CN105587461A - 气流发生装置以及风力发电系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种气流发生装置，其能够抑制滑环的极数的增加、并且能有效地避免发生由滑环导致的噪声所带来的故障。一种实施方式的气流发生装置具有主体、转速检测单元、和电压施加单元。主体具有设置到由电介质制成的基体的第一电极和第二电极，且布置在旋转体上。转速检测单元检测旋转体的转速。电压施加单元通过基于转速检测单元检测到的转速在第一电极和第二电极之间施加电压而产生气流。这里，所述电压施加单元和转速检测单元布置在旋转体中。

Description

气流发生装置以及风力发电系统
技术领域
本文说明的实施方式主要涉及一种气流发生装置以及风力发电系统。
背景技术
风力发电系统利用作为可再生能源的风能量来进行发电。在风力发电系统中，当风速和风向急剧变动时，风力机叶片周围的速度三角形从旋转点大幅偏离，从而有时在大范围内产生分离流。当风速和风向急剧变动时，不容易通过调整偏航角(yawangle)或者浆距角(pitchangle)对这种变动作出充分响应。因此，在风力发电系统中，可能存在这样的情况：有时难以稳定地维持发电输出，且不易提高效率。特别，在具有山地气候的区域例如日本，风速和风向急剧变动，使得不能稳定地维持发电输出，且不易提高效率。除此之外，当风力发电系统安装在靠近私人住宅或类似地方时，产生的噪声有时会成为一个问题。
作为其对策，已经提出了采用气流发生装置以在风力机叶片的表面产生气流。该气流发生装置具有主体，一对电极通过电介质布置到所述主体，且该主体布置在风力机叶片的表面上。进一步地，当电压施加单元(放电电源)在所述一对电极之间施加电压产生等离子体时，气流发生装置产生气流。例如，脉冲调制频率设置成与转速检测单元(转速传感器)检测到的风力机叶片的转速一致，在所述一对电极之间施加由所设置的脉冲调制频率进行脉冲调制的高频电压。通过使用上述的气流发生装置产生气流，能控制风力机叶片表面上的流体的流动，从而抑制分离流的产生。由此，风力机叶片的升力(lift)增加，不仅能实现稳定的发电，且能提高发电效率。而且，能够抑制噪声的产生。
在风力发电系统中，例如通过滑环从固定体开始在旋转体上施加电压。
在风力发电系统中，电压施加单元(放电电源)安装在旋转体如风力机叶片上，以致考虑到效率和安全性不会通过滑环向气流发生装置的主体施加高电压。这样，由布置在例如为机舱的固定体上的转速检测单元(转速传感器)检测到的转速的数据通过滑环传送给布置在旋转体上的电压施加单元。因此，由于滑环引起的噪音，有时会发生故障。进一步地，由于滑环的极数的增加，会出现难于将气流发生装置尤其布置在现有的风力发电系统中的情形。
因而，本发明要解决的问题为提供一种能够抑制滑环极数的增加、且能有效避免发生由滑环产生的噪音所带来的故障的气流发生装置、以及风力发电系统。
附图说明
图1为示意性示出根据一个实施方式的风力发电系统的整体构造的透视图。
图2为示意性示出在根据该实施方式的风力发电系统中的气流发生装置的视图。
图3为示意性示出在根据该实施方式的风力发电系统中的气流发生装置的视图。
图4为示出气流发生装置的组成部件布置在根据该实施方式的风力发电系统中的视图。
图5示出了由根据该实施方式的风力发电系统的气流发生装置中的电压施加单元所施加的电压的波形。
图6为示出当构成转速检测单元的加速度传感器检测根据该实施方式的风力发电系统的气流发生装置中的加速度时的数据的视图。
图7为示意性示出该实施方式的变型例中的电压施加单元和转速检测单元的基本部件的方框图。
具体实施方式
本实施方式的气流发生装置包括主体、转速检测单元、和电压施加单元。所述主体具有设置到由电介质制成的基体的第一电极和第二电极，且布置在旋转体上。所述转速检测单元检测所述旋转体的转速。所述电压施加单元通过基于所述转速检测单元检测到的转速在所述第一电极和第二电极之间施加电压来产生气流。这里，所述电压施加单元和转速检测单元布置在所述旋转体中。
参照附图描述实施方式。
【风力发电系统1的构造】
图1为示意性示出根据一个实施方式的风力发电系统的整体构造的透视图。
如图1所示，风力发电系统1例如为上风型推进装置(up-windtypepropeller)风力机，且包括塔架2、机舱3、转子4、以及风向风速仪单元5。
在风力发电系统1中，塔架2沿着竖直方向延伸，其下端部被固定到嵌入地中的基部(省略其图示)。
在风力发电系统1中，所述机舱3设置在塔架2的上端部处。为了调整偏航角，所述机舱3被支撑成在塔架2的上端部处能够绕竖直方向上的轴线进行旋转。虽然省略了图示，但所述机舱3的内部容纳了增速器和发电机。
在风力发电系统1中，所述转子4被支撑成在机舱3的一个侧端部可旋转，并且例如以水平方向为旋转轴在旋转方向R上进行旋转。所述转子4连接到容纳在机舱3内部的增速器的旋转轴上，且通过该增速器驱动发电机以进行发电。这里，所述转子4包括轮毂41和多个风力机叶片42(叶片)。
在所述转子4中，轮毂41包括外形为半椭球体形的顶盖，该顶盖形成为具有从迎风侧朝向背风侧在水平方向变大的外周面的外径。
在所述转子4中，多个风力机叶片42分别绕着轮毂41在径向上延伸，且分别布置成在旋转方向R上以相等的间隔设置。例如，设置有3个风力机叶片42，每个风力机叶片42的一端被支撑成在轮毂41上可旋转，以调整浆距角。
进一步地，如图1所示，在所述多个风力机叶片42的每个中，将在下文描述的气流发生装置6的多个主体61布置成在叶片横跨方向上并排设置。下文将描述气流发生装置6的细节。
在风力发电系统1中，所述风向风速仪单元5在风力机叶片42的下风侧处附接到机舱3的上表面。所述风向风速仪单元5进行有关风速和风向的测量，并将通过测量获得的数据输出到控制单元(省略其图示)。这里，所述控制单元构造成使运算单元使用存储在存储器中的程序进行运算处理，并且根据上述输入的测量数据进行偏航角和浆距角的调整。
【气流发生装置6的构造】
图2和图3均为示意性示出根据该实施方式的风力发电系统1中的气流发生装置6的视图。图2示出了气流发生装置6的主体61的横截面。并且，图3示出了气流发生装置6的主体61的上表面。图2示出了图3中X-X部分的横截面。进一步地，在图3中用虚线表示除形成主体61的部件之外布置在其内部的部件的轮廓。
并且，图4为示出这样情形的示意图，即气流发生装置6的组成部件布置在根据该实施方式的风力发电系统1中。图4示出所述转子4(参照图1)的侧面的主要部分。而且，在图4中用虚线表示布置在内部的部件的轮廓。
如图2、图3和图4所示，所述气流发生装置6包括所述主体61、电压施加单元62、和转速检测单元64。
将依次描述形成所述气流发生装置6的各个部分。
(主体61)
如图2和图3所示，所述气流发生装置6中的主体61包括基体611、第一电极621、以及第二电极622。
在所述主体61中，所述基体611由绝缘材料(电介质)形成。例如，所述基体611采用树脂形成并且是柔性的，所述树脂例如为硅树脂(硅橡胶)、聚酰亚胺树脂、环氧树脂或碳氟树脂。
在所述主体61中，所述第一电极621为板状体，且由导电材料例如金属材料制成。如图2所示，作为布置在所述基体611的前表面(上表面)上的前表面电极的所述第一电极621如图3所示的那样线性延伸。
在所述主体61中，类似于所述第一电极621，所述第二电极622为板状体，且由导电材料例如金属材料制成。如图2所示，作为内部电极的第二电极622不同于所述第一电极621，且布置在所述基体611的内部。如图3所示，所述第二电极622沿着与所述第一电极621延伸的延伸方向(第一方向，纵向)相同的方向(图3中的竖直方向)线性地延伸。这里，所述第二电极622在与所述第一电极621的延伸方向(第一方向)正交的方向(第二方向)(图3中的水平方向)上与所述第一电极621并排布置。
通过各种类型的工艺，如压力加工和挤压成型加工，来制造所述主体61。
如图4所示，所述主体61布置在作为旋转体的风力机叶片42上。这里，所述主体61粘结至所述风力机叶片42，使得其定位在设置有第一电极621的前表面(上表面)的相反侧(参照图2)的表面(下表面)紧贴到所述风力机叶片42的表面。例如，所述主体61布置在风力机叶片42中在叶片背侧(上表面)上的表面的前缘侧的一部分上，从而所述第一电极621和第二电极622从前缘向后缘相继地排列。进一步地，所述主体61布置成所述第一电极621和第二电极622的延伸方向(第一方向)沿着叶片横跨(叶片宽度)方向。
(电压施加单元62)
如图2和图3所示，在所述气流发生装置6中，所述电压施加单元62(放电电源)通过连接部C10电连接至所述主体61。这里，所述连接部C10包括一对连接线C11、C12，并电连接在所述第一电极621和电压施加单元62之间以及所述第二电极622和电压施加单元62之间。具体地，在所述连接部C10中，一根连接线C11的一端电连接至所述第一电极621，另一端电连接至所述电压施加单元62。而且，在所述连接部C10中，另一根连接线C12的一端电连接至所述第二电极622，另一端电连接至所述电压施加单元62。
如图4所示，所述电压施加单元62布置在作为旋转体的风力机叶片42中。在本实施方式中，所述电压施加单元62布置在所述风力机叶片42的内部，例如布置在叶片根部侧的一部分处。虽然省略了图示，但是布置有多个电压施加单元62，使得所述单元的每个给布置在一个风力机叶片42上的所述多个主体61中的每个独立地施加电压(参照图1和图4)。请注意，优选的是，所述多个电压施加单元62布置成使得设置在所述多个风力机叶片42的每个上的所述多个电压施加单元62作为整体的重心与所述转子4的旋转轴线重合(参照图1)。
所述电压施加单元62通过连接部C10在设置到所述主体61的所述第一电极621和第二电极622之间施加电压。在该实施方式中，所述电压施加单元62基于由所述转速检测单元64检测到的转速施加电压。
具体地，从固定体例如机舱3的一侧经由滑环向所述电压施加单元62施加直流电压，该直流电压通过AC/DC转换器从商业频率的交流电压转换而来。进一步地，在所述电压施加单元62中，高频发电机(变换器)从直流电压产生高频交流电压(比如1-20kHz)，然后通过变压器增压高频交流电压(例如至几千伏)
进一步地，在所述电压施加单元62中，被增压的高频交流电压通过脉冲调制器采用低频脉冲调制波被脉冲调制。这里，在所述电压施加单元62中，运算单元首先基于所述转速检测单元64检测到的转速n(rpm)设置脉冲调制波的脉冲调制频率F。
具体地，不仅采用所述转速检测单元64检测到的转速n(rpm)，也采用预先设置的施特鲁哈尔数St(Strouhalnumber)、风力机叶片42的弦长Cn(m)(chordlength)以及风力机叶片42的旋转半径Rn(radiusofrotation)，通过执行如下述表达式(A)表示的算法处理来设置所述脉冲调制频率F。这里，在所述表达式(A)中，Cn设置为表示所述风力机叶片42中所述多个主体61的每个的中心(所述第一电极621和第二电极622延伸方向上的中心)位于其上的一部分的弦长，Rn设置为表示所述多个主体61的每个在所述风力机叶片42的横跨方向上的中心和旋转轴线AX(旋转中心)之间的距离，并且对所述多个主体61的每个进行脉冲调制频率F的设置。
F＝(2πn/60)×St×Cn×Rn···(A)
而且，高频交流电压通过使用所述设置的脉冲调制频率F的脉冲调制波被脉冲调制。此后，所述电压施加单元62在所述第一电极621和第二电极622之间施加脉冲调制的高频交流电压。
图5示出了电压施加单元62在根据该实施方式的风力发电系统1的气流发生装置6中所施加的电压的波形。在图5中，水平轴表示时间，竖直轴表示电压的值。
如图5所示，所述电压施加单元62以预先设置的频率(基频)在所述第一电极621和第二电极622之间施加高频电压(交流电压)。所述高频电压被频率小于高频电压的频率的脉冲调制波(省略其图示)脉冲调制，且在该脉冲调制波的每个周期(T1,T2,···＝1/F)内被施加。
具体地，在第一周期T1，从第一时间点t1开始施加电压。进一步地，在从所述第一时间点t1至第二时间点t2的时间t12(第一工作时间)期间，以预先设置的频率(基频)施加电压，这产生气流。特别地，根据时间以周期性的方式重复地施加其极性变成正极和负极的电压。此后，在从所述第二时间点t2至第三时间点t3的时间t23(第一非工作时间)期间，停止电压的施加，从而停止产生气流(T1＝t12+t23)。
进一步地，在第二周期T2(＝T1)，以类似于所述第一周期T1的情形的方式施加高频电压。特别地，电压的施加在所述第三时间点t3开始。并且，在从所述第三时间点t3至第四时间点t4的时间t34(第二工作时间)期间，通过类似于所述第一周期T1的方式以预先设置的频率(基频)施加高频电压，从而产生气流。在第二周期T2(第二工作时间)中其间产生气流的时间t34与在第一周期T1(第一工作时间)中其间产生气流的时间t12相同。此后，在从所述第四时间点t4至第五时间点t5的时间t45(第二非工作时间)期间，停止高频电压的施加，从而停止产生气流(T2＝t34+t45)。
虽然省略了图示，但是在第二周期T2之后的周期内(第三周期或此后的周期)，以类似于所述第一周期T1和第二周期T2的情形的方式施加电压。
在所述主体61的前表面(上表面)上，通过施加电压，由于阻挡放电(barrierdischarge)产生等离子体，并且诱导出气流(等离子体诱导流)。气流被引导成从第一电极621侧向第二电极622侧流动，从而抑制分离流的产生。
(转速检测单元64)
如图2和图3所示，在所述气流发生装置6中，转速检测单元64(转速传感器)经由包括信号线的连接部C20电连接至所述电压施加单元62。虽然省略了图示，但是所述转速检测单元64电连接至布置成与位于一个风力机叶片42上的所述多个主体61的每个相应的所述多个电压施加单元62的每个(参照图1和图4)。进一步地，将电力例如从所述电压施加单元62供应给所述转速检测单元64。
如图4所示，所述转速检测单元64布置在作为旋转体的风力机叶片42中。在本实施方式中，以类似于所述电压施加单元62的方式，所述转速检测单元64布置在所述风力机叶片42的内部，例如布置在叶片根部侧的一部分处。
所述转速检测单元64检测包括风力机叶片42的转子4的转速，并通过所述连接部C20将检测到的转速的数据信号实时地传输给所述电压施加单元62。
在本实施方式中，所述转速检测单元64包括例如采用半导体形成的加速度传感器。在所述转速检测单元64中，加速度传感器检测沿着竖直方向的轴线上的加速度。进一步地，当运算单元执行关于由所述加速度传感器检测的加速度的算法处理时，所述转速检测单元64确定所述转子4的转速。所述加速度传感器的尺寸较小，因而容易布置。
图6为示出当形成所述转速检测单元64的加速度传感器在根据该实施方式的风力发电系统1的气流发生装置6中检测加速度时的数据的视图。在图6中，水平轴表示时间t，竖直轴表示加速度a。图6示出了转子4旋转一圈的情形。
如图6所示，当所述转子4旋转一圈时，加速度依照时间t变化以画出一条正弦曲线。因而，当所述转子4旋转一圈(即一个周期)时，能够通过转化确定从时间T10开始的每单位时间的转速(rpm)。
【运行和效果】
如上所述，在本实施方式中，所述电压施加单元62(放电电源)布置在作为旋转体的风力机叶片42中。除此之外，所述转速检测单元64布置在作为旋转体的风力机叶片42中。因此，在本实施方式中，由布置在旋转体中的所述转速检测单元64检测到的转速的数据在没有滑环干预的情形下传输给布置在旋转体中的所述电压施加单元62。
因此，在本实施方式中，能够避免发生由滑环导致的噪声所带来的故障。进一步地，在本实施方式中，能够防止滑环的极数的增加。由此，容易将气流发生装置6布置在现有的风力发电系统1中。
【变形例】
虽然上述实施方式描述了所述电压施加单元62(放电电源)和转速检测单元64均布置在所述转子4的风力机叶片42中的情形，但本发明并不限于此。例如，可将这些单元布置在所述转子4的轮毂41中。
虽然上述实施方式描述了直流电压从所述固定体经由滑环提供给所述电压施加单元62的情形，但本发明并不限于此。也能构造通过无线电源向所述电压施加单元62提供直流电压。
虽然上述实施方式描述了所述转速检测单元64通过使用加速度传感器检测转速的情形，但本发明并不限于此。例如，也能将所述转速检测单元64构造成通过使用光纤传感器检测转速。具体地，也能基于穿过光纤传感器的光由旋转引起的特性变化而检测转速。也能将所述转速检测单元64构造成通过除了上述之外的各种方法检测转速。
在上述实施方式中，所述转速检测单元64以类似于所述电压施加单元62的方式在叶片根部侧的一部分处布置在所述风力机叶片42的内部。进一步地，在上述实施方式中，所述转速检测单元64检测所述包括风力机叶片42的转子4的转速，并通过所述连接部C20将检测到的转速的数据信号实时地传输给所述电压施加单元62。但是，本发明的构造并不限于这样的构造。
图7为示意性示出该实施方式的变形例中的电压施加单元62和转速检测单元64的基本部件的方框图。
如图7所示，也能这样构造，电压施加单元62(放电电源)包括壳体620，例如为高频发电机621的组成部件容纳在壳体620内部，不是所述电压施加单元62的组成部件的转速检测单元64也容纳在壳体620内部。在所述电压施加单元62的组成部件中，变压器622可能为噪声源，因而优选将其布置在壳体620外部的一位置处。进一步地，所述电压施加单元62的壳体620优选用金属构成。这能够防止当连接部C20从转速检测单元64向电压施加单元62传送信号并同时接收电噪声时引起的信号的改变。
而且，在上述实施方式中，所述连接部C20用于从所述转速检测单元64向所述电压施加单元62传送信号，但是本发明并不限于此。也能构造成以无线的方式在所述转速检测单元64和所述电压施加单元62之间发送和接收信号。具体地，也能这样构造，上述信号的传送以无线的方式的进行。这能够防止当所述连接部C20从转速检测单元64向电压施加单元62传送信号并同时接收电噪声时引起的信号的改变。
根据上述的至少一个实施方式，通过将所电压施加单元和转速检测单元布置在旋转体中，能够抑制滑环的极数的增加，并且能有效地避免发生由滑环导致的噪声所带来的故障。
虽然描述了本发明的特定实施方式，但是这些实施方式仅是作为例子提出的，并非意图限制发明的范围。其实，本文所描述的这些新颖的实施方式能够以其它的各种方式来实施；而且在不脱离本发明的精神的前提下能进行本文所描述的实施方式形式的各种省略、替换和变型。所附权利要求书和其等效形式用来涵盖落入本发明的范围和精神中的各种形态和变型。

Claims (7)

1.一种气流发生装置，包括：
主体，所述主体具有由电介质形成的基体、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设置到所述基体，所述主体布置在旋转体上；
用于检测所述旋转体的转速的转速检测单元；和
电压施加单元，所述电压施加单元通过基于所述转速检测单元检测到的转速在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压以产生气流，
其中，所述电压施加单元和所述转速检测单元布置在所述旋转体中。
2.根据权利要求1所述的气流发生装置，
其特征在于，所述转速检测单元具有加速度传感器。
3.根据权利要求1或2所述的气流发生装置，
其特征在于，所述电压施加单元在所述第一电极和所述第二电极之间施加通过脉冲调制频率调制的脉冲调制电压，所述脉冲调制频率是根据所述转速检测单元检测到的转速设置的。
4.根据权利要求1或2所述的气流发生装置，
其特征在于，
所述旋转体具有风力机叶片，以及
所述风力机叶片设有所述主体、所述转速检测单元、和所述电压施加单元中的每个。
5.根据权利要求1所述的气流发生装置，
其特征在于，所述转速检测单元布置在形成所述电压施加单元的壳体的内部。
6.根据权利要求1所述的气流发生装置，
其特征在于，以无线的方式在所述转速检测单元和所述电压施加单元之间发送和接收信号。
7.一种风力发电系统，包括：
风力机叶片布置到其上的旋转体、以及用于在所述风力机叶片的表面产生气流的气流发生装置，
其中，所述气流发生装置具有：
主体，所述主体具有由绝缘材料形成的基体、第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极设置到所述基体，所述主体布置在所述风力机叶片的表面；
用于检测所述旋转体的转速的转速检测单元；和
电压施加单元，所述电压施加单元通过基于所述转速检测单元检测到的转速在所述第一电极和所述第二电极之间施加电压以产生气流，
其中，所述电压施加单元和所述转速检测单元布置在所述旋转体中。
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