CN106382185A - 一种可伸缩型风机风轮或叶片及风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明通过使用可伸缩风机风轮或叶片，使得风力发电机在台风到来时，可以不用停机，继续工作。同时，在发电量一定的条件下，可以降低塔筒的高度，从而降低成本；或在塔筒的高度相同的条件下，可以提高发电效率。

Description

一种可伸缩型风机风轮或叶片及风力发电机
技术领域
本发明属于风能利用技术领域，尤其是适用于风力机械及风力发电技术领域。
背景技术
美国国家可再生能源实验室和桑迪亚国家实验室的研究团队(sandia nationallaboratories)于近日研发出一种的被称为“分段超轻变形风轮”(Segmented UltralightMorphing Rotor，SUMR)的可折叠，模块化风电机组叶轮，超级巨大的叶片超过200米长，应用这种设计的风电机组能够被用于恶劣天气条件下设备能够实现自我保护功能，也可以应用于海上的大型发电风机轮组。这种叶片按照下风向进行安装，而应用这种设计的叶片能够在实现最大叶片长度的同时实现轻量化，分段的设计能够在现场即可进行安装。当折叠式叶片达到最大长度时，在海面的强大风力吹动下可以发出高达50兆瓦(MW)的功率峰值。如果采用传统配置方案，这样的长叶片将会出乎意料的沉重，安装时机也会因为恶劣的天气条件而拖延。但在全新的分段结构设计下，超长叶片也可以达到超轻的结构质量且设计制作成本也将会有所降低。安装了分段超轻变形风轮的风电机组可以减少安装使用数量，以此大大降低安装和维护成本。这个设计项目得到了美国能源高级研究计划局、美国能源部的全力资助。
目前最新的美国风力发电机所产生的电力在一到两兆瓦的范围内，叶片长约50米，最大的也不过80米，而此次最新研制的“分段超轻变形风轮”风电机组的叶片长达200米，且是安装在下风向，而不是像配置有转子的传统风电机组叶片安装在上风向，新式叶片在危险的天气条件下可以折叠起来，特别是在遭受强风时能够顺风变形弯曲，在飓风中能够自动全部收起，将影响因素降至最低。同时应用这种设计的叶片使用了当前最优质的材料与先进技术，能够在实现最大叶片长度的同时实现轻量化，拥有应对恶劣天气的适应性设计。而传统的风电机组采用超长叶片设计的话根本无法承受来自海面上巨大风力的强度而面临被摧毁危险。
每年在全球各地都会发生严重的强降雨风暴、飓风风险，在美国海面上，恶劣天气更是常常伴有巨大的狂风巨浪。新研制成功的分段超轻变形风轮风电机组的叶片能够及时减少和躲避风力的摧残，使新设备面对超过每小时322公里的极大风速袭击时能够纹丝不动，巍然屹立，而一旦风速减慢，叶片就会正常伸展，最大限度地保护设备、节约能源、提高工作效率。现在，科研团队已经获得了来自美国能源局先进研究计划署(ARPA-E)的356万美元资助，正将努力推动新设计的商业化应用。
其设计的不足之处是在面对超过每小时322公里的极大风速袭击时虽然能够纹丝不动，巍然屹立，却只能停机不动，而不能继续发电。
而目前的风机是采用变桨系统来解决遇到强风问题的，变桨系统的所有部件都安装在轮毂上。风机正常运行时所有部件都随轮毂以一定的速度旋转。变桨系统通过控制叶片的角度来控制风轮的转速，进而控制风机的输出功率，并能够通过空气动力制动的方式使风机安全停机。 根据风速的大小自动进行调整叶片与风向之间的夹角实现风轮对风力发电机有一个恒定转速；利用空气动力学原理可以使桨叶顺浆90°与风向平行，使风机停机。其设计的不足之处仍然是遇到强风时只能停机不动，而不能继续发电。且容易收到强风的破坏。
因此，发明一种在超强风速时，既能保护设备不受损伤，又能继续发电工作的风力发电机或风轮或叶片是十分有必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，其目的是，提供一种可伸缩型风机风轮或叶片，以及风力发电机，当在台风到来时，可以不用停机，继续工作。同时，在发电量一定的条件下，可以降低塔筒的高度，从而降低成本；或在塔筒的高度相同的条件下，可以提高发电效率。
一种可伸缩风机风轮或叶片，包括控制系统、载体及风轮或叶片，其特征是，所述控制系统连接叶片或载体，可以将叶片收缩到载体内或从载体内伸出叶片，使叶片变短或增长；或将叶片连杆收缩或增长。
所述控制系统包括信号接收器、控制器及动力装置，通过信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片收缩到载体内的长度，或控制叶片从载体内伸出的长度；所述收缩或伸长的距离，是可以根据风力的大小和方向任意调节的。所述控制系统可以安装在轮毂上或风机的任意位置。
当风力不足时，信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片伸长到最长位置，可以最大限度的利用风能；当风力超过额定风速时，控制器可以通过动力装置控制叶片收缩到一定位置，使输出功率达到最大；可以将叶片的最短位置设计到完全可以抗台风的位置，当台风来临时，收缩到最短位置，仍然可以继续工作。例如：如果一台普通1.5兆瓦的风机，叶片长度为36米，当台风来临时，只能通过变桨系统停机；如果采用本发明风轮或叶片时，就可以将叶片的长度缩短到20米或者更短的长度，因此，其抗强风能力就会大大提高，就可以在台风中继续工作，充分利用台风的能量，同时，还可以保护设备的安全，提高发电效率。
所述动力装置，可以采用电动机动力，也可以采用液压动力装置或任意公知动力装置。
本发明所述信号接收器也可以接收叶片转动的位置信息，可以根据叶片旋转到不同的位置，任意调节叶片收缩或伸长的距离。
对于水平轴风力发电机来说，当叶片转动到下半圈或下半圈的设定位置时，可以将叶片收缩；当叶片转动到上半圈或上半圈的设定位置时，可以将叶片伸长；这样就可以在设计时有效的降低塔筒的高度；同时，上半圈的风力资源大，下半圈的风力资源小，这样就可以最大限度的提高风能利用率，提高发电效率。
对于垂直轴风力发电机来说，所述信号接收器也可以接收到叶片转动到逆风位置或顺风位置，当叶片转动到逆风位置时，通过控制器将叶片收缩或将叶片连杆收缩；当叶片转动到动力风位置时，可以将叶片伸长或将叶片连杆伸长；这样就可以大幅度提高发电效率，还可以降低垂直轴风机的推倒力矩。当台风来临时，可以将两边的连杆同时收缩。
所述载体可以是独立的载体，也可以是叶片或连杆的一部分。所述可伸缩的部位，可以是在叶片的根部，也可以是在叶片的尖部或任意位置。
所述载体，可以安装在轮毂上或风机上任意位置。
所述风轮，可以包括叶片连杆。
一种利用可伸缩型风机风轮或叶片的风力发电机，包括发电机系统、控制系统、载体及风轮或叶片，其特征是，所述控制系统连接叶片或载体；所述控制系统可以控制叶片或连杆收缩到载体内或从载体内伸出，使叶片或连杆变短或增长。
本发明中，所述发电机系统是公知风力发电机系统；分为两部分，其一是本发明所述可伸缩型风机风轮或叶片系统，另一部分统称为发电机系统，不做一一细分，其工作过程为由风轮或叶片将风的动能转换为机械能并带动发电机系统发电。
本发明的有益效果是：
本发明通过使用可伸缩风机风轮或叶片，使得风力发电机在台风到来时，可以不用停机，继续工作。同时，在发电量一定的条件下，可以降低塔筒的高度，从而降低成本；或在塔筒的高度相同的条件下，可以提高发电效率。
四、附图说明：
图1是本发明所述水平轴风机叶片结构原理示意图；
图2是本发明所述另一水平轴风机叶片结构原理示意图；
图3是本发明所述垂直轴风机叶片结构原理主视图示意图；
图4是本发明所述垂直轴风机叶片结构原理俯视图示意图；
图5是本发明所述垂直轴风机结构原理示意图；
图6是本发明所述另一垂直轴风机结构原理示意图；
图7是本发明所述垂直轴风机叶片结构原理左视图示意图；
图8是本发明所述垂直轴风机叶片连杆结构原理示意图；
附图标志
1风机叶片 2载体 3叶片或连杆可伸缩部位 4发电机系统 5连杆 6控制系统
五、具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例一：
如图1所示，图1是本发明所述水平轴风机叶片结构原理示意图；载体位于叶片的根部，载体安装在风轮轮毂处，叶片安装在载体处；控制系统与载体连接，叶片的根部可以通过控制系统控制，收缩或伸出载体，是叶片的长度增加或减小。由于控制系统可以采用公知的系统，这里不再赘述；载体与叶片的安装方式也可以采用任意公知方式，不再一一赘述；本发明采用一台普通1.5兆瓦的风机，叶片长度为36米，当台风来临时，可以将叶片的长度缩短到20米或者更短的长度，因此，其抗强风能力就会大大提高，就可以在台风中继续工作，充分利用台风的能量，同时，还可以保护设备的安全，提高发电效率。
实施例二：
如图2所示，图2是本发明所述另一水平轴风机叶片结构原理示意图；控制系统与载体连接，所述载体采用叶片的一部分，载体位于叶片的尖部或前端，叶尖部位的叶片可以通过控制系统控制，随时根据风力的大小伸出或收缩进载体，从而控制叶片的长度。
本发明中，当叶片转动到下半圈或设定位置时，可以将叶片收缩；当叶片转动到上半圈或设定位置时，可以将叶片伸长；这样就可以在设计时有效的降低塔筒的高度；同时，上半圈的风力资源大，下半圈的风力资源小，这样就可以最大限度的提高风能利用率，提高发电效率。本实施例中，将设定位置设定于当叶片向下旋转到下半圈与塔筒成60度角时，开始收缩；当叶片到最低位置时收缩到最短距离并开始伸长。这样，就可以节省塔筒的高度，降低成本。
实施例三：
如图3、图4所示，图3是本发明所述垂直轴风机叶片结构原理主视图示意图；图4是本发明所述垂直轴风机叶片结构原理俯视图示意图；本实施例为公知升力型叶片；在叶片1的上半部分，设置载体2，所述载体2就是叶片1的一部分，内部为空腔，控制系统与载体连接，上面的叶片与载体连接，上面的叶片可以通过控制系统控制，随时根据风力的大小伸出或收缩进载体，从而控制叶片的长度。
图7是本发明所述垂直轴风机叶片结构原理左视图示意图；
实施例四：
如图8所示，图8是本发明所述垂直轴风机叶片连杆结构原理示意图；在连杆5上，设置载体2，所述载体2就是连杆5的一部分，内部为空腔，控制系统与载体连接，连杆可以通过控制系统控制，随时根据风力的大小伸出或收缩进载体，从而控制连杆的长度。
实施例五：
如图5、图6所示，
图5是本发明所述垂直轴风机结构原理示意图；图6是本发明所述另一垂直轴风机结构原理示意图；图5、图6是在公知垂直轴风力发电机的基础上使用了本发明所述风轮或叶片或连杆；控制系统与载体连接，所述载体采用叶片或连杆的一部分，所述控制系统包括信号接收器、控制器及动力装置，通过信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片收缩到载体内的长度，或控制叶片从载体内伸出的长度；所述收缩或伸长的距离，是可以根据风力的大小和方向任意调节的。所述控制系统安装在主轴或连杆上。当台风来临时，可以将叶片或连杆的长度缩短，风机可以继续工作；当风力微弱时，可以将叶片或连杆的长度增长。当叶片旋转到风起阻力作用的位置时，控制器可以随时将叶片或连杆缩短，当叶片旋转到风起动力作用的位置时，控制器可以随时将叶片或连杆伸长，从而提高发电效率。经大量的实验及研究，本发明所述可伸缩型风机风轮或叶片，应用在垂直轴风力发电机上，要比应用在水平轴风力发电机上具有巨大的优势和特殊的意义，由于这部分内容是公知常识，这里不再一一赘述。

Claims (10)

1.一种可伸缩型风机风轮或叶片，包括控制系统、载体及风轮或叶片，其特征是，所述控制系统连接叶片或载体；所述控制系统可以控制叶片或连杆收缩到载体内或从载体内伸出，使叶片或连杆变短或增长。
2.根据权利要求1所述一种可伸缩型风机风轮或叶片，其特征是，所述控制系统包括信号接收器、控制器及动力装置，通过信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片或连杆收缩到载体内的长度或控制叶片或连杆从载体内伸出的长度；所述收缩或伸长的距离，可以根据风力的大小和方向调节。
3.根据权利要求1所述一种可伸缩型风机风轮或叶片，其特征是，所述信号接收器也可以接收叶片转动的位置信息，可以根据叶片旋转到设定的位置，调节叶片或连杆收缩或伸长的距离。
4.根据权利要求1所述一种可伸缩型风机风轮或叶片，其特征是，所述风轮或叶片是水平轴风轮或叶片，当叶片转动到设定位置时，可以将叶片收缩；当叶片转动到另一设定位置时，可以将叶片伸长。
5.根据权利要求4所述一种可伸缩型风机风轮或叶片，其特征是，所述设定位置是当叶片向下旋转到下半圈与塔筒成60度角时，开始收缩；当叶片旋转到最低位置时收缩到最短距离并开始伸长。
6.根据权利要求1所述一种可伸缩型风机风轮或叶片，其特征是，所述风轮或叶片是垂直轴风轮或叶片，所述控制系统包括信号接收器、控制器及动力装置，通过信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片或连杆收缩到载体内的长度或控制叶片或连杆从载体内伸出的长度；所述收缩或伸长的距离，可以根据风力的大小和方向调节。
7.根据权利要求1所述一种可伸缩型风机风轮或叶片，其特征是，所述风轮或叶片是垂直轴风轮或叶片，当叶片旋转到风起阻力作用的位置时，控制器可以将叶片或连杆缩短，当叶片旋转到风起动力作用的位置时，控制器可以将叶片或连杆伸长。
8.一种利用可伸缩型风机风轮或叶片的风力发电机，包括发电机系统、控制系统、载体及风轮或叶片，其特征是，所述控制系统连接叶片或载体；所述控制系统可以控制叶片或连杆收缩到载体内或从载体内伸出，使叶片或连杆变短或增长。
9.根据权利要求8所述一种利用可伸缩型风机风轮或叶片的风力发电机，其特征是，所述风轮或叶片是水平轴风轮或叶片，当叶片转动到设定位置时，可以将叶片收缩；当叶片转动到另一设定位置时，可以将叶片伸长。
10.根据权利要求8所述一种利用可伸缩型风机风轮或叶片的风力发电机，其特征是，所述风轮或叶片是垂直轴风轮或叶片，所述控制系统包括信号接收器、控制器及动力装置，通过信号接收器可以接收风力的大小及方向，传导到控制器，控制器可以通过动力装置控制叶片或连杆收缩到载体内的长度或控制叶片或连杆从载体内伸出的长度；所述收缩或伸长的距离，可以根据风力的大小和方向调节。
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