曲面板上的阻力部，并且，阻力部设置的喷流孔同时可进行风力的分流，通过实验实践，在合适的仰角和合适的风叶角时，当风速过高时，风叶由于自身结构的作用，自动实现风力推力和阻力的平衡，使其保持在一定的转速状态，此时，风叶组件并不会因为自然风力的增加而转速增加，一方面可以消除一般风电机组需要刹车或短路的要求，同时提高了风叶对风力的承受能力，提高了风叶的寿命，并能在高风速时，保证风电机组满负荷发电，高效利用风能资源。
需要说明的是，以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高低风速兼容型风电机组，其特征在于，包括：
一风叶组件，所述风叶组件包括一旋转轴，及至少一个与旋转轴联接的风叶；所述风叶包括，一曲面板，所述的曲面板中部形成一凹陷结构，所述的曲面板一侧设有一阻力部，与所述阻力部同侧的曲面板上设有多个喷流孔；一盖板，所述的盖板固定连接于所述的曲面板的边缘，并且所述的盖板与所述曲面板形成一入风口；以及一用于安装风叶的连接件；
一增速器，所述增速器的旋转轴与所述的风叶组件连接；
一风能发电机，所述的风能发电机受所述的增速器驱动发电；
一用于固定所述增速器和风能发电机的安装架。
2.如权利要求1所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的风叶组件包括的风叶数目为2至6。
3.如权利要求1所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的安装架包括：一安装台，所述的安装台上设有可供所述增速器和风能发电机固定的安装位；一连接部，所述的连接部固定于所述安装台的底板上；一定位桩，所述的定位桩可旋转的与所述的连接部连接。
4.如权利要求3所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的安装架具有一仰角调节机构，所述的仰角调节范围为15度至88度。
5.如权利要求1所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的风叶组件各片风叶的风叶角为15度至60度。
6.如权利要求1所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的增速器的增速倍数为2至16。
7.如权利要求1所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的风叶还包括一中轴杆，所述的中轴杆固定于所述的盖板上；以及支撑件，所述的支撑件一端固定于所述的中轴杆，另一端固定于所述的曲面板上。
8.如权利要求1所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的阻力部为一弧形面。
9.如权利要求7所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的中轴杆为一圆锥体状的杆体或管体。
10.如权利要求1所述的高低风速兼容型风电机组，其特征在于，所述的曲面板和所述盖板都是采用玻璃纤维和环氧树脂依次交替层叠而成的板状结构。
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