CN104712495B - 一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合 - Google Patents

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Abstract

一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，在发电机的前面装有一个小型的三片式风叶，可调节重量平衡与能量叠加，在发电机的后面装有多个大面积的弹性叶片，所以能够在较小风力时发电，弹性叶片是由拉筋、叶片膜和骨架结合而成的三角形稳定组合体，拉筋与水平轴固定；经向骨架与纬向弹性骨架交叉固定，又另外组成为一个新的三角形稳定整体，起到减轻材料重量和降低成本的作用，使得风叶总成本只有三叶式风叶1/4～1/6左右，弹性骨架能够随着风力的大小自动调节迎风的角度，不仅能够抵抗暴风，而且在强风时仍然可以发电。

Description

一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，即一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合。
背景技术
随着燃料能源的消耗与枯竭，风力发电机具有清洁、无污染等特点快速发展。风能是再生能源，然而成本则是风电发展的瓶颈。现有的风力发电机多为水平轴三叶式的风力发电机，这种风力发电机成熟可靠、转动速度快、成本相对低，所以被全世界普遍采用。目前水平轴风力发电机的叶片都做得很长，其目的为了提高发电机的输出功率，大功率的风机叶片的直径已经超过70米，塔体总体高度也随之超过百米，使得功率可以达到或超过MW的级别。但是这种结构设计并不完美，受运转状态、抗力矩方法和自身重量的约束等等，三片式风叶发电机存在的问题多，主要表现为叶片接受到的风能面积小、易折断和成本高等问题，表现如下：
(1)截获到的风能面积太小，这是因为三片式风叶的面积本身就小，当然接收到的风能面积也就小；大家都知道风能与空气的质量和风速的平方成正比，用公式表示为E＝1/2mv2，这里m是空气的质量(kg)，v是风速(m/s)，E为总风能；吹过风叶的空气质量m＝空气密度×面积×风速，在海平面高度和15℃时干空气密度为1.225千克/立方米，综合为风力发电机获得的最大能量＝1/2空气密度×面积×风速3(单位为瓦特)，所以风叶获得的功率与风叶的面积成正比，只有加大风叶的面积才能够获得更大的风能。
(2)由于叶片过长，容易造成变形破坏和易被折断的现象发生，这是因为风叶的长度越长，根部与端部的速度差就越大，其根部受到风力作用的弯曲力矩也越大，端部的颤抖作用也越严重；为了克服这些问题，人们需要增加材料的强度，这又使得重量加大；理论计算得出，风叶的长度每增加一倍，则风叶的重量和投资要增加7-8倍，而发电量却仅增加3-4倍左右(由实际宽度决定)，这如同树木那样，如果树木高了一倍，则树的直径也会增加一倍左右，不然就抵抗不了大风，树木的截面积就增加约4倍，那么整个树干的重量约增加7-8倍。
(3)叶片加长以后，塔架的高度必然随之增加，塔架所受到的力矩也增大，使得总体成本再次增加，另外过高的塔架和过长的叶片都不利于安装和运输。
(4)叶片任何部位都存在着扭矩力，这是因为叶片与风向有一定的角度所致，越靠近根部其扭矩力越大，扭矩的存在对材料强度的要求再次提高。
(5)刚性材料对于抵抗叶片的颤抖以及风暴的突然变化很差，实践证明相同的功率，弹性结构叶片的成本只有刚性结构叶片的1/2左右，但是弹性叶片存在着一系列难以解决的问题，例如叶片与塔架的碰撞问题，我在2010年申请的“全风能弹性风叶低成本发电机”专利，虽然解决了三叶式风叶投资大和成本高的问题，但是弹性风叶有时也会处在风向的前面，在风力的作用下弹性风叶会向后弯曲从而与塔架碰撞损坏，所以并无使用价值；合理的结构设计与创新是解决弹性叶片问题的关键。
综上所述，水平轴发电技术成熟，成本相对低廉，但风叶容易折断、三叶式风叶接收到的风能面积小、风轮漏风量大等缺点，使得投资大、成本高，生产、安装与运输都困难；另外在风速增至12-13m/s时开始弃风，一般到25m/s左右则风机将停机，然而这却是风能最大的时候，使得发电率和平均小时利用率都大幅度降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，克服弹性风叶有时会与塔架碰撞而损坏的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括塔架、发电机、可转动立轴、水平支架，水平轴、机前三片式风叶、弹性风叶等组成整体发电机。其特征在于弹性风叶是由多个叶片组成，目的是增加风能的做功面积，相同的面积可以使叶片的长度缩短。
所述的机前三片式风叶安装在发电机的前面，其体积较小，起着重量平衡与能量叠加的作用，还能够自动迎风的，当然如果不设机前三片式风叶同样可以达到降低成本的目的。
所述的弹性叶片是由叶片膜、经向骨架、纬向弹性骨架和拉筋组成，其特征在于经向骨架、纬向弹性骨架交叉固定组成为一个稳定的整体，从而减少旋转受力的力矩，弹性叶片安装在发电机的后面。
所述的弹性风叶整体与水平轴固定在一起，水平轴与发电机连接，同时被轴承座固定在水平支架上面。
所述的经向骨架固定在轴环上，轴环与水平轴固定为一体，经向骨架可以是弹性材料也可以是刚性材料，或者其根部为刚性端部为弹性的组合体。
所述的拉筋可以是柔性材料，也可以是刚性材料，每个叶片都有数量一定的拉筋，每个拉筋的一端固定在水平轴上，另一端与径向骨架固定，同时组成相互牵拉的三角形体系，该三角形的平面与水平轴平行，以增加抗风暴的能力；能够抗风暴的原因其一是稳定的三角形结构能够提高强度；其二是弹性骨架本身就具有抗风暴的能力，根据美国专家计算得出，在相同面积时，弹性叶片的成本只有刚性的1/2，因为弹性的稍微变形就可以化解暴风的弯折力和冲击力，起到减轻材料重量和降低成本的作用。
所述的三角形结构能够消除了叶片扭矩破坏力的原因是：改变了受力状态，把对风叶的整体扭矩分解若干个小的拉力和压力，同时压力全部被拉力抵消，这样就成为了单纯较小的拉力，这种拉力又被拉筋得以保护，所以大幅度降低了成本；同时叶片可以做的比较宽，以提高所接受到的风能面积，达到在较小风力状况时发电的目的；在相同风叶面积的情况下，风叶的长度缩短一倍，成本可以减少40％-50％，再次降低了成本；所述叶片拉筋分为前拉筋和后拉筋，如图所示，8-1和8-2是叶片前拉筋，可增加强度，8-3是叶片后拉筋，以防止弹性风叶与塔架碰撞；每个叶片分别设置数个前拉筋(8-1、8-2)和后拉筋(8-3)，叶片前拉筋(8-1、8-2)的一端固定在发电机与叶片之间的水平轴上，另一端固定在经向叶片骨架上面；叶片后拉筋(8-3)的一端固定在水平轴伸出叶片之外的顶端，另一端同样与经向叶片骨架固定，叶片前拉筋(8-1、8-2)与叶片后拉筋(8-3)在经向叶片骨架(9)上的位置不得重合；
所述的叶片与风向的夹角自动调整，就像枝条那样会根据风力的大小自动调整与风向的角度，直到到合适的角度为止，进一步减小风力的破坏作用。当风力增大时，骨架以及叶片的结合体，在风力作用下使得与风向的角度变小，接收风能的面积也相对减小，这样就不易被大风折断，发电机的塔架也减小了风力作用，不仅大幅度节省了材料成本，而且在暴风时仍然能够发电。
所述的纬向弹性骨架固定在与之相邻的2根经向骨架之间，组成了新的与水平轴垂直的互相稳定的三角形骨架结构。
综上所述，在发电机的前面装有一个小型的三片式风叶，可调节重量平衡与能量叠加，在发电机的后面装有多个大面积的弹性叶片，所以能够在较小风力时发电，弹性叶片是由拉筋、叶片膜和骨架结合而成的三角形稳定组合体，拉筋与水平轴固定；经向骨架与纬向弹性骨架交叉固定，又另外组成为一个新的三角形稳定整体，起到减轻材料重量和降低成本的作用，使得风叶总成本只有三叶式风叶1/4～1/6左右，弹性骨架能够随着风力的大小自动调节迎风的角度，不仅能够抵抗暴风，而且在强风时仍然可以发电。强度的提高有望制成大于5MW的世界最大的风力发电机。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合的正面结构图。
图2是本发明的单片风叶平面结构。
图3是图1的A-A剖面；反映了本发明的弹性风叶整体平面结构。
图4是本发明的弹性风叶整体侧面结构。
图中1.塔架，2.可转动立轴，3.水平支架，4.机前三片式风叶，5.发电机，6.水平轴，7.轴承座，8.叶片拉筋，9.经向叶片骨架，10-1是外层纬向叶片骨架，10-2是内层纬向叶片骨架，11.叶片膜，12.轴环。
具体实施方式
在图1中，发电机(5)与可转动立轴(2)以及轴环(12)固定为一体，在发电机的前面装有一个小型的机前三片式风叶(4)；在发电机的后面装有大面积的弹性叶片，这种叶片与风叶拉筋(8)、经向叶片骨架(9)和纬向叶片骨架(10)组成完整的风叶。
运行时，在风力的作用下与风向呈一定角度的大面积叶片(8)受风力的作用会带动水平轴(5)转动而做功，达到发电的目的；当风向与风叶不一致时，大面积风叶在风力的作用下会向下风方向移动调整，在风力杠杆作用下迫使可转动立轴(2)转动，弹性风叶到合适的下风位置停留。
由于风叶的成本低，所以风叶的面积可以增大，在微风时更能够容易发电。
当风力增大时，经向叶片骨架(9)和纬向叶片骨架(10)以及叶片(11)的结合体在风力作用下迫使与风向的角度变小，接收风能的面积也相对减小了，当然风力对塔架以及风叶的破坏作用就减弱，可以在暴风时继续发电。

Claims (1)

1.一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，其特征包括如下：
a.塔架(1)、发电机(5)、可转动立轴(2)、水平支架(3)，水平轴(6)、机前三片式风叶(4)、弹性风叶组成整体发电机(5)，其特征在于弹性风叶是由多个叶片组成；
b.三片式风叶(4)安装在发电机(5)的前面；
c.弹性风叶是由叶片膜(11)、经向骨架(9)、纬向弹性骨架(10)和拉筋组成，其特征在于：经向骨架(9)、纬向弹性骨架(10)交叉固定组成为一个稳定的整体，从而减少旋转受力的力矩，弹性叶片安装在发电机(5)的后面；
d.经向骨架(9)固定在轴环(12)上，轴环(12)与水平轴(6)固定为一体；经向骨架(9)可以是弹性材料也可以是刚性材料，或者其根部为刚性端部为弹性的组合体；
e.叶片拉筋(8)分为前拉筋(8-1、8-2)和后拉筋(8-3)，叶片前拉筋可增加强度，叶片后拉筋以防止弹性风叶与塔架碰撞；每个叶片分别设置数个前拉筋(8-1、8-2)和后拉筋(8-3)，叶片前拉筋(8-1、8-2)的一端固定在发电机(5)与叶片之间的水平轴上，另一端固定在经向叶片骨架(9)上面；叶片后拉筋(8-3)的一端固定在水平轴伸出叶片之外的顶端，另一端同样与经向叶片骨架(9)固定，叶片前拉筋(8-1、8-2)与叶片后拉筋(8-3)在经向叶片骨架(9)上的位置不得重合；
f.弹性风叶整体与水平轴(6)固定在一起，水平轴(6)与发电机(5)连接，同时被轴承座(7)固定在水平支架(3)上面。
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