CN108150353B - 弦长变化装置、叶片、弦长变化控制方法和控制系统 - Google Patents

弦长变化装置、叶片、弦长变化控制方法和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种弦长变化装置、叶片、弦长变化控制方法和控制系统，所述弦长变化装置用于改变风力发电机组的叶片的弦长，并可包括：滑槽，所述滑槽的一端形成有出入口；延伸件，能够通过所述出入口向外部伸出预定长度；传动机构，与所述延伸件结合，使所述延伸件能够在所述出入口的外部与内部之间伸缩移动。根据本发明的弦长变化装置，可在低风速下增加叶片的弦长，据此增加叶片的捕风能力并由此提高发电量。

Description

弦长变化装置、叶片、弦长变化控制方法和控制系统
技术领域
本发明涉及风力发电机组技术领域，更具体地讲，涉及一种在低风速下增加叶片的弦长，据此增加叶片的捕风能力并由此提高发电量的弦长变化装置、包括该弦长变化装置的叶片、叶片的弦长变化控制方法和控制系统。
背景技术
在设计风力发电机组的叶片时，一般会针对标准的风况来设计叶片。
在配套风力发电机组时，受局部安全系数的影响，虽然可选择不同的叶片进行配套，但一旦叶片定型后，改动量相对较小。另外，叶片的生产制造加工依赖于叶片模具，后续对叶片进行改变的可能性很小。
风力发电机和叶片的极限载荷一般出现在额定风速及以上的风速，在低于额定风速时，叶片基本不变桨，而是尽可能多地利用叶片来捕风。
然而，如果风速过小(低于额定风速)，则会导致叶片发电效率降低。此外，叶片在运行一段时间以后容易产生表面污染、前缘腐蚀等问题，这也会导致叶片的捕风能力降低，导致叶片发电效率降低。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种通过在低风速下增加叶片的弦长来增加叶片捕风的能力，由此提高风力发电机组的叶片的发电效率的弦长变化装置、叶片、弦长变化控制方法和控制系统。
根据本发明的一方面，提供一种弦长变化装置，用于改变风力发电机组的叶片的弦长，所述弦长变化装置包括：滑槽，所述滑槽的一端形成有出入口；延伸件，能够通过所述出入口向外部伸出预定长度；传动机构，与所述延伸件结合，使所述延伸件能够在所述出入口的外部与内部之间伸缩移动。
可选地，所述延伸件的厚度沿其伸出方向可逐渐减小。
可选地，所述弦长变化装置还可包括：柔性材料，分别设置在所述延伸件的厚度方向上的两个表面上，且所述柔性材料的厚度沿着所述延伸件的伸出方向逐渐减小。
可选地，所述传动机构可包括丝杠或液压缸。
根据本发明的另一方面，提供一种叶片，所述叶片包括设置在所述叶片的尾缘内侧的安装空间，所述安装空间内设置有如上所述的弦长变化装置，其中，所述叶片包括设置在尾缘立棱上的槽，所述出入口位于所述槽处，所述延伸件能够通过所述出入口伸出到所述尾缘立棱的外部或者缩回所述尾缘立棱的内部。
可选地，所述弦长变化装置可分布在所述叶片的叶尖至所述叶片的长度的1/2的范围内。
可选地，所述弦长变化装置可分布在从所述叶片的叶尖起算的所述叶片长度的1/4至1/3的范围内。
可选地，所述弦长变化装置可被布置为使得所述延伸件在伸出所述叶片外时与所述叶片的迎风面平滑过渡。
可选地，所述弦长变化装置还可包括：柔性材料，分别设置在所述延伸件的厚度方向上的两个表面上，且所述柔性材料被布置为使得所述延伸件在伸出所述叶片外时与所述叶片的迎风面和背风面平滑过渡。
根据本发明的另一方面，提供一种叶片的弦长变化控制方法，所述叶片为如上所述的叶片，所述控制方法包括：感测当前风速；比较感测出的当前风速与预设风速区间，如果当前风速处于预设风速区间内，则控制所述传动机构使所述延伸件伸出所述叶片外；如果当前风速大于或等于所述预设风速区间的上限值，则控制所述传动机构使所述延伸件缩回到所述叶片内。
可选地，所述预设风速区间的下限值为风力发电机的切入风速，所述上限值为风力发电机的额定风速。
根据本发明的另一方面，提供一种叶片的弦长变化控制系统，所述叶片为如上所述的叶片，所述控制系统包括：风速传感器，感测当前风速；控制器，比较感测出的当前风速与预设风速区间，如果当前风速处于预设风速区间内，则控制所述传动机构使所述延伸件伸出所述叶片外，如果当前风速大于或等于所述预设风速区间的上限值，则控制所述传动机构使所述延伸件缩回到所述叶片内。
可选地，所述预设风速区间的下限值为风力发电机的切入风速，所述上限值为风力发电机的额定风速。
根据本发明，可在低风速下增加叶片的弦长，从而增加叶片的捕风能力，提高风力发电机的发电量，并弥补由于叶片的受损导致的发电量降低。并且，可在高风速下减小叶片的弦长，从而降低叶片的载荷。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的弦长变化装置的示意图；
图2是图1中的弦长变化装置中的传动机构处于伸长状态的示意图；
图3是示出根据本发明的另一实施例的弦长变化装置的示意图；
图4是常规叶片的弦向截面图；
图5是图4中的叶片安装了图1中的弦长变化装置的一个示例的示意图；
图6是图4中的叶片安装了图1中的弦长变化装置的另一示例的示意图；
图7是图4中的叶片安装了图3中的弦长变化装置的示例的示意图；
图8和图9是安装了根据本发明的实施例的弦长变化装置的叶片的轴向示意图，其中，图9是图8中的P部分的放大示意图。
附图标记说明：
尾缘立棱1；叶片2；PS面3；SS面4；滑槽10；出入口11；槽1a；延伸件20；传动机构30；柔性材料40；固定件50。
具体实施方式
下面，参照附图对于本发明的弦长变化装置、叶片、弦长变化控制方法和控制系统的实施例进行详细的说明。
首先，将参照图1至图3描述根据本发明的实施例的弦长变化装置。该弦长变化装置用于改变风力发电机组的叶片的弦长。
如图1和图2所示，根据本发明的实施例的弦长变化装置包括：滑槽10，滑槽10的一端形成有出入口11；延伸件20，能够通过出入口11向外部伸出预定长度；传动机构30，与延伸件20结合，使延伸件20能够在出入口11的外部与内部之间伸缩移动。
其中，为了方便理解，图1中示出了沿叶片的轴向D1，叶片的尾缘立棱1的示意图，叶片的尾缘立棱1沿叶片的翼型厚度方向D2(如图4所示)具有一定的高度。本发明的弦长变化装置被设置于叶片内部，并贴近尾缘立棱1。
具体地讲，滑槽10可呈两端敞开的盒子形状，并在贴近尾缘立棱1的一端形成有出入口11。延伸件20的至少一部分可设置在滑槽10内，传动机构30可与延伸件20结合，可根据需要将延伸件20的一部分从滑槽10的出入口11推出至滑槽10外(如图2所示)，并且还可以将延伸件20的被推出的部分拉回，即，使延伸件20能够在出入口11(或者是，叶片的尾缘立棱1)的外部与内部之间伸缩移动。
应理解的是，虽然图1中示出了延伸件20相对于滑槽10滑动的示例，但本发明不限于此，延伸件20也可相对于滑槽10滚动。
根据本发明的实施例的弦长变化装置可被安装在叶片中以改变叶片的弦长，即延伸件20可作为叶片的一部分。具体地，弦长变化装置可被设置在叶片的尾缘内侧的安装空间中。如图2所示，叶片的尾缘立棱1上可设置有槽1a，弦长变化装置的出入口11可位于槽1a处。传动机构30的一端可被固定于叶片尾缘内侧的安装空间内，并能够使延伸件20通过出入口11伸出到尾缘立棱1的外部或者缩回尾缘立棱1的内部，起到增加叶片的弦长的作用。
根据本发明的实施例，滑槽10可以选择相对较硬且耐磨的材料，例如，钢板等。另外，滑槽10的外表面可以是粗糙的，在将根据本发明的弦长变化装置设置在叶片内时，将滑槽10粘接到叶片的玻璃钢上。并且，滑槽10的内表面可以是光滑的，以减小与延伸件20接触的摩擦力。
根据本发明的实施例，延伸件20可呈大体上矩形板的形状。延伸件20的厚度沿其伸出方向可逐渐减小。从而，当传动机构30驱动延伸件20而使其伸出到尾缘立棱1的外部时，延伸件20可更好地与叶片的弦向截面相匹配，确保叶片运行的稳定性，稍后将进行详细描述。
根据本发明的实施例，传动机构30可优选传动稳定性较高的液压缸或丝杠，但本发明不限于此。
如图3所示，根据本发明的另一实施例，弦长变化装置还可包括柔性材料40，该柔性材料40可设置在延伸件20的厚度方向上的两个表面上，且柔性材料40的厚度沿着延伸件20的伸出方向逐渐减小。在将弦长变化装置应用于叶片时，柔性材料40可用于补偿延伸件20与叶片的PS面(迎风面)和SS面(背风面)之间的台阶，从而更好地确保叶片运行的稳定性。
另外，如图3所示，柔性材料40可仅设置在延伸件20的厚度方向上的两个表面的一部分上，由于两个表面的另一部分不会伸出滑槽10外，因此可以不设置柔性材料40。
以下将参照图4至图9描述根据本发明的实施例的设置有弦长变化装置的叶片的示例。为了避免冗余，将省略与以上弦长变化装置的描述重复的描述。
图4中示出了常规叶片2的弦向截面图，其中，标号3为叶片的PS面，标号4为叶片的SS面，标号1为叶片的尾缘立棱。
图5示出了将图1中示出的弦长变化装置设置在叶片2内的示意图。如图5所示，叶片可包括设置在尾缘内侧的安装空间，弦长变化装置可设置在该安装空间中。例如，可在制造叶片2时，在叶片2的上下壳体合模过程中在叶片2的尾缘内侧预留安装空间。
叶片2的尾缘立棱1处可开设有与安装空间连通的槽1a，沿叶片2的轴向D1，该槽1a可具有预定长度(如图2所示)，并且沿叶片2的翼型厚度方向D2，槽1a可具有预定高度(如图5所示)。可将滑槽10固定在叶片2的尾缘内侧，并使滑槽10的出入口11设置在槽1a处，即，与槽1a对准。另外，也可以在制造叶片2的下壳体时，在尾缘立棱1处直接形成槽1a。
在一个实施例中，例如可通过粘接剂等将滑槽10粘接到叶片2的玻璃钢上，在这种情况下，优选地，滑槽10的外表面可以是粗糙的，以便于粘接。然而，将滑槽10固定在叶片2内的方式不具体局限于此。
传动机构30的一端可连接至固定件50进行固定，而另一端可结合到延伸件20，其中，固定件50可在安装空间内被固定至叶片2的玻璃钢上。
在一个实施例中，延伸件20的中心位置设置有装配孔，该装配孔具有内螺纹，传动机构30采用丝杠，且另一端插入结合到该装配孔中。由此，当丝杠做旋转运动时，通过螺纹运动，逐渐将延伸件20推出叶片尾缘的外部。
由于叶片2的尾缘立棱1上开设槽1a，并且出入口11与槽1a对准，因此，传动机构30可将延伸件20通过出入口11和槽1a伸出到尾缘立棱1的外部或者缩回尾缘立棱1的内部。当延伸件20伸出到尾缘立棱1的外部时，可增加叶片的弦长(即，叶片2沿弦向D3的长度，其中，弦向D3与轴向D1和翼型厚度方向D2垂直)，提高叶片2的捕风能力，从而提高风力发电机的发电量。此外，当无需再增加弦长时，延伸件20可缩回尾缘立棱1的内部，以降低叶片2的载荷。
如图5所示，沿叶片2的弦向D3，延伸件20的厚度可逐渐减小，以与叶片2的弦向截面的外型变化相匹配，从而有利于保证叶片2的运行稳定性。
另外，当延伸件20伸出到叶片2外时，会不可避免地在延伸件20和叶片2的PS面3和SS面4之间产生台阶，该台阶的出现会影响叶片2运行的稳定性。
根据本发明的实施例，如图6所示，在安装弦长变化装置时，可将弦长变化装置布置为使得延伸件20在伸出叶片2外时与叶片2的PS面3平滑过渡。这是因为，PS面3对于叶片的平稳运行至关重要。优选地，将弦长变化装置布置为使得延伸件20在伸出叶片2外时与叶片2的PS面3平滑过渡。
图7示出了将图3中的弦长变化装置安装到叶片2的尾缘内侧的示意图，如图7所示，弦长变化装置可包括设置在延伸件20的厚度方向上的两个表面上的柔性材料40，且柔性材料40的厚度沿着延伸件20的伸出方向逐渐减小。
柔性材料40可随延伸件20一起被推出叶片2的外部，该柔性材料40在经过滑槽10时在滑槽10内可处于受压状态，并在被推出滑槽10后可膨胀，从而可补偿延伸件20与叶片2的PS面3和SS面4之间的台阶。并且，当延伸件20缩回至叶片2内时，柔性材料40可受滑槽10的挤压而与延伸件20一起缩回到叶片2内。柔性材料40的具体材料不受限制，只要其可具有膨胀和收缩特性即可。例如，柔性材料40可以是橡胶或树脂。
图8和图9是沿叶片2的轴向观察在安装了弦长变化装置后，叶片2的弦长变化示意图，其中，图9是图8中的P部分的放大图。如图9所示，当延伸件20伸出叶片2时，可增加叶片2的弦长。
根据本发明的实施例，弦长变化装置可分布在叶片2的叶尖至叶片2的长度的1/2的范围内，也就是说，弦长变化装置可沿叶片2的轴向D1分布在叶尖至叶片2的长度的1/2的范围内，从而在该范围内增加叶片2的弦长。
可选地，所述弦长变化装置可分布在从叶片2的叶尖起算的叶片2长度的1/4至1/3的范围内，这是因为该范围内的叶片2的弦长对风力发电机的发电量做主要贡献。
如上所述，根据本发明的实施例，可将弦长变化装置安装到叶片的尾缘内侧，从而可针对不同的风速来控制弦长变化装置的传动机构，以使延伸件伸出到叶片的外部或者缩回叶片的内部，从而达到调节风力发电机组的发电量和载荷的目的。
以下，将描述根据本发明的实施例的叶片的弦长变化控制方法。
根据本发明的实施例的叶片的弦长变化控制方法可包括如下步骤：感测当前风速；比较感测出的当前风速与预设风速区间，如果当前风速处于预设风速区间内，则控制所述传动机构30使所述延伸件20伸出所述叶片2外；如果当前风速大于或等于预设风速区间的上限值，则控制传动机构30使延伸件20缩回到叶片2内。
根据本发明的实施例，预设风速区间的下限值为风力发电机的切入风速，上限值为风力发电机的额定风速。其中，切入风速是指风力发电机开始运行的风速。当风速达到切入风速但低于额定风速时，风力发电机开始运行，但由于此时风速低，导致发电量低。因此，根据本发明的实施例，当风速处于切入风速至叶片的额定风速区间时，则可控制传动机构30，以使延伸件20伸出叶片2外，从而增大叶片2的弦长，增加叶片2的捕风能力，提高发电量。例如，延伸件20可伸出叶片2外100mm，则叶片2的弦长可增加100mm。
当风速达到额定风速或大于额定风速时，由于此时的发电量可得到保证，叶片2的载荷成为主要问题，因此可控制传动机构30使延伸件20缩回到叶片2内，从而降低叶片2的载荷。
例如，当风力发电机的切入风速为3m/s，额定风速为11m/s时，预设风速区间可以为3m/s-11m/s。
以下，将描述根据本发明的实施例的叶片的弦长变化控制系统。
根据本发明的实施例，叶片的弦长变化控制系统可包括：风速传感器，感测当前风速；控制器，比较感测出的当前风速与预设风速区间，如果当前风速处于预设风速区间内，则控制传动机构30使延伸件20伸出叶片2外，如果当前风速大于或等于预设风速区间的上限值，则控制传动机构30使延伸件20缩回到叶片2内。
根据本发明的实施例，风速传感器的类型不受具体限制，只要其能够感测风速即可。控制器可以是风力发电机组的主控系统，但不限于此，例如，控制器还可以是为弦长变化控制系统另外设置的控制器。当控制器确定当前风速处于预设风速区间内时，则可向传动机构30发出指令，从而控制传动机构30使延伸件20伸出叶片2外。当控制器确定当前风速大于或等于预设风速区间的上限值时，则可向传动机构30发出指令，从而控制传动机构30使延伸件20缩回到叶片2内。
如上所述，根据本发明的实施例，可在低风速下增加叶片的弦长，从而增加叶片的捕风能力，提高风力发电机的发电量，并弥补由于叶片的受损导致的发电量降低。并且，可在高风速下减小叶片的弦长，从而降低叶片的载荷。
尽管已经参照其示例性实施例具体描述了本发明的示例性实施例，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (12)

1.一种弦长变化装置，用于改变风力发电机组的叶片的弦长，其特征在于，所述弦长变化装置包括：
滑槽(10)，所述滑槽(10)的一端形成有出入口(11)；
延伸件(20)，能够通过所述出入口(11)向外部伸出预定长度；
传动机构(30)，与所述延伸件(20)结合，使所述延伸件(20)能够在所述出入口(11)的外部与内部之间伸缩移动；
柔性材料(40)，分别设置在所述延伸件(20)的厚度方向上的两个表面上，且所述柔性材料(40)的厚度沿着所述延伸件(20)的伸出方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的弦长变化装置，其特征在于，所述延伸件(20)的厚度沿其伸出方向逐渐减小。
3.根据权利要求1或2所述的弦长变化装置，其特征在于，所述传动机构(30)包括丝杠或液压缸。
4.一种叶片，其特征在于，所述叶片(2)包括设置在所述叶片的尾缘内侧的安装空间，所述安装空间内设置有如权利要求1至3中任一项所述的弦长变化装置，
其中，所述叶片(2)还包括设置在尾缘立棱(1)上的槽(1a)，所述出入口(11)位于所述槽(1a)处，所述延伸件(20)能够通过所述出入口(11)伸出到所述尾缘立棱(1)的外部或者缩回所述尾缘立棱(1)的内部。
5.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述弦长变化装置分布在所述叶片(2)的叶尖至所述叶片(2)的长度的1/2的范围内。
6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，所述弦长变化装置分布在从所述叶片(2)的叶尖起算的所述叶片长度的1/4至1/3的范围内。
7.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述弦长变化装置被布置为使得所述延伸件(20)在伸出所述叶片(2)外时与所述叶片(2)的迎风面(3)平滑过渡。
8.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述弦长变化装置还包括：
柔性材料(40)，分别设置在所述延伸件(20)的厚度方向上的两个表面上，且所述柔性材料(40)被布置为使得所述延伸件(20)在伸出所述叶片(2)外时与所述叶片(2)的迎风面(3)和背风面(4)平滑过渡。
9.一种叶片的弦长变化控制方法，其特征在于，所述叶片为根据权利要求4至8中任一项所述的叶片(2)，所述控制方法包括：
感测当前风速；
比较感测出的当前风速与预设风速区间，如果当前风速处于预设风速区间内，则控制所述传动机构(30)使所述延伸件(20)伸出所述叶片(2)外；
如果当前风速大于或等于所述预设风速区间的上限值，则控制所述传动机构(30)使所述延伸件(20)缩回到所述叶片(2)内。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述预设风速区间的下限值为风力发电机的切入风速，所述上限值为风力发电机的额定风速。
11.一种叶片的弦长变化控制系统，其特征在于，所述叶片为根据权利要求4至8中任一项所述的叶片，所述控制系统包括：
风速传感器，感测当前风速；
控制器，比较感测出的当前风速与预设风速区间，如果当前风速处于预设风速区间内，则控制所述传动机构(30)使所述延伸件(20)伸出所述叶片(2)外，如果当前风速大于或等于所述预设风速区间的上限值，则控制所述传动机构(30)使所述延伸件(20)缩回到所述叶片(2)内。
12.根据权利要求11所述的控制系统，其特征在于，所述预设风速区间的下限值为风力发电机的切入风速，所述上限值为风力发电机的额定风速。
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