CN108138747A - 确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明详细描述了一种确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法，该方法旨在找到适当的攻角以在低风速到中等风速下最佳地提取风能，该方法包括三个步骤：步骤1‑限定涡轮机的基本参数，包括叶片长度和宽度、固定转速、额定风速、启动速度和涡轮机被强制停机时的最低速度以及与损失功率的关系；步骤2‑限定风速，基于该风速可以计算一组攻角以形成风力涡轮机叶片的总体最优攻角；步骤3‑计算必需的物理参数以提出控制涡轮机叶片的最有效的方法；本发明适用于可以直接连接至电网的定速风力涡轮机的制造，从而使风力发电成本与其他常规能源的发电成本一样低。
Description
技术领域
本发明提出了用于利用风能的定速风力涡轮机叶片的制造。
背景技术
当今，从风中提取能量完全基于变速风力涡轮机。定速风力涡轮机只进入了测试阶段，并且由于其输出功率有限以及使其运行所需的风速非常高，定速风力涡轮机尚未商用。此外，随着风速降低至低水平，这些涡轮机将从电网消耗大量能量，以致甚至会导致电网关闭。
日期为1911年4月6日的专利GB 191916385和日期为1911年8月3日的专利GB191028025以及2012年9月27日公布的专利US2012242084提出了由框架支撑的风力涡轮机叶片的制造，其中所述叶片的表面是可以卷曲或展开的薄板，所述叶片的薄的背部同样如此，这样可以允许有效地利用风能。然而，这些专利没有指出攻角应当如何沿着叶片长度分布以及如何响应于低于额定风速的风速来调整攻角。
鉴于专利US 2012242084确实描述了每个叶片绕其纵向轴线旋转2度至10度的事实，它也没有指出调整攻角的任何规则。因此，将这些发明用于定速风力涡轮机叶片的制造意味着风力涡轮机达不到经济指标和技术指标，因为在风速低于额定风速的情况下无法控制涡轮机叶片。例如，如果风力涡轮机以固定的速度运行并且在风速降到低于额定风速时攻角不增大，则会出现问题。
风力机械领域的误导性发明是在1919年，当时，Albert Betz发表了他的用于计算叶片式风力涡轮机的功率的方程式：其中，ρ是空气密度；A0是叶片的扫掠面积；v是风速；CP是功率系数。该方程式将风力涡轮机技术引导到了增大叶片的扫掠面积A0(即，增加叶片长度)而忽略叶片的其他重要的物理因素比如攻角、叶片面积和形状以及风力涡轮机的转速这一方向。因此，风力涡轮机叶片广泛地被视为在风中飞行的物体，这导致涡轮机叶片全部都设计成具有支持叶片的运动的空气动力学翼面的事实。本发明的发明人已经认识到，该方程式是由于Albert Betz应用牛顿第二定律来计算风力涡轮机作用于风的力而得到的：F＝ma，其中，m是风的质量，a是风的加速度。实际上，不可能对空气质量施加力，并且更重要的是，牛顿第二定律是关于粒子动力学的。与此发现相关的文献已在Youtube上用英语和越南语公开分享：https://Youtu.be/HTaAJQPkrp0。
基于贝茨定律制造的叶片式风力涡轮机的叶片具有空气动力学翼面。日期为1982年7月13日的专利US 4339230详细描述了具有翼面形上表面和翼面形下表面的叶片设计，同样，其既没有关于攻角的规则，也没有指明叶片宽度是否必须朝向叶片尖端减小以避免功率减小。此外，由于风力涡轮机的转速取决于风速，因此制造其所产生的能量可以被直接馈送至电网的定速风力涡轮机是不切实际的。
这些问题限制了风力涡轮机的输出功率，并且导致风力涡轮机的制造成本和风力发电成本非常高，从而使风力发电不能成为人类的主要电力来源。
正确的观点是将风力涡轮机叶片视为气流的障碍物，并且非常短的叶片部段的叶片表面应当被认为是平坦的。此外，应当采用桁架系统来增强叶片的强度并将对风的影响降至最低。事实上，风力涡轮机叶片受到两种风力，其中一种风力是由运动的空气粒子与叶片表面的碰撞引起的，另一种风力是由叶片的背部上的压降引起的。这些力分解成两个分量，一个分量平行于涡轮机轴，该分量不能使涡轮机旋转，而是将涡轮机吹倒，另一分量与叶片部段的旋转轨道相切，该分量是有用的，因为该分量产生使涡轮机旋转的功。本发明的发明人也发明了风力涡轮机功率计算函数，其表达如下：
条件为：0<αi<90°&(kiv-diωicotαi)>0
其中，PTB(ω)是风力涡轮机的功率；ρ是空气密度；SC是叶片部段i的面积；v(m/s)是风场的速度；αi(00)是叶片与风向之间的倾斜角；ki是在与叶片部段i碰撞前的风速衰减系数；di(m)是叶片部段i距涡轮轴的距离；ωi(rad/s)是涡轮机的角速度；a是涡轮机叶片的数量；j是叶片的吸收系数；Cx是叶片的背部的形状的相关系数，如果叶片的背部的形状是平坦的，则其将具有1.32的最高值；PO是变速箱、发电机和轴承摩擦损失；CP是变换时的功率损耗系数，如果发电机直接连接至电网，则其将被忽略。
本发明也在Youtube上用英语和越南语公开分享：https://Y outu.be/ mWxlRlurAp0。
所述风力涡轮机功率计算函数允许基于诸如风速、涡轮机的转速、叶片面积和叶片表面的每个位置处的相应的攻角之类的因素相对准确地计算具有呈薄板的形式的叶片表面和足够短而被认为是平坦的叶片部段的风力涡轮机的功率。因而，设计具有对于风力发电的发展而言最佳的技术特征的风力涡轮机叶片是可行的。
专利PCT/VN2015/000007(优先权日：2014年7月14日，申请日：2015年7月10日；国际公布日：2016年1月21日；WO专利号：2016/011462)详细描述了具有由桁架支撑的结构和扭曲表面的风力涡轮机叶片的制造，其在利用风能的过程方面与风力涡轮机叶片构成气流的障碍物这一观点相一致。专利PCT/VN2015/000007中的风力涡轮机叶片设计采用所述风力涡轮机功率计算函数来确定与额定风速和风力涡轮机的最高转速相对应的叶片表面在沿着叶片长度的每个位置处的最优攻角。一组这些攻角用于限定涡轮机叶片的整体最优攻角——其为额定风速下的攻角。
专利PCT/VN2015/000007中对于额定风速进行确定以限定涡轮机叶片的攻角仅适用于变速风力涡轮机。随着风速逐渐降低，涡轮机的转速也会逐渐降低，并且叶片的适当的攻角将允许涡轮机获得与由于在该风速下确定的攻角而产生的涡轮机的最大输出功率相当的输出功率。对于定速风力涡轮机而言，风速越低，则与由于在该风速下确定的攻角而产生的涡轮机的最大输出功率相比，涡轮机的输出功率越小。因此，启动速度和涡轮机被强制停机时的最低速度将会相对较高，并且在中等风速和低风速下的涡轮机输出功率将会很大程度地减小。基于在涡轮机被强制停机时的最低速度下的计算，风力涡轮机的输出功率在由于在该风速下确定的攻角而产生的最大输出功率的30％到40％之间。当风速刚好低于额定值时，涡轮机的输出功率的降低可以忽略不计。更重要的是，由于此时风力涡轮机的输出功率已经非常高，因此即使进一步的降低也不会对电网的输出功率造成显著影响。
然而，专利PCT/VN2015/000007中对定速风力涡轮机叶片的攻角的控制尚不够明确和具体。在叶片尖端处的速度低的情况下，叶片尖端处的攻角被调整为大约89°不是令人满意的。此外，定速风力涡轮机的基本参数的确定尚未详细说明以促进设计过程。
发明内容
适用于将薄板作为其表面并且由足够短而被认为是平坦的叶片部段组成的风力涡轮机叶片的题为“确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法”的本发明旨在建立风力涡轮机叶片的适当的攻角以在从涡轮机被强制停机时的最低速度到额定速度的速度范围分为低、中和高的情况下在低风速和中等风速下有效地利用风能。涡轮机叶片的设计的攻角是固定的；然而，对于每个特定风速而言始终存在涡轮机达到其最大输出功率时的最佳攻角。由于不可能改变或调整攻角以在任何风速下都实现最大输出功率，所以需要控制攻角以在低风速和中等风速下产生最优输出功率。一旦叶片设计成具有与从低到中的风速相对应的攻角，叶片的攻角将与最优攻角没有太大的不同，因而输出功率只略低于最大输出功率。这将实现在低风速和中等风速下获得最优输出功率同时能够在低风速下停机和重新启动的定速风力涡轮机的制造。尽管高风速下的涡轮机输出功率明显低于最大输出功率，但此时的输出功率仍然非常高，因而不会对电网造成显著的影响。
为了实现上述目的，本发明“确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法”详述了使叶片具有最优攻角以便在低风速和中等风速下最佳地提取风能的三个步骤。
第一步骤是限定风力涡轮机的基本参数，包括叶片长度、叶片宽度、涡轮机的固定转速、额定风速、启动速度和涡轮机被强制停机时的最低速度以及与损失功率的关系。
第二步骤是选定用于确定攻角的风速，基于该风速可以计算一组攻角以形成叶片的总体最优攻角。
第三步骤是控制叶片，即响应于低范围到中等范围之间的风速而调整攻角。
叶片的适当的攻角以及响应于不同的风速而控制攻角的方法有助于风力涡轮机在低风速和中等风速下实现最优输出功率。因而，能够以低成本制造定速风力涡轮机以实现风能生产，并且还能够将变速风力涡轮机转变为定速风力涡轮机以实现更好的性能、更高的输出功率和更低的风力发电成本。
附图说明
图1示出了定速风力涡轮机的总体视图，其中该定速风力涡轮机具有六个由构架支撑的、扭曲的叶片，其中三个叶片比其他的叶片短。叶片具有可收缩的表面，并且叶片从叶片尖端起在地面以上大约15m。
具体实施方式
适用于将薄板作为其表面并且由足够短而被认为是平坦的叶片部段组成的风力涡轮机叶片的确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法旨在建立风力涡轮机叶片的适当的攻角，以在从涡轮机被强制停机时的最低速度到额定速度的速度范围分为低、中和高的情况下在低风速和中等风速下有效地利用风能。这将实现在低风速和中等风速下获得最优输出功率同时能够在低风速下停机和重新启动的定速风力涡轮机的制造。本发明详述了以下三个步骤：
-第一步骤是限定涡轮机的基本参数，包括将叶片尖端处的线速度选定为在100km/h到200km/h之间。这样高的线速度旨在降低噪音以及更好地控制叶片攻角。线速度可达300km/h；然而，由涡轮机产生的噪音将会很关键，即使在低风速下亦是如此，并且叶片攻角的控制将是无效的。还应当限定涡轮机的固定转速，基于涡轮机的固定转速和叶片尖端处的线速度可以计算叶片长度。否则，应当选定叶片长度以使得可以基于叶片长度和叶片尖端处的线速度来计算涡轮机的固定转速。在这种情况下，固定转速与叶片长度成反比。叶片宽度应小于叶片长度的10％并且不应超过6m以便在与叶片表面碰撞前使风速的衰减降至最低。宽度小于6m的叶片将有助于风力涡轮机的制造和安装，因为它们可以很好地与用于制造商业卷门的金属板相配合。将涡轮机被强制停机时的最低速度限定为涡轮机产生的输出功率比损失功率(即由于变速箱、发电机的摩擦以及叶片旋转时的阻力而消耗的能量)高20％的速度。这是为了确保在涡轮机被强制停机之前不会消耗来自电网的能量。启动速度应当被限定为涡轮机的输出功率是损失功率三到四倍时的速度。这意味着启动速度和涡轮机被强制停机时的最低速度仅相差1m/s至1.5m/s，因而防止了风力涡轮机在略低于启动速度的风速下需要频繁地重新启动。额定速度应当被限定为涡轮机达到其最大或额定输出功率时的最小风速。常规的额定风速约为16m/s，因为在风力强的地区，风速通常在蒲福风级的第5级到第6级之间，即在地面以上10m处测得的8m/s到13.8m/s。这意味着在地面以上40m处风速范围为11m/s到18m/s，这确保了风力涡轮机的输出功率经常很高。
第二步骤是限定风速v以确定叶片的攻角。该风速的范围应当从低到中，在此基础上，可以应用所述风力涡轮机功率计算函数来确定在沿着叶片的位于距旋转中心一定距离di的每个位置i处并且在涡轮机的固定转速ωi下的叶片的一组最优攻角αi。这样的一组攻角αi用于确定叶片的整体最优攻角。叶片尖端处的攻角称为αc。如果随机地选定用于确定叶片攻角的风速，则该风速会对叶片的控制产生负面影响并且会降低能量输出功率。
第三步骤是控制叶片。具体地，当风速减小一个单位从用于确定叶片攻角vc的风速到涡轮机被强制停机时的速度时，攻角增大这一数值。当风速增大一个单位从涡轮机被强制停机时的速度到额定速度时，攻角下降这一值。当风速下降一个单位从额定速度到涡轮机被强制停机时的速度时，攻角增加这一值。
制备了表格以示出在不同风速下的风力涡轮机功率，以根据损失功率来确定涡轮机被强制停机时的速度和启动速度。也可以确定额定风速下的额定输出功率。
当采用上述控制方法并且用于确定叶片攻角vc的风速在低范围到中等范围之间时，在这样的风速下的叶片的攻角与用于最大输出功率的最优攻角之间的偏差可忽略不计。应用于叶片长度为66m并且转速为6rpm的风力涡轮机的计算表明叶片根部处的叶片攻角与最优攻角之间的偏差约为1°。然而，在叶片尖端处，攻角与最优攻角之间的偏差可忽略不计，即只有六十分之几度。因此，与涡轮机的最大输出功率值相比，涡轮机的输出功率只略有下降。这使用涡轮机功率曲线可以容易地检验。尽管在高风速下的涡轮机输出功率显著下降，但这并不是问题，因为整个系统的输出功率已经很高，而且确实对降低电网的峰值功率起到了积极的作用。
当风速低于涡轮机被强制停机时的最低速度时，发电机与电网断开连接以防止涡轮机消耗电网的能量。然后叶片攻角以如下方式减小：叶片中部的攻角降至0°，这时，涡轮机将减速，然后由于制动系统而停止。一旦风速等于或超过启动速度，涡轮机就会重新启动。此时，再次调整攻角以使得叶片中部的攻角达到55°，从而使叶片获得最大转矩。制动系统现在脱开接合，并且涡轮机叶片随着逐渐增大的攻角而以越来越高的速度旋转。一旦转速等于固定速度，发电机就会重新连接至电网，并且攻角被调整为与此时的风速相对应的攻角设计值。
当风速超过额定速度时，攻角减小到足以使涡轮机输出功率稳定在额定值的程度。风速约为25m/s时，涡轮机停止工作；攻角降至0°，或者在风力涡轮机构造成具有可卷曲的叶片表面的这样的特征的情况下叶片表面将卷曲。发电机同样与电网断开连接，并且制动系统启动以保持涡轮机不动。风力涡轮机可以通过传感器自动运行或者手动运行。
风速在40m及40m以上的高度处高且稳定，但在低于40m的高度处降低。然而，从地面以上超过10m，风速不会显著降低，因而在通风地区地面以上10m的风力涡轮机叶片是令人满意的。
风力涡轮机可以制造成具有多个叶片(图1)以增加与风的接触面积，对于具有长度超过40m的叶片的风力涡轮机而言，数量不限于三个叶片。然而，叶片应当分开得足够远以确保风速的最小衰减。因而，叶片根部应当制造成没有表面，并且交替的叶片上的叶片根部应当包括更大的没有表面的区域以适应这种要求。
工业适用性
适用于将薄板作为其表面并且由足够短而被认为是平坦的叶片部段组成的风力涡轮机叶片的确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法用于定速风力涡轮机的制造和运行。涡轮机叶片是由桁架支撑的，并且由可卷曲的薄板制成以保护在强风下的涡轮机。这允许通过增加叶片的长度和宽度以及叶片的数量来增加叶片面积。对于叶片长度超过40m的风力涡轮机而言，六个叶片是合适的。与电网直接连接的定速风力涡轮机具有输出功率较高、发电成本低、不需要逆变器的优点，并且允许叶片用相对较重的金属制成且单独制造，这样便于集装箱运输。因此，风力发电的成本将大大降低，并且风能将成为许多国家最便宜的能源来源，从而满足经济发展和应对气候变化的需求。
确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法也适用于将变速风力涡轮机转变为定速风力涡轮机。通过保持塔架的高度、扩大叶片宽度、将叶片长度延长1.5倍、取消使用逆变器、将发电机替换为定速发电机、以及将涡轮机直接连接至电网，可以实现这种转变。最根本的问题是变速箱兼容与否。如果更换变速箱是强制性的，则转变仍然是有益的，因为在叶片的数量增加至6个以及涡轮机的输出功率更大的情况下，风力涡轮机产生的输出功率可以与新的定速风力涡轮机的输出功率相当。
示范
将具有其表面是可以卷曲或者展开的薄板的由桁架支撑的叶片的定速风力涡轮机的基本物理参数限定如下：
-预定的基本参数
塔架：高80m、直径6m到8m
预期的损失功率：6.5kW
叶片尖端处的线速度：150km/h
叶片：宽5m、长66m
固定转速：6rpm
其中三个涡轮机叶片由从叶片尖端起长60m的表面制成。
其他三个叶片由从叶片尖端起长46m的表面制成。
如图1所示，叶片表面可以卷曲和展开。
额定风速：16m/s
涡轮机停止工作并且叶片表面卷曲时的断开速度：25m/s
在应用所述风力涡轮机功率计算函数时，选定以下参数：k＝1；j＝1；Cx＝1.32。
在8m/s的风速下确定的叶片上的不同位置处的一组攻角如下所示：
-计算参数
叶片尖端处的最大攻角：αd＝88°48′。
当风速减小1m/s时，该攻角增大26′。
当风速增大1m/s时，该攻角减小26′。
当风速超过额定速度时攻角将继续减小，使得风力涡轮机的输出功率稳定在额定水平。
启动速度：4m/s
风力涡轮机被强制停机时的最低风速：3m/s
额定风速下的风力涡轮机功率：
P16＝1254KW。
发电机容量：1.500KW
下表示出了不同风速下的风力涡轮机功率：
| 风速v(m/s) | 功率P(kW) | 风速v(m/s) | 功率P(kW) |
| 2,8 | 6,1 | 10 | 330 |
| 3 | 7.9 | 11 | 467 |
| 4 | 21 | 12 | 555 |
| 5 | 42 | 13 | 698 |
| 6 | 75 | 14 | 860 |
| 7 | 117 | 15 | 1046 |
| 8 | 174 | 16 | 1245 |
| 9 | 244 |
启动速度为4m/s并且叶片中部的攻角为55°时的启动扭矩：547KNm在16m/s的额定风速下的最大轴向推力：323KN。
Claims (1)
1.一种确定和控制定速风力涡轮机叶片的攻角的方法，所述方法适用于将薄板作为其表面并且由足够短而被认为是平坦的叶片部段组成的风力涡轮机叶片，所述方法旨在建立风力涡轮机叶片的适当的攻角以在从涡轮机被强制停机时的最低速度到额定速度的速度范围分为低、中和高的情况下在低风速和中等风速下有效地利用风能；因此，能够基于下述三个步骤来制造在低风速和中等风速下具有最优输出功率并且在低风速下能够停机和重新启动的定速风力涡轮机：
-首先，限定风力涡轮机的基本参数：将叶片尖端处的线速度选定为在100km/h到200km/h之间；选定固定转速，基于所述固定转速和所述线速度能够限定叶片长度；否则，选定叶片长度以使得能够基于所述线速度和所述叶片长度来计算固定速度；叶片宽度应当为所述叶片长度的10％并且不超过6m；将风力涡轮机被强制停机时的最低风速限定为涡轮机输出功率比损失功率高20％时的风速；将启动速度限定为涡轮机输出功率是损失功率的3倍到4倍的启动速度；将额定风速限定为涡轮机达到其最大或额定输出功率时的风速；将断开速度限定为涡轮机被强制停机时的最高速度；
-其次，限定范围从低到中的风速vc以与风力涡轮机功率计算函数一起使用以便确定在沿着叶片的位于距旋转中心一定距离di的每个位置i处并且在涡轮机的固定转速ωi下的一组最优攻角αi；这样的一组攻角αi用于确定叶片的整体最优攻角；叶片尖端处的攻角称为αc；
-第三，控制叶片：当风速减小一个单位从用于确定叶片攻角vc的风速到涡轮机被强制停机时的最低速度时，攻角增大这一值；当风速增大一个单位从涡轮机被强制停机时的速度到额定速度时，攻角下降这一值；当风速下降一个单位从额定速度到涡轮机被强制停机时的速度时，攻角增大这一值。
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