CN106300995A - 气流发生器电源和风力发电机 - Google Patents

Abstract

实施例的气流发生器电源向风力发电机的叶片上的多个气流发生器提供交流电压。所述电源具有频率转换器、多个变压器、以及开关。所述频率转换器产生交流电压。每个变压器将所述交流电压放大并且将经放大的电压施加到对应的气流发生器。所述开关将来自所述频率转换器的所述交流电压输出到选自于所述变压器的一个变压器。

Description

气流发生器电源和风力发电机

技术领域

本文所描述的实施例总体上涉及气流发生器电源和风力发电机。

背景技术

在风力发电机中，由于风力或风向的变化，发电效率有时恶化。此外，在风力发电机中，在发电时，噪声有时发生。研究了在叶片上具有气流发生器的风力发电机以抑制这样的发电效率的恶化和噪声的发生(见JP2008-025434)。气流发生器具有中间夹有电介质的一对电极，并且通过将交流电压施加到该对电极来产生等离子体气流。等离子体气流抑制风力发电机中发电效率的恶化和噪声的发生。

图13示出了常规风力发电机。风力发电机100在叶片110上具有多个气流发生器120。通常，风力发电机100具有气流发生器电源130，每个气流发生器电源130对应不同的气流发生器120。

气流发生器电源130具有频率转换器131和变压器132。频率转换器131将未示出的外部电源所输入的交流电压的频率转换为针对气流发生器120最佳的频率。变压器132将频率转换器131所输入的交流电压的电压值转换为针对气流发生器120最佳的电压值。

扩大叶片110可以提高风力发电机100的发电效率。然而，叶片110的扩大将增加气流发生器120的数量，导致增加气流发生器电源130的数量。风力发电机100需要使气流发生器电源130小型化，因为气流发生器电源130的安装位置和安装面积是受限的。

发明内容

本发明旨在解决的问题是提供易于被小型化的气流发生器电源。

实施例的气流发生器电源向风力发电机的叶片上的多个气流发生器提供交流电压。该实施例的气流发生器电源具有频率转换器、多个变压器、以及开关。频率转换器产生交流电压。每个变压器放大交流电压并且将经放大的电压施加到对应的气流发生器。开关将来自频率转换器的交流电压输出到选自于变压器的一个变压器。

根据该实施例，提供了易于被小型化的气流发生器电源。

附图说明

图1是示出第一实施例中的风力发电机的透视图；

图2是示出第一实施例中的气流发生器的截面图；

图3是示出第一实施例中的气流发生器电源的示意图；

图4是示出第一实施例中的频率转换器的示意图；

图5是示出用于安装第一实施例中的气流发生器电源的方法的示意图；

图6是示出第一实施例中的开关的时序图的示意图；

图7是示出施加到第一实施例中的气流发生器的交流电压的状态的示意图；

图8是示出第一实施例中的开关的时序图的另一个示例的示意图；

图9是示出第二实施例中的气流发生器电源的示意图；

图10是示出第二实施例中的开关的时序图的示意图；

图11是示出第三实施例中的气流发生器电源的示意图；

图12是示出第三实施例中的开关的时序图的示意图；并且

图13是示出常规风力发电机的示意图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1是示出风力发电机的透视图。图2是示出气流发生器的截面图。图3是示出气流发生器电源的示意图。图4是示出频率转换器的示意图。图5是示出用于安装气流发生器电源的方法的示意图。图6是示出开关的时序图的示意图。图7是示出施加到气流发生器的交流电压的状态的示意图。

如图1所示，风力发电机10具有安装在地面上的塔11。容纳有发电机的机舱12设置在塔11的顶部。用于测量风向或风速的风向风速仪13设置在机舱12的上部。

在机舱12的向风侧上提供转子14。转子14具有三个叶片15。叶片15由发电机的旋转轴121(图5)支撑，旋转轴121从机舱12突出。在叶片15的前沿中，从叶片尖端到叶片根部，提供三个气流发生器16。

如图2所示，气流发生器16具有第一电极161、与第一电极161分开设置的第二电极162、以及至少设置在其间的电介质163。电介质163的电介质材料适当地选自于已知的符合使用环境的固态形式的电介质材料等。通过向第一电极161和第二电极162施加交流电压，气流发生器16产生从第一电极161侧流向第二电极162侧的等离子气流。

如图3所示，气流发生器电源20具有频率转换器21、开关22、以及变压器23。

在风力发电机10中提供一个频率转换器21。将交流电压从设置在风力发电机10之外的外部电源输入到频率转换器21，频率转换器21将交流电压的频率调节为针对气流发生器16最佳的频率。通常，频率转换器21输出交流电压，该交流电压的频率高于外部电源所输入的交流电压的频率。频率转换器21所输出的交流电压的波形可以是脉冲波形(例如，正极性的、负极性的、具有正极性和负极性的双极性的)、正弦波形、或间歇的正弦波形，并且不具体限制波形。优选地，频率转换器21可以改变交流电压的频率以在任意时间输出。

如图4所示，频率转换器21将所输入的交流电压转换为较高频率的交流电压。例如，频率转换器21具有例如AC/DC转换器211和高频发生器212(逆变器)。

AC/DC转换器211将交流电压(AC)转换为直流电压(DC)。在AC/DC转换器中，通过未示出的二极管等，将交流电压(AC)转换为直流电压(DC)。

高频发生器212接收AC/DC转换器211所转换的直流电压并且输出交流电压，该交流电压的频率高于外部电源所输入的交流电压的频率。例如，通过对IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、FET(场效应晶体管)等的切换，产生交流电压。交流电压的频率通常优选地为约1至20kHz。

将每个变压器23提供给相对应的气流发生器16。更具体地，为叶片15a的气流发生器16a、16b、16c，提供变压器23a、23b、23c。类似地，为叶片15b的气流发生器16d、16e、16f，提供变压器23d、23e、23f，并且为叶片15c的气流发生器16g、16h、16i，提供变压器23g、23h、23i。

变压器23接收频率转换器21所产生的交流电压，并且输出交流电压，所输出的交流电压的电压值高于所输入的交流电压的电压值。所输出的交流电压的电压值通常优选地为几kV。

通过开关22将频率转换器21和变压器23进行连接。一个开关22在风力发电机10中被提供并且将频率转换器21所输入的交流电压输出到选自于变压器23中的特定变压器23。

例如，开关22具有开关元件，开关元件的数量与变压器23的数量相同，并且开关22单独地控制频率转换器21和独立的变压器23之间的连续性。这样的开关22可以对向单独的气流发生器16施加交流电压的时间和施加交流电压的周期进行调整，从而可以有效地驱动独立的气流发生器。例如，可以通过开关22中内置的控制器，控制开关元件。

如图5所示，例如，在鼻锥17中提供气流发生器电源20。例如，在风力发电机的旋转轴121的末端中，提供频率转换器21和开关22。例如，在叶片15的叶片根部侧上的末端表面中，提供变压器23。例如，叶片15具有变压器23，变压器23的数量与气流发生器16的数量相同。

通过连接感应线24来连接频率转换器21和开关22，以及连接开关22和变压器23。通过未示出的连接感应线，从设置在风力发电机10之外的外部电源向频率转换器21，提供交流电压。例如，通过诸如滑环等滑动型连接器，在旋转部分和非旋转部分之间传送交流电压(例如，在发电机的旋转轴121和风力发电机10的除了旋转轴121以外的部分之间)。

诸如风力发电机10的鼻锥17等旋转部分中的气流发生器电源20可以抑制向滑动型连接器施加具有高频率和高电压的交流电压。因此，平稳地向气流发生器16施加交流电压，并且还抑制了噪声的发生。

注意，例如，可以在鼻锥17之外，在叶片15之内或之外，提供气流发生器电源20。此外，优选地在诸如叶片15和鼻锥17等旋转部分中提供气流发生器电源20，但是可以在除了旋转部分以外的部分中提供除了变压器23以外的部件(即，频率转换器21和开关22)。当在旋转部分中提供变压器23时，不向滑动型连接器施加具有高电压的交流电压，从而平稳地向气流发生器16施加交流电压并且抑制噪声的发生。

图6是示出开关22的时序图的示意图。注意，开关元件SWa至SWi内置在开关22中，变压器23a连接到开关元件SWa，变压器23b连接到开关元件SWb，并且在下文中类似地，变压器23c至23i连接到开关元件SWc至SWi。

例如，使开关元件按SWa至SWi的顺序处于ON(导通)状态。在使开关元件SWi处于ON状态之后，再次使开关元件按SWa至SWi的顺序处于ON状态。作为如上文来切换与频率转换器21连续的变压器23的结果，通过一个频率转换器21向所有的变压器23输出交流电压。换句话说，通过一个频率转换器21向所有的气流发生器16施加交流电压。

图7示出了施加到气流发生器16的交流电压的状态。以脉冲方式周期性地向气流发生器16施加交流电压。实际施加交流电压的脉冲宽度(τ)与施加交流电压的周期(T)的比率(占空比，τ/T)为约1至5％。

因为占空比为约1％至5％，所以频率转换器21向独立的气流发生器16实际施加交流电压的时间为短的。在该情形下，切换与频率转换器21连续的变压器23可以使一个频率转换器21向所有的变压器23输出交流电压，从而向所有的气流发生器16施加交流电压。

优选地，向气流发生器16施加具有最佳频率(F)的交流电压。通过以下的公式(1)来获得最佳频率(F)。

F＝St×(2πn/60)×(Rn/Cn)……(1)

在该公式中，“St”表示斯特鲁哈尔数，“n”表示旋转数(rpm)，“Rn”表示代表性(representative)半径，并且“Cn”表示代表性弦长。代表性半径(Rn)是气流发生器16的代表性半径。代表性弦长(Cn)是代表性半径(Rn)下的叶片15的弦长。

如根据公式(1)显而易见的是，交流电压的频率(F)根据代表性半径(Rn)和代表性弦长(Cn)而变化。换句话说，交流电压的频率(F)根据气流发生器16的位置而变化，具体而言根据叶片15的纵向方向上的位置而变化。因此，优选地，频率转换器21改变交流电压的频率以随开关22的切换而及时输出，具体而言随着作为连续对象的气流发生器16的位置(叶片15的纵向方向上的位置)变化时的切换而及时输出。

例如，在图3所示中，当叶片15a的纵向方向上的最外侧的阶梯(step)被表示为第一阶梯时，第一阶梯的气流发生器16a、第二阶梯的气流发生器16b、第三阶梯的气流发生器16c在叶片15a的纵向方向上的位置不同。因此，如果按以上顺序施加交流电压，优选地改变频率转换器21产生的交流电压的频率。

类似地，在按顺序向叶片15b的第一阶梯的气流发生器16d、第二阶梯的气流发生器16e、第三阶梯的气流发生器16f施加交流电压的情况下，并且在按顺序向叶片15c的第一阶梯的气流发生器16g、第二阶梯的气流发生器16h、第三阶梯的气流发生器16i施加交流电压的情况下，优选地改变频率转换器21产生的交流电压的频率。

注意，使将施加到第一阶梯的气流发生器16a、16d、16g的交流电压的频率相同是可能的。这是因为代表性半径(Rn)和代表性弦长(Cn)通常相同。类似地，使将施加到第二阶梯的气流发生器16b、16e、16h的交流电压的频率相同是可能的，并且使将施加到第三阶梯的气流发生器16c、16f、16i的交流电压的频率相同是可能的。

可以同时向气流发生器16施加交流电压，气流发生器16的交流电压的频率可以与上文所描述的相同。例如，如图8所示，可以使对应于第一阶梯的气流发生器16a、16d、16g的开关元件SWa、SWd、SWg同时处于ON状态，并且随后，可以使对应于第二阶梯的气流发生器16b、16e、16h的开关元件SWb、SWe、SWh同时处于ON状态，并且此外，可以使对应于第三阶梯的气流发生器16c、16f、16i的开关元件SWc、SWf、SWi同时处于ON状态。

根据第一实施例的气流发生器电源20，因为通过一个频率转换器21向所有的气流发生器16施加交流电压，所以与常规技术中为每个气流发生器提供频率转换器的情况相比，减少了频率转换器21的数量。因此，气流发生器电源20被小型化。

注意，在第一实施例中，尽管描述了单元被重复的情况，在该单元中，使开关元件按SWa至SWi的顺序处于ON状态，但是可以在必要时改变重复的单元内的顺序。此外，可以采用两种或更多种单元作为重复的单元。通常，在重复的单元内，优选地使开关元件SWa至SWi处于ON状态至少一次。

(第二实施例)

接下来，将描述第二实施例中的风力发电机。

注意，第二实施例的风力发电机只在气流发生器电源的构造上不同于第一实施例的风力发电机，并且因此，将只描述气流发生器电源。

图9是示出第二实施例中的气流发生器电源的示意图。

在第二实施例中的气流发生器电源40中，为由叶片15中的纵向方向上的位置相等的气流发生器16所构成的每个组，提供变压器43。

更具体地，为第一阶梯的气流发生器16的组，即由叶片15a的气流发生器16a、叶片15b的气流发生器16d、叶片15c的气流发生器16g所构成的组，提供一个变压器43a。

类似地，为第二阶梯的气流发生器16的组，即由叶片15a的气流发生器16b、叶片15b的气流发生器16e、叶片15c的气流发生器16h所构成的组，提供一个变压器43b。此外，为第三阶梯的气流发生器16的组，即由叶片15a的气流发生器16c、叶片15b的气流发生器16f、叶片15c的气流发生器16i所构成的组，提供一个变压器43a。

为这三个变压器43，提供一个频率转换器41和一个开关42。例如，开关42内置有与变压器43具有相同数量的开关元件，并且开关42单独地控制频率转换器41和独立的变压器43之间的连续性。

图10是示出开关42的时序图的示意图。

注意，开关元件SWa至SWc内置在开关42中，变压器43a连接到开关元件SWa，变压器43b连接到开关元件SWb，并且变压器43c连接到开关元件SWc。

例如，使开关元件按SWa至SWc的顺序处于ON状态。在使开关元件SWc处于ON状态之后，再次使开关元件按SWa至SWc的顺序处于ON状态。因为如上文来切换与频率转换器41连续的变压器43，通过一个频率转换器41向所有的变压器43输出交流电压。换句话说，通过一个频率转换器41向所有的气流发生器16输出交流电压。

根据第二实施例的气流发生器电源40，因为为叶片15中的纵向方向上的位置相等的气流发生器16所构成的每个组，提供变压器43，所以与常规技术中为每个气流发生器提供变压器的情况相比，减少了变压器43的数量。因此，气流发生器电源40被小型化。

注意，在第二实施例中，尽管描述了单元被重复的情况，在该单元中，使开关元件按SWa至SWc的顺序处于ON状态，但是可以在必要时改变重复的单元内的顺序。此外，可以采用两种或更多种单元作为重复的单元。通常，在重复的单元内，优选地使开关元件SWa至SWc处于ON状态至少一次。

(第三实施例)

接下来，将描述第三实施例中的风力发电机。

注意，第三实施例的风力发电机只在气流发生器电源的构造上不同于第一实施例的风力发电机，并且因此，将只描述气流发生器电源。

图11是示出第三实施例中的气流发生器电源的示意图。

在第三实施例中的气流发生器电源50中，为每个气流发生器16，提供变压器53。此外，为每个叶片15，提供频率转换器51和开关52,。

更具体地，为叶片15a，提供一个频率转换器51a、一个开关52a、以及三个变压器53a、53b、53c。类似地，为叶片15b，提供一个频率转换器51b、一个开关52b、以及三个变压器53d、53e、53f，并且为叶片15c，提供一个频率转换器51c、一个开关52c、以及三个变压器53g、53h、53i。注意，不必要求将频率转换器51、开关52、以及变压器53设置在叶片本身上，并且可以将其设置在除了叶片以外的部分。

在独立的叶片15中，通过开关52将频率转换器51和三个变压器53进行连接。例如，开关52内置有与变压器53具有相同数量的开关元件，并且开关52单独地控制频率转换器51和独立的变压器53之间的连续性。

图12是示出开关52的时序图的示意图。

注意，开关元件SWa至SWc内置在开关52a中，并且连接到变压器53a至53c。开关元件SWd至SWf内置在开关52b中，并且连接到变压器53d、53e、53f。开关元件SWg、SWh、SWi内置在开关52c中，并且连接到变压器53g、53h、53i。

例如，使开关元件按SWa至SWc的顺序处于ON状态。在使开关元件SWc处于ON状态之后，再次使开关元件按SWa至SWc的顺序处于ON状态。类似地，例如，使开关元件按SWd至SWf的顺序处于ON状态，并且重复执行以上动作。例如，使开关元件按SWg至SWi的顺序处于ON状态，并且重复执行以上动作。

根据第三实施例的气流发生器电源50，因为为每个叶片15，提供频率转换器51，所以与常规技术中为每个气流发生器提供频率转换器的情况相比，减少了频率转换器51的数量。因此，气流发生器电源50被小型化。

注意，在第三实施例中，尽管描述了使开关元件按SWa至SWc的顺序处于ON状态的单元、使开关元件按SWd至SWf的顺序处于ON状态的单元、使开关元件按SWg至SWi的顺序处于ON状态的单元被重复的情况，但是可以在必要时改变重复的单元内的顺序，并且可以为开关单元SWa至SWc的组、开关单元SWd至SWf的组、以及开关单元SWg至SWi的组中的每个组，独立地改变重复的单元内的顺序。

此外，可以采用两种或更多种单元作为重复的单元。通常，在针对开关元件SWa至SWc的重复的单元内，优选地使开关元件SWa至SWc处于ON状态至少一次，在针对开关元件SWd至SWf的重复的单元内，优选地使开关元件SWd至SWf处于ON状态至少一次，并且在针对开关元件SWg至SWi的重复的单元内，优选地使开关元件SWg至SWi处于ON状态至少一次。

根据上文所描述的实施例中的至少其中之一，通过减少频率转换器或变压器的数量，可以使气流发生器电源小型化。

尽管已经描述了某些实施例，但是这些实施例只是通过示例的方式被呈现，并且不旨在限制本发明的范围。实际上，可以以各种其它形式来具体化本文所描述的新颖实施例；此外，可以在不脱离本发明的精神的情况下，在本文所描述的实施例的形式上做出省略、替代和变化。附属权利要求及其等同物旨在涵盖将落入本发明的范围和精神内的此类形式或修改。

Claims (16)

1.一种用于向风力发电机的叶片上的多个气流发生器提供交流电压的气流发生器电源，所述电源包括：

频率转换器，用于产生所述交流电压；

多个变压器，每个变压器将所述交流电压放大以将经放大的交流电压施加到所述气流发生器中的对应的气流发生器；以及

开关，用于将来自所述频率转换器的所述交流电压输出到选自于所述变压器中的一个变压器。

2.根据权利要求1所述的电源，其中，所述频率转换器、所述变压器、以及所述开关由所述风力发电机的旋转轴来支撑。

3.根据权利要求1所述的电源，所述风力发电机还包括：

第二叶片；以及

所述第二叶片上的多个第二气流发生器。

4.根据权利要求3所述的电源，其中，所述变压器中的每个变压器将所述经放大的交流电压施加到所述气流发生器中的所述对应的气流发生器和所述第二气流发生器中的对应的第二气流发生器。

5.根据权利要求3所述的电源，其中，所述气流发生器中的每个气流发生器和所述第二气流发生器中的不同的第二气流发生器构成气流发生器的不同的组，在所述不同的组中，气流发生器离所述旋转轴的距离彼此一致。

6.根据权利要求5所述的电源，其中，所述变压器中的每个变压器将所述经放大的交流电压施加到所述不同的组中的所述气流发生器。

7.根据权利要求3所述的电源，还包括：

多个第二变压器，每个第二变压器将所述交流电压放大以将经放大的交流电压施加到所述第二气流发生器中的对应的第二气流发生器，

其中，所述开关将来自所述频率转换器的所述交流电压输出到选自于所述变压器和所述第二变压器中的一个变压器。

8.根据权利要求3所述的电源，还包括：

第二频率转换器，用于产生所述交流电压；

多个第二变压器，每个第二变压器将来自所述第二频率转换器的所述交流电压放大以将经放大的交流电压施加到所述第二气流发生器中的对应的第二气流发生器；以及

第二开关，用于将来自所述第二频率转换器的所述交流电压输出到选自于所述第二变压器中的一个变压器。

9.一种风力发电机，包括：

具有旋转轴的发电机；

连接到所述旋转轴的叶片；

设置在所述叶片上的多个气流发生器，用于产生气流；

频率转换器，用于产生交流电压；

多个变压器，每个变压器将所述交流电压放大以将经放大的交流电压施加到所述气流发生器中的对应的气流发生器；以及

开关，用于将来自所述频率转换器的所述交流电压输出到选自于所述变压器中的一个变压器。

10.根据权利要求9所述的风力发电机，其中，所述频率转换器、所述变压器、以及所述开关由所述旋转轴来支撑。

11.根据权利要求9所述的风力发电机，还包括：

连接到所述旋转轴的第二叶片；以及

设置在所述第二叶片上的多个第二气流发生器。

12.根据权利要求11所述的风力发电机，其中，所述变压器将所述经放大的交流电压分别施加到所述气流发生器和所述第二气流发生器。

13.根据权利要求11所述的风力发电机，其中，所述气流发生器中的每个气流发生器和所述第二气流发生器中的不同的第二气流发生器构成气流发生器的不同的组，在所述不同的组中，气流发生器离所述旋转轴的距离彼此一致。

14.根据权利要求13所述的风力发电机，其中，所述变压器中的每个变压器将所述经放大的交流电压施加到所述不同的组中的所述气流发生器。

15.根据权利要求11所述的风力发电机，还包括：

多个第二变压器，每个第二变压器将所述交流电压放大以将经放大的交流电压施加到所述第二气流发生器中的对应的第二气流发生器，

其中，所述开关将来自所述频率转换器的所述交流电压输出到选自于所述变压器和所述第二变压器中的一个变压器。

16.根据权利要求11所述的风力发电机，还包括：

第二频率转换器，用于产生交流电压；

多个第二变压器，每个第二变压器将来自所述第二频率转换器的所述交流电压放大以将经放大的交流电压施加到所述第二气流发生器中的对应的第二气流发生器；以及

第二开关，用于将来自所述第二频率转换器的所述交流电压输出到选自于所述第二变压器中的一个变压器。