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CN101871429A - 可变平面风叶组合、具有该风叶组合的风力发动机和发电系统 - Google Patents

可变平面风叶组合、具有该风叶组合的风力发动机和发电系统 Download PDF

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CN101871429A CN200910137035A CN200910137035A CN101871429A CN 101871429 A CN101871429 A CN 101871429A CN 200910137035 A CN200910137035 A CN 200910137035A CN 200910137035 A CN200910137035 A CN 200910137035A CN 101871429 A CN101871429 A CN 101871429A
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Abstract

本发明公开了一种可变平面风叶组合、具有该风叶组合的风力发动机和发电系统，其能够更为有效地利用风力，尤其能够根据风力的强度调节活动门的面积，从而保护整套风力发电装置。该风力发电装置包括设置在支撑轴上的风轮和发电组件，该风轮和该发电组件通过传动机构连接，使得风轮可驱动发电组件发电，所述风轮可绕支撑轴转动，所述风轮包括：多个风叶；活动门，其设置在风叶上，能够在垂直方向上打开或闭合，并且设置成当该风叶顺风旋转时，该活动门关闭，当该风叶逆风旋转时，该活动门打开。该发电组件由多个不同额定功率的发电机组成。可调控组合成系列额定功率，以匹配自然风的变化风能。

Description

可变平面风叶组合、具有该风叶组合的风力发动机和发电系统
技术领域
本发明涉及一种风力发电设备，尤其是具有可变平面风叶组合的风力发电设备。
背景技术
风能作为一种绿色能源，取之不尽、用之不竭，世界上许多国家早已经开始利用风力发电技术提供电力。传统的风力发电设备的风轮在风力的驱动下每分钟大致转动8-15圈。这种风力发电设备还需要风向跟踪装置的配合来进行风力发电，而该风向跟踪装置造价高并且容易损坏，也很难适应风向快速变化的风或者风向不稳定的风。现有的风力发电设备一般是水平轴式或垂直轴式。垂直轴式风力发电设备通常由发电机、垂直轴和风轮组成，风轮与垂直轴固定，垂直轴驱动发电机。当风迎面吹向风轮，风轮上的风叶受到风力的推动而开始水平旋转，风轮的转动带动垂直轴。虽然垂直轴式风轮发电装置能不受风向的变化进行旋转，也就是说任何方向的风对于该垂直轴式的风力发电装置的风轮来说都是迎面风。水平轴式的风力发电设备一般设置在较长的支撑轴上，风轮设置在支撑轴的顶端，发电机也设置在支撑轴的顶端，并且位于风轮的后部，风轮的转动直接驱动发电机。这种水平轴式的风力发电设备的支撑轴一般很长，整套设备比较笨重，造价不菲。此外，设置在较长的支撑轴顶端的发电机使得没有足够的空间进行维护，十分不方便。
中国专利申请CN 1614229A公开了一种这样的单向阀式风轮，其具有在一垂直轴上等角度沿着轴向安装的风叶，每片风叶都具有阀框，每个阀框上都装有单向阀片轴、单向阀片和限位杆。单向阀片在风力的作用下打开，但是由于限位杆的作用，单向阀片只能向一个旋转方向打开，向与该方向相反的方向关闭，并且可以看到，该单向阀片只能上下开启/关闭，见图1。这种单向阀片的不足之处在于，单向阀片的开启/关闭过程需要克服自身的重力，在克服该重力的过程中消耗了部分的风能，这降低了风力发电装置的效率。
发明内容
为了解决上述现有技术中的风力发电设备所存在的不足，本发明是通过以下技术方案实现的：一种风力发电装置，其包括设置在支撑轴上的风轮和发电组件，该风轮和该发电组件通过传动机构连接，使得风轮可驱动发电组件发电，所述风轮可绕支撑轴转动，所述风轮包括：多个风叶；活动门，其设置在风叶上，能够在垂直方向上打开或闭合，并且设置成当该风叶顺风旋转时，该活动门关闭，当该风叶逆风旋转时，该活动门打开。此外，本发明还提供了一种用于风力发电的动力传动系统，包括：支撑轴；风轮，该风轮能够相对于该支撑轴转动；风轮转盘，其与所述风轮固定连接；传动组件，其由所述风叶转盘驱动；发电机，其由所述传动组件驱动而进行发电，并且位于所述风轮的下方。
此外，本发明的技术方案还具有其它优选的特征，所述活动门在所述风叶上的位置可以调节；还具有控制系统，用于根据风力的大小而调整所述活动门的位置。每个所述风叶上最外侧的活动门预设有预定的开启和关闭的角度，开启的最大角度La预设为100°≤La≤180°，关闭的最小角度Lb预设为0°≤Lb≤60°。
与现有技术中的风力发电设备相比，本发明所提供的装置提供了更高的效率，能够更为有效地利用风力，并且能够根据风力的强度调节风叶的面积，从而保护整套风力发电设备。另外，设置在地面上的发电机也便于维护。
附图说明
图1是现有技术中的单向阀式风轮的结构示意图；
图2是本发明的风轮的工作原理示意图；
图3是本发明的风轮的结构图；
图4示出了风吹向风轮时，各个风叶上的活动门的受力情况；
图5示出了位于开启的最大角度和关闭的最小角度的活动门；
图6示出了调节风叶上活动门位置的调节机构；
图7示出了整套风力发电设备的结构图；
具体实施方式
本发明的风力发电装置是全方位的风力发电装置，任何方向的风对本风力发电装置而言都是迎面风(正面的风)，而不需要设置专门的风向跟踪装置。图2示出了本发明的风轮1的工作原理示意图，该风轮1设置在支撑轴10上。在该图中，示出了4个风叶11，但是风叶的数目并不仅仅限于4个，任意个风叶都可行，优选为3-6个。如图2所示，每个风叶11都设置有活动门12，活动门12能够在垂直方向上打开或闭合，其中以虚线示出的活动门处于关闭状态。
位于该风轮左侧的风叶顺风旋转，而处于该侧的活动门都处于关闭状态；位于该风轮右侧的风叶逆风旋转，而处于该侧的活动门都处于自然打开状态。可以理解，在本实施例中，活动门的关闭和打开都是在风力的作用下实现的。显然，本领域技术人员可以理解，活动门的关闭和打开也是可以通过控制机构来进行控制的，而不必限于风力的作用。如图3所示，风叶包括框架结构件20，通过连接支撑轴10的上下两根辐条固定在支撑轴10上，每个风叶上设有多个转轴21，转轴21的两端连接该框架结构件20的上下辐条，活动门12通过该转轴21设置在风叶上。该活动门12的转轴21设在距离该活动门12的一边缘lo处，其中0≤lo≤1/2活动门的宽度(参见图5)。其中附图2、4示出了lo为0的实施例。而附图5示出了lo不等于0的实施例，该设置使得活动门受到湍流(乱风)冲击时，不会过分地摆动，因为吹打在该转轴前面的风和吹打在该转轴后面的风，令活动门转动的方向相反，互相制约，使该活动门保持稳定。
当风叶顺风旋转时(图2的左侧风叶)，活动门自然关闭，形成了面积较大的密实的屏风，风力作用在整个风叶的面积(h×1)上，从而形成了强大的推动力。风叶逆风旋转时(图2的右侧风叶)，活动门自然打开，该风叶处于完全通风的状态，这样使得风力在该风叶上的作用面积极小，所产生的风的阻力也就极小，几乎可以忽略不计。这样一来，不管风叶的面积多大，风对风叶的阻力始终很小，由于活动门在垂直方向上打开或关闭，与活动门在水平方向上打开或关闭相比，本发明的活动门的设置无需克服活动门自身的重力，因此能够进一步提高风机的效率。
活动门可由多种材料制成，一般采用比重轻且具有最佳的疲劳强度和机械性能，该材料还需要能经受暴风等极端恶劣条件和随机负荷的考验；耐腐蚀、紫外线照射和雷击的性能好。玻璃纤维和碳纤维是目前制造风力发电设备的风叶最为重要的两种材料。优选的，对于较小型的风叶(如22m长)选用量大价廉的E-玻纤增强塑料，树脂基体以不饱和聚酯为主，也可选用乙烯酯或环氧树脂，而较大型的风叶(如42m以上)一般采用CFRP或CF与GF的混杂复合材料，树脂基体以环氧为主。本发明的风轮、风叶以及活动门可以采用包括玻璃纤维和碳纤维的合适的材料制成，例如，风叶框架采用不锈钢，活动门采用铝合金或塑料，支撑轴采用不锈钢。
以下简单分析风力对于风轮1的推动力。见图3，风力垂直施加在风叶上，所产生的推动力等于风施加在(h×1)面积上的垂直力，风力接近全部充当推动力。这是一般的水平轴式的风机所无法相比的。根据测量结果，水平轴式的风机只有低于50％的风力充当推动力。
见图4，在该图所示的情况下，顺风旋转的风叶并没有垂直于风向。在该情况下，风机受到两个推动力。第一推动力是风施加在风叶A上的力，该第一推动力等于风垂直施加在(h×1×cosα)面积上的力。第二推动力是风力施加在风叶B上的力。由于风叶A挡住了迎面吹来的风，使得风叶A背后(AB区)产生了“真空”的现象，气压较低，令四周的风在气压差的作用下进入该区，从而使风叶B获得另一个推动力，该第二推动力近似等于风施加在(h×1×sinα)面积上的力。因此，风机在图4所示的状态下获得的推动力，等于上述第一推动力和第二推动力之和，即施加在h×1×(sinα+cosα)面积上风的垂直力。根据数学知识，(sinα+cosα)不会小于1，所以风机在任何状态下，所获得的推动力不会小于风施加在(h×1)面积上的垂直力。
图6示出了活动门在风叶上的位置的调节。在风力发电领域，虽然希望获得尽可能大的风力，但是当风力大到一定程度，如破坏性飓风时，会对风力发电装置产生损坏，因此在这种情况下，如果位于顺风旋转一侧的活动门仍然形成密实的屏风，那对于整套装置来说反而是一种威胁；在该情况下，就需要调节每个风叶上受到风力的面积的大小。本发明的风轮通过调节活动门在风叶上的位置来实现该技术目的：本发明的风力发电装置具有控制系统和风力测量装置(未示出)，该控制系统包括调节机构，用于调节活动门的转轴的位置，从而调节所述活动门的位置。该调节机构根据风力测量装置所测量的风力的大小而调整所述活动门的位置。当风力变小的时候，控制所述活动门，使该活动门远离所述支撑轴，即向风叶的远端移动；当风力变大的时候，所述活动门向所述支撑轴靠拢，即向风叶的近端移动。活动门在风叶上的位置的调节通过移动框架结构件上的转轴的位置而实现。图6示出了移动转轴的位置的一个实施例，其中风叶11设置有三个活动门12a、12b、12c。所述三个活动门分别固定在转轴21a、21b、21c上，转轴21a、21b、21c安装在框架结构件的左右两根导轨中，每个转轴又分别安装在一个动滑轮40a、40b、40c上，使该转轴能够和与其对应的动滑轮一起在所述导轨中移动，滑轮之间以滑轮组机构的方式连接，优选地通过滑轮间的链条来调节动滑轮的位置，为此在每个风叶的远近两端设置有一个定滑轮。优选地可以通过设置在风轮转盘上的装置自动地调节该滑轮组机构，具体操作为，所述链条在所述框架结构件内部连接每个风叶上的所有动滑轮，并且连接每个风叶上的定滑轮，接着延伸到所述风轮转盘。这样的设置，使得操作人员可以同步地调节每个风叶上的动滑轮的位置，从而达到控制活动门的位置。优选是各个风叶上的相应的活动门是一致控制的。
调节所述活动门的位置的方式不限于上述的滑轮组机构，也可以通过其它合适的装置来调节活动门在风叶上的位置。例如，可以在辐条上设置有可转动的丝杆，而活动门的转轴可以是通过齿轮而可滑动地安装在辐条上，该丝杆和齿轮啮合。通过例如电动马达驱动丝杆旋转，从而使得齿轮沿该丝杆运动，进而调节活动门的位置。
每个风叶还设有起止档作用的部件，使得当风叶顺风旋转时，该风叶上的活动门被限制在关闭的状态。如图2所示，在一个优选的实施例中，所述的活动门在闭合位置至少部分地覆盖与其相邻的、朝向风叶内侧的活动门，设置在所述风叶的近端的活动门由设置在所述框架结构件上的止挡件挡住。如图6所示，在另一优选的实施例中，活动门12a、12b、12c分别通过设置动滑轮21b、21c和所述近端的定滑轮来止挡。当然，本领域技术人员可以理解，在本发明的范围内还可以有各种的变化。
为进一步提高对风力的利用，本发明的风叶上的最外的活动门可以是具有一定角度。如图5所示，每个风叶的最外侧的活动门预设有预定的开启和关闭的角度，开启的最大角度La预设为100°≤La≤180°，关闭的最小角度Lb预设为0°≤Lb≤60°。该预设的特定角度使得风叶在逆风旋转时也获得风的推动力，从而增大风叶的动力。在一个优选的实施例中，通过设置在每个所述风叶最外侧的活动门的转轴两侧的例如凸缘的止挡装置限制该最外侧的活动门的开启的最大角度和关闭的最小角度。或者是限制转轴的旋转角度，从而实现活动门的开启的最大角度和关闭的最小角度。限制转轴的旋转角度的方法应该是公知的。
在图5中，当风叶旋转到从顺风旋转区域进入逆风旋转区域时，所述止挡装置使得该最外侧的活动门处于开启的最大角度La。由于每个风叶的近端的一部分不设置活动门，这是因为该部分非常靠近所述支撑轴，所产生的力矩较小。风穿过风叶21b近端的空隙施加在风叶21c的最外侧的活动门上，产生推动力。此外，当风叶21c在逆风区域内旋转的最初阶段，该推动力一直存在。
同样在图5中，风叶21d处于逆风旋转状态，该风叶最外侧的活动门由于止挡装置的限制，没有完全关闭，处于关闭的最小角度Lb。但风力(逆风)作用在该活动门上推动力F，该推动力F可以分为垂直于该活动门的分力F1和平行于活动门的分力F2。其中分力F1成为了推动该活动门的推力。即，关闭的最小角度使得逆风旋转的风叶的最外侧的活动门产生推动力。
由上述对于图5中风轮的分析，可以知道，当风叶处于逆风旋转的状态下，该风叶上的活动门非但没有对风轮的旋转产生阻力，反而因为所设置的止挡装置，产生了推动力。
如图7所示，该风力发电装置还具有发电组件，该风轮和该发电组件通过传动机构连接，使得风轮可驱动发电组件发电。在一个优选的实施例中，所述传动机构包括与风轮固定连接的风轮转盘60，风轮转盘跟随着风轮而转动。所述风轮转盘通过齿轮传动装置与发电组件连接，从而驱动发电组件进行发电。在本实施例中，齿轮传动装置包括与风轮转盘相啮合的齿轮，该齿轮通过例如皮带、链条等而与发电组件的输入转轮相连接。附图7示出了二级的齿轮传动，但是本领域技术人员可以根据需要而设计适当的齿轮传动装置。该发电组件包括发电机室。在一个实施例中，该发电组件为发电机，该传动机构为一传动组件，所述发电机由所述传动组件驱动而进行发电，并且位于所述风轮的下方。在一个优选的实施例中，所述风轮通过轴承安装在支撑轴10上。所述传动组件可以是设置在所述支撑轴10内部的齿轮传动装置。本领域技术人员知道，该传动组件还可以设置在所述支撑轴10的外部，例如搭建在该支撑轴10上的平台上。如此设置的风力发电装置，使得支撑轴10不需要跟随风轮一起转动，节省了相当一部分的能量，并且设置在风轮下方的(尤其是地面上)发电机大大方便了发电机的维护工作，节省了安装和保养的成本。
因为发电机具有额定功率，风轮的额定转速对应于该发电机的额定功率。在额定转速下，发电机恰好在其额定功率下安全运作。如果风轮的转速超过额定转速，发电机就要超过其额定功率运作，这样会烧坏发电机，因此风轮的转速必须控制在额定转速以内。但是自然风不大可能会保持在一定强度(对应于额定转速)以内。现有的风机在面对高风速时，就不得不进行刹车，使风轮的转速减慢，保持在额定转速以内。这种刹车是浪费风能的消极方法。
本发明采用了调控一个或多个相应的风力发电装置进行发电，也就是在发电机室内安装多台发电机。通过串联所述一个或多个相应的发电机实现该调控。该多个发电机的额定发电功率可以互不相同。调配不同数量的发电机来应付不同强度的风速，这一方面起到刹车的效果，另一方面大大提高了风能的利用。这对于风源强弱变化较大的风场尤为意义重大。
例如一风力发电装置的发电组件具有额定功率分别为500kW、1000kW和3000kW的三台发电机，应用所述三台发电机可以得到7个发电组合，可匹配能量由200kW-4500kW的风能。具体匹配参见表1，这仅仅是简单的举例，发电机的具体组合，需要根据风场的实际需要而设计。
表1 500kW、1000kW、3000kW的发电机组合匹配表
  风能范围   发电机额定功率组合
  200kW-500kW   500kW
  500kW-1000kW   1000kW
  1000kW-1500kW   500kW+1000kW
  1500kW-3000kW   3000kW
  3000kW-3500kW   3000kW+500kW
  3500kW-4000kW   3000kW+1000kW
  4000kW-4500kW   3000kW+1000kW+500kW
虽然已详细说明了实施本发明的最佳方式，但熟悉本发明所属技术领域的技术人员将认识到，用于实施本发明的各种替代设计和实施例都在所附权利要求书的范围内。

Claims (21)

1.一种风力发电装置，其包括设置在支撑轴上的风轮和发电组件，该风轮和该发电组件通过传动机构连接，使得风轮可驱动发电组件发电，所述风轮可绕支撑轴转动，所述风轮包括：
多个风叶；
活动门，其设置在风叶上，能够在垂直方向上打开或闭合，并且设置成当该风叶顺风旋转时，该活动门关闭，当该风叶逆风旋转时，该活动门打开。
2.根据权利要求1所述的风力发电装置，其特征在于，所述活动门通过转轴安装在风叶上，所述活动门可绕所述转轴转动，以便在打开位置和闭合位置之间运动。
3.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述活动门在风力作用下进入闭合位置或打开位置。
4.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，
所述活动门在所述风叶上的位置可以调节；
还具有控制系统，用于根据风力的大小而调整所述活动门的位置。
5.根据权利要求4所述的风力发电装置，其特征在于，所述控制系统包括调节机构，用于调节所述转轴的位置，从而调节所述活动门的位置。
6.根据权利要求4或5所述的风力发电装置，其特征在于，所述活动门控制成当风力变小的时候，所述活动门远离所述支撑轴，而当风力变大的时候，所述活动门向着所述支撑轴靠拢。
7.根据权利要求6所述的风力发电装置，其特征在于，所述调节机构是在风叶上的滑轮组机构。
8.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，每个活动门设置有止挡装置，以将活动门阻挡在关闭位置。
9.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述的活动门在其闭合位置至少部分地覆盖与其相邻的、朝向风叶内侧的活动门，从而起止挡的作用；最靠近所述垂直轴的活动门由设置在风叶上的止挡件挡住。
10.根据前述任一项权利要求所述的风力发电装置，其特征在于，每个所述风叶上最外侧的活动门预设有预定的开启和关闭的角度，开启的最大角度La预设为100°La≤180°，关闭的最小角度Lb预设为0°≤Lb≤60°。
11.根据权利要求10所述的风力发电装置，其特征在于，通过设置在每个所述风叶上的止挡装置限制该最外侧的活动门的开启的最大角度和关闭的最小角度。
12.根据权利要求2所述的风力发电装置，其特征在于，所述活动门的转轴设置在离活动门的边缘距离lo的位置上，其中0≤lo≤1/2活动门的宽度。
13.根据前述任一项权利要求所述的风力发电装置，其特征在于，所述风叶的数目是3、4、5或6个。
14.根据前述任一项权利要求所述的风力发电装置，其特征在于，所述传动机构包括与风轮固定连接的风轮转盘，所述风轮转盘通过齿轮传动装置与发电组件连接，从而驱动发电组件进行发电。
15.一种用于风力发电的发电系统，其特征在于，对应于不同的风力，调控一个或多个具有相应的额定功率的风力发电装置进行发电。
16.根据权利要求15所述的发电系统，还包括设置在支撑轴上的风轮，该风轮和所述风力发电装置通过传动机构连接，使得风轮可驱动该风力发电装置进行发电，所述风轮可绕支撑轴转动，所述风轮包括：
多个风叶；
活动门，其设置在风叶上，能够在垂直方向上打开或闭合，并且设置成当该风叶顺风旋转时，该活动门关闭，当该风叶逆风旋转时，该活动门打开。
17.根据权利要求15所述的发电系统，其特征在于，通过串联所述一个或多个相应的该风力发电装置实现所述的调控。
18.根据权利要求15-17中任意一项所述的发电系统，其特征在于，所述多个风力发电装置的额定发电功率互不相同。
19.一种用于风力发电的动力传动系统，包括：
支撑轴；
风轮，该风轮能够相对于该支撑轴转动；
风轮转盘，其与所述风轮固定连接；
传动组件，其由所述风叶转盘驱动；
发电机，其由所述传动组件驱动而进行发电，并且位于所述风轮的下方。
20.根据权利要求19所述的动力传动系统，其特征在于，所述风轮通过轴承安装在该支撑轴上。
21.根据权利要求19或20所述的动力传动系统，其特征在于，所述传动组件是设置在所述支撑轴上的齿轮传动装置。
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