專利名稱：一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于風力發(fā)電設備技術領域，具體涉及一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)。
背景技術：
隨著化石能源的日益枯竭，尋找替代能源成為世界各國能源領域相關工作的重中之重。風能是一種清潔的可再生能源，近十年來在我國飛速發(fā)展，在能源結(jié)構(gòu)的比例也越來越高。然而利用風能的一個很大的局限是經(jīng)濟風速范圍較窄。一般來說，3 20m/s的風速是目前風力發(fā)電機的所能適應的經(jīng)濟風速。風力發(fā)電機的啟動風速為3 4m/s，切出風速(停機風速)為25m/s左右。當風速低于啟動風速時，風力機不能發(fā)電；當風速超過切出風速時，風力發(fā)電機必須停機。擴大風速適用范圍在工程應用中有很大的實際意義。風力發(fā)電機是把風能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，工作在一定的風速范圍之內(nèi)。人們希望，無論風速如何變化，風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速保持恒定并且不能超過上限值。這就要求風力發(fā)電機在風速變大時，降低葉片的能量捕獲，并且減少葉片受到的沖擊。改變?nèi)~片角位移，進而改變?nèi)~片迎風角度是一種行之有效的調(diào)節(jié)風力機功率的方式。改變?nèi)~片本體的面積(比如打孔、折疊和拉伸等方式)對葉片的強度影響較大，尤其在大風速下容易造成葉片損壞，而且加工制造和運行過程中改變?nèi)~片面積的難度較大，特別是運行過程由于風力作用，每個葉片的不同部件相互擠壓很難相對移動，變面積調(diào)節(jié)較為困難。風力機按照軸的方向分為水平軸風力機和垂直軸風力機。對于水平軸風力機，根據(jù)葉片和機艙相對于來流風的位置又可以分為上風向風力機和下風向風力機。上風向風力機需要偏航系統(tǒng)，下風向風力機可以自動對風， 所以不需要偏航系統(tǒng)。而且，在極端大風速下，上風向風力機存在葉片與機艙相撞的危險，下風向風力機則不存在這種危險。

實用新型內(nèi)容為解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型的目的在于提供一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，能夠根據(jù)風速調(diào)節(jié)葉片角位移，而且調(diào)節(jié)方便，從而擴大風力發(fā)電機的風速適用范圍。為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術方案是:一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，包括安裝在機艙外近風側(cè)的風速感應裝置1、安裝在機艙內(nèi)和風速感應裝置I電連接的控制器2、安裝在機艙外遠風側(cè)的輪轂3、通過轉(zhuǎn)軸6和輪轂3相連接的葉片主體4以及安裝在轉(zhuǎn)軸6兩側(cè)并和其連接的執(zhí)行機構(gòu)5，所述執(zhí)行機構(gòu)5和控制器2電連接。所述輪轂3上有三個轉(zhuǎn)軸6分別連接三個葉片主體4，并且葉片主體4隨著轉(zhuǎn)軸6同步同角度轉(zhuǎn)動。通過控制器2控制執(zhí)行機構(gòu)5使得轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)動并不是隨著風速的增減連續(xù)轉(zhuǎn)動，而是轉(zhuǎn)軸6帶動葉片主體4，使得葉片主體4與風力機水平軸之間的夾角0)有固定的角度取值。把夾角從90°到0°劃分為10個區(qū)間，其固定的角度取值為90°、72°、63°、57。 、51。 、45。 、39。 、33。 、27。 、18。和 O。。本實用新型的工作原理為:風速感應裝置I將速度信號傳遞給控制器2，控制器2發(fā)出指令，命令執(zhí)行機構(gòu)5解除對轉(zhuǎn)軸6的鎖定，然后帶動轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動，而與轉(zhuǎn)軸6相連的三個葉片主體4則隨著轉(zhuǎn)軸6同步同角度轉(zhuǎn)動。和現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點:采用本實用新型系統(tǒng)能夠在風速過大時降低風力發(fā)電機的能量捕獲，保證風力機工作在額定參數(shù)附近，從而擴大風力發(fā)電機的風速適用范圍。而且，由于下風向風力機的先天優(yōu)勢使得葉片在風速較大時沿著順風方向收攏，角位移減小，風阻不會突然增大過多，葉片受到的沖擊比較穩(wěn)定；在風速由大變小的過程中，葉片朝著逆風方向展開，風阻不會突然減小過多，葉片受到的沖擊較小，調(diào)節(jié)也比較穩(wěn)定。這樣，葉片在整個運行過程中承受的載荷不會突變，所以增強了葉片的安全性和穩(wěn)定性。

圖1是正常風速時本實用新型葉片主體處于正常工況位置的示意圖。圖2是風速增大時本實用新型葉片主體角位移為①時的示意圖。圖3是風速過大，超過葉片承受范圍時本實用新型葉片主體完全收合并且風力機停機時的狀態(tài)示意圖。圖4是本實用新型逆風方向的視圖。圖5是角位移隨風速大小V的函數(shù)關系示意圖(圖中V表示來流風速，Vtl表示當風力機原工況正常運行時的最大可承受風速，O表示葉片與風力機水平軸的夾角，該圖是10個檔位的情況)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1至圖4所示，本實用新型是一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，包括安裝在機艙外近風側(cè)的風速感應裝置1、安裝在機艙內(nèi)和風速感應裝置I電連接的控制器2、安裝在機艙外遠風側(cè)的輪轂3、通過轉(zhuǎn)軸6和輪轂3相連接的葉片主體4以及安裝在轉(zhuǎn)軸6兩側(cè)并和其連接的執(zhí)行機構(gòu)5，所述執(zhí)行機構(gòu)5和控制器2電連接。風速感應裝置I測定來流風速，并將信息及時傳遞給控制器2，控制器2發(fā)出指令，命令執(zhí)行機構(gòu)5工作，執(zhí)行機構(gòu)5 —方面用于給轉(zhuǎn)軸6的轉(zhuǎn)動提供動力，并且測量記錄轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)過的角度，另一方面用于給轉(zhuǎn)軸6剎車并且使其固定在某一位置。這樣，在高風速下，通過整個系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)葉片的角位移，可以在較大的風速情況下，使風力機繼續(xù)工作；反之，在風速降低直至設計風速的過程中，葉片逆向經(jīng)過上述的角位移，分階段與環(huán)境風速的對應區(qū)間相適應，直至正常工作狀態(tài)。如圖1所示，當風速正常時，葉片主體4處于正常工況位置，轉(zhuǎn)軸6處于被執(zhí)行機構(gòu)5鎖定的狀態(tài)，風力機正常運 行，此時角位移為90°。[0023]如圖2所示，當風速超過正常的風速適用范圍時，風速感應裝置I將速度信號傳遞給控制器2，控制器2發(fā)出指令，命令執(zhí)行機構(gòu)5解除對轉(zhuǎn)軸6的鎖定，然后帶動轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動，而與轉(zhuǎn)軸6相連的葉片主體4則隨著轉(zhuǎn)軸6同步同角度轉(zhuǎn)動，根據(jù)不同的風速，角位移Φ為相應的角度，然后命令執(zhí)行機構(gòu)5對轉(zhuǎn)軸6實現(xiàn)鎖定。如圖3所示，當風速過大，超出葉片主體4的承受范圍時，則葉片主體4完全收合，此時角位移Φ為0°，風力機停機，更有利于保護風力機。如圖4所示，作為本實用新型的優(yōu)選實施例，所述輪轂3上有三個轉(zhuǎn)軸6分別連接三個葉片主體4 ;三個葉片主體4分別以轉(zhuǎn)軸AA’、BB’和CC’為各自軸線，順風方向收合。執(zhí)行機構(gòu)5跟蹤記錄轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)過的角度，則轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)過的角度也就是葉片主體4轉(zhuǎn)過的角度。這樣,葉片主體4與風力機水平軸的夾角將由90°慢慢減小，即角位移Φ由90°慢慢減小。并且，隨著風速的增加，角位移Φ并不是連續(xù)產(chǎn)生，而是將風速劃分為若干區(qū)域，角位移Φ是各個風速區(qū)域內(nèi)的不同常數(shù)。當風速從正常工作值上升到達某一值時，系統(tǒng)控制器2發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)5將轉(zhuǎn)軸6解鎖，驅(qū)動轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動某一設定角度，然后鎖死，葉片主體4完成一次改變角位移的操作，風力機即可在此風速條件下正常工作；當風速再次上升，達到某一值時，執(zhí)行機構(gòu)再次重復上述的工作，完成角位移Φ的改變。如圖5所示，把角位移Φ從90°到0°劃分為10個區(qū)間，考慮功率不變，計算出每個角位移Φ所對應的葉片可承受的最大風速為Vc^LOSVtlU.12V0U.20V0, U.30V0,,1.41V0、1.58V0、L83V0、2.24V。和3.16V。(風速超過3.16V。，角位移Φ為O時，相當于風力機停機，能夠發(fā)電的工作狀態(tài)有10個角位移)。因此，葉片角位移調(diào)節(jié)時有10個工作位置，有效地保證了系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)·定性。當風速達到Vtl時，控制器2發(fā)出命令，轉(zhuǎn)軸6被執(zhí)行機構(gòu)5解鎖，由初始位置(角位移Φ為90° )持續(xù)轉(zhuǎn)過18°則葉片主體4也持續(xù)轉(zhuǎn)過18°，角位移Φ變成了 72°，則葉片部分收攏，然后執(zhí)行機構(gòu)5對轉(zhuǎn)軸6進行剎車并且鎖死。這樣，風力機的適用風速擴展到1.05V0O當風速再次上升超過1.05V0時，重復上述“解鎖一轉(zhuǎn)動一剎車一鎖死”的動作，角位移Φ變?yōu)?3°，風力機的適用風速擴展到1.12%。以此類推。同理，當風速減小時，葉片主體4隨著轉(zhuǎn)軸6的反轉(zhuǎn)逆風展開，仍與葉片收攏時的工作位置相同，只是順序相反，即角位移Φ也不是連續(xù)產(chǎn)生，而是隨著風速達到某一值時，轉(zhuǎn)軸6轉(zhuǎn)動某一角度，帶動葉片主體4轉(zhuǎn)動使角位移Φ增加至上述取值中的某一個，隨著風速的進一步減小直至葉片主體4展開至正常位置，角位移Φ則順次階段性地恢復至90°。這樣，風力發(fā)電機又恢復到了正常的工作范圍。通過以上調(diào)節(jié)，本實用新型可以在保證風力機葉片系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件下，使葉片隨風速變化而階躍性轉(zhuǎn)動，抵消了風速變大對風力機功率的影響，使得風力機功率近似不變，從而擴大了風速的適用范圍。同理，本實用新型不僅適用于將葉片角位移分十個區(qū)間，而且適用于其它區(qū)間的情形。比如將葉片角位移分八個區(qū)間，則此時相應的角位移Φ由大到小依次為:90°、69°、60°、52°、45°、38°、30°、21°和0°，此時各個角位移Φ所對應的葉片可承受的最大風速為 V0U.07V0、1.15V0、1.26V。、1.41V。、1.63V0、2.0OV0 和 2.83V。。又如將葉片角位移分五個區(qū)間，則此時相應的角位移Φ由大到小依次為:90°、63°、51°、39°、27°和0°，此時各個角位移Φ所對應的葉片可承受的最大風速為Vc^
1.12V。、1.29V。、1.58V。、1.41V0 和 2.24V0。
權(quán)利要求1.一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，其特征在于:包括安裝在機艙外近風側(cè)的風速感應裝置(I )、安裝在機艙內(nèi)和風速感應裝置(I)電連接的控制器(2)、安裝在機艙外遠風側(cè)的輪轂(3)、通過轉(zhuǎn)軸(6)和輪轂(3)相連接的葉片主體(4)以及安裝在轉(zhuǎn)軸(6)兩側(cè)并和其連接的執(zhí)行機構(gòu)(5)，所述執(zhí)行機構(gòu)(5)和控制器(2)電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，其特征在于:所述輪轂(3)上有三個轉(zhuǎn)軸(6)分別連接三個葉片主體(4)，并且葉片主體(4)隨著轉(zhuǎn)軸(6)同步同角度轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，其特征在于:通過控制器(2)控制執(zhí)行機構(gòu)(5)使得轉(zhuǎn)軸(6)的轉(zhuǎn)動并不是隨著風速的增減連續(xù)轉(zhuǎn)動，而是轉(zhuǎn)軸(6)帶動葉片主體(4)，使得葉片主體(4)與風力機水平軸之間的夾角有固定的角度取值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，其特征在于:把夾角①從90°到0°劃分為10個區(qū)間，其固定的角度取值為90°、72°、63°、57。 、51。 、45。 、39。 、33 。 、27。 、18。和 O。。
專利摘要一種可調(diào)葉片角位移的新型下風向風力機葉片系統(tǒng)，包括安裝在機艙外近風側(cè)的風速感應裝置、安裝在機艙內(nèi)和風速感應裝置電連接的控制器、安裝在機艙外遠風側(cè)的輪轂、通過轉(zhuǎn)軸和輪轂相連接的葉片主體以及安裝在轉(zhuǎn)軸兩側(cè)并和其連接的執(zhí)行機構(gòu)，所述執(zhí)行機構(gòu)和控制器電連接；風速感應裝置將速度信號傳遞給控制器，控制器發(fā)出指令，命令執(zhí)行機構(gòu)解除對轉(zhuǎn)軸的鎖定，然后帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，而與轉(zhuǎn)軸相連的葉片主體則隨著轉(zhuǎn)軸同步同角度轉(zhuǎn)動以達到順風收攏或者逆風展開的目的；隨著風速的變化，可以設定幾個角度，避免連續(xù)轉(zhuǎn)動導致葉片不穩(wěn)定情況的發(fā)生；采用本實用新型系統(tǒng)能夠在風速較大時降低風力發(fā)電機的能量捕獲，保證風力機工作在額定參數(shù)附近，從而擴大風力發(fā)電機的風速適用范圍。
文檔編號F03D1/06GK203098141SQ20132006778
公開日2013年7月31日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者吳東垠, 李超, 蒙佳, 曹慎騰, 朱毅瑩, 鄒洋 申請人:西安交通大學