低風(fēng)速下使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用螺旋槳的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其通過把額外一塊特別的槳葉可選地與現(xiàn)有傳統(tǒng)的主馬達(dá)連接和分離，使其在低風(fēng)速環(huán)境和小機(jī)會(huì)刮風(fēng)的地區(qū)都能操作。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)光電是可再生能源系統(tǒng)中最重要的產(chǎn)能技術(shù)。它們涉及機(jī)電之間的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。已知的是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量輸出N與旋翼表面面積A所承受之風(fēng)速V的三次方成正比:N = f(V3*A)，從而也與旋翼直徑的二次方成正比:D:N= f(V3*D2)，因?yàn)锳 = jtD2/4。
[0003]當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)(W/T)的能量輸出N克服了啟動(dòng)損耗(軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等的摩擦力)，增加至一數(shù)值Ne，風(fēng)力發(fā)電機(jī)便開始旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)和產(chǎn)生能量。所述數(shù)值Ne對(duì)應(yīng)通常是之3.5-4.5m/秒的啟動(dòng)風(fēng)速(切入風(fēng)速)Vc。
[0004]因此，在低風(fēng)速V< Vc時(shí)，風(fēng)的能量沒有被使用。但超過該速度(V 2 Vc)時(shí)，能量輸出相對(duì)于風(fēng)速以倍數(shù)增加，直至能量輸出首次達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)(W/T)的額定功率N。。所述額定功率N。對(duì)應(yīng)于額定輸出速度VR，也對(duì)應(yīng)于功率因子Cp的最大值。
[0005]由此風(fēng)速值(V^Vr)開始，風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于操作上和穩(wěn)定性的原因，其能量輸出保持大致上恒定，多出的潛在風(fēng)能未被使用。當(dāng)風(fēng)速超出安全線，即切出風(fēng)速VF(20-30m/秒)，基于安全考慮，風(fēng)力發(fā)電機(jī)會(huì)完全停止操作。
[0006]顯而易見，在現(xiàn)有技術(shù)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的缺點(diǎn)在于低風(fēng)速U3.5-4.5m/秒)時(shí)無(wú)法操作(不轉(zhuǎn)動(dòng))，結(jié)果是:a)它們只能設(shè)置在風(fēng)速高但偏遠(yuǎn)而且人煙罕至的地區(qū)，遠(yuǎn)離能源消耗的核心地區(qū)，從而需要龐大的能量運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò);b)低地、低海拔地區(qū)或甚至一整片田野都因?yàn)榈惋L(fēng)速而不能設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但這些地區(qū)的電力消耗一般都較大;c)現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)全年的操作時(shí)數(shù)不多，效能低，增加了每單位能量的成本，使大部分投資都沒錢賺。
[0007]根據(jù)統(tǒng)計(jì)，低風(fēng)速(<3.5-4.5m/秒)出現(xiàn)的頻率較高風(fēng)速高，因此，使用低風(fēng)速產(chǎn)能成為科研領(lǐng)域一個(gè)重要的課題和其中一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。
[0008]增大旋翼直徑D可以推高產(chǎn)能。這個(gè)看似正確的解決辦法確實(shí)能增加產(chǎn)能，但會(huì)造成其它問題，例如增加了旋翼上的風(fēng)力壓力(阻力)，這樣就必須大幅增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所有部件的強(qiáng)度，例如地基、基座、風(fēng)塔、軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)，也需增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體的支撐系統(tǒng)強(qiáng)度和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的強(qiáng)度，而且增大的旋翼也會(huì)令成本增加。
[0009]旋翼的成本有兩方面要注意:a)它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中最重要的成本參數(shù);b)增大旋翼直徑D會(huì)令成本以倍數(shù)上升，從而影響整體安裝成本。因此，大幅增大直徑D也會(huì)同時(shí)大幅增加成本，但收益卻不成正比。
[0010]只有在低風(fēng)速環(huán)境下，現(xiàn)有大小的旋翼和風(fēng)力發(fā)電機(jī)無(wú)法克服啟動(dòng)損耗時(shí)，僅僅通過增加旋翼直徑D才肯定對(duì)產(chǎn)能有利。相反，在高風(fēng)速時(shí)，增大直徑無(wú)助于增加系統(tǒng)的產(chǎn)能，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)在高風(fēng)速時(shí)的操作已受到某種限制(“主動(dòng)槳距控制”或“被動(dòng)失速控制”)，浪費(fèi)了剩余的風(fēng)能。
[0011]西門子(Siemens)公司通過設(shè)置一種氣動(dòng)彈性旋翼(氣動(dòng)彈性效果)，增加旋翼直徑D，嘗試解決上述問題以及在低風(fēng)速時(shí)增加產(chǎn)能。美國(guó)專利號(hào)00H002057H也造了該嘗試。這種旋翼的直徑與現(xiàn)有產(chǎn)生相同額定功率的旋翼比較，直徑稍大。在高風(fēng)速的環(huán)境下，風(fēng)壓(阻力)會(huì)使槳葉自動(dòng)扭曲和彎曲。
[0012]用風(fēng)力扭曲槳葉可以改變擊打角度(角度設(shè)定和限制能量輸出)，用風(fēng)力彎曲會(huì)減少旋翼的掃風(fēng)面積，這樣限制了在一般使用情況下能量輸出的增幅，減少所施加的壓力(阻力)增幅，從而需要擴(kuò)大整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的體積。
[0013]這種方法的缺點(diǎn)在于:a)為使槳葉有效地操作，槳葉在生產(chǎn)和運(yùn)輸時(shí)都必須確保絕對(duì)無(wú)縫，不能有任何中間連接位，但這樣的槳葉幾乎只能夠離岸安裝(而且需要特別的車輛或船來運(yùn)送)，無(wú)法運(yùn)送到偏僻地區(qū)或山頂?shù)蕊L(fēng)力發(fā)電機(jī)較常安裝的地區(qū);b)相對(duì)于現(xiàn)有的直徑，旋翼直徑的增幅不能超過7-8%，因此相應(yīng)增加的能量輸出也是有限的；c)槳葉的敏感度和耐用性取決于很多而且不確定的因素(多種物料的混合使用，以至根據(jù)特定角度和厚度逐階段和逐層接合等等，但全部都很可能失敗告終)，無(wú)法輕易劃一品質(zhì);d)槳葉承受持續(xù)、動(dòng)態(tài)，而且同時(shí)彎曲和扭曲的力，與現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)堅(jiān)固的槳葉比較，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的物料疲勞問題;e)系統(tǒng)的操作狀態(tài)絕非線性的，槳葉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)必須連系并且看來是跟隨著不斷轉(zhuǎn)變的流動(dòng)場(chǎng)，這樣需要很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)知識(shí)和研發(fā)全新和復(fù)雜的“工具”。
[0014]其它技術(shù)方案會(huì)設(shè)置兩個(gè)或以上的發(fā)電機(jī)，其中一個(gè)的功率比風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率小很多，另一個(gè)的功率比風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率大少許，它們依次連接系統(tǒng)，從而使低風(fēng)速下的啟動(dòng)損耗減至最低(功率小很多的發(fā)電機(jī))，在高風(fēng)速下增強(qiáng)效率至負(fù)荷頂點(diǎn)(功率大少許的發(fā)電機(jī))。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明涉及一種使用螺旋槳的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其包括基本和已知的螺旋槳旋翼支座:包括一般是三塊的已知槳葉、旋翼輪轂、風(fēng)力發(fā)電塔、內(nèi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)艙、旋轉(zhuǎn)軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、制動(dòng)器和安全系統(tǒng)等等。第四塊螺旋運(yùn)動(dòng)的額外槳葉設(shè)置于其中兩塊相連的已知槳葉之間的空間，而且相對(duì)于第三塊已知槳葉朝相反方向設(shè)置。第四塊額外槳葉較三塊已知槳葉長(zhǎng)。
[0016]額外槳葉和已知槳葉不同之處也在于額外槳葉不總是連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而是只在低風(fēng)速時(shí)才可選地與風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)連接，從而增加功率輸出和增加能量年產(chǎn)量。額外槳葉是單一和獨(dú)立的，其設(shè)有朝額外槳葉相反方向設(shè)置的重量平衡塊，作用是a)平衡操作(已連接)階段產(chǎn)生的力，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡;和b)把額外槳葉驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定至塔前面的待用位置(分離)。
[0017]額外槳葉優(yōu)選地安裝于中空?qǐng)A柱體的外表面，與主旋翼的旋轉(zhuǎn)軸同軸設(shè)置，并且在平行于主旋翼的一個(gè)面上優(yōu)選地在主旋翼后面繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
[0018]優(yōu)選地，額外槳葉在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的待用狀態(tài)或低風(fēng)速操作環(huán)境下連接至系統(tǒng)，而明顯地，拆卸額外槳葉可以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)下而且是在額定功率輸出時(shí)進(jìn)行。在拆卸和待用位置時(shí)，額外槳葉都保持垂直，緊貼著塔和整個(gè)被塔所覆蓋，以免產(chǎn)生任何額外抗力(阻力)。
[0019]額外槳葉優(yōu)選地設(shè)有功率控制和優(yōu)化系統(tǒng)，優(yōu)選基于:a)槳葉葉剖面方向(槳距角/擊打角度)相對(duì)風(fēng)向的持續(xù)變化(“主動(dòng)槳距控制”)，或b)更簡(jiǎn)單地，氣流脫離的被動(dòng)系統(tǒng)(“被動(dòng)失速控制”)，其中槳葉固定和永久地被扭曲；或幻上述a和b的組合。
[0020]在另一種實(shí)施方式中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以設(shè)有兩部獨(dú)立的發(fā)電機(jī):一部很小型的發(fā)電機(jī)，是現(xiàn)有發(fā)電機(jī)大小的約50%，用作啟動(dòng)；另一部發(fā)電機(jī)是現(xiàn)有發(fā)電機(jī)大小的約120%，在操作狀態(tài)使用。兩部發(fā)電機(jī)依次連接至系統(tǒng)。
[0021]此外，額外槳葉可以在高風(fēng)速的風(fēng)壓直接作用下被動(dòng)地扭曲和彎曲，同一時(shí)間通過扭曲調(diào)控?fù)舸蚪嵌群屯ㄟ^彎曲(氣動(dòng)彈性)調(diào)控旋翼的掃風(fēng)面(直徑)。
【附圖說明】
[0022]圖1示出本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中設(shè)有額外槳葉。
[0023]圖2示出圖1的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的側(cè)視圖A。
[0024]圖3也是側(cè)視圖A，其中示出安裝圖1所示之額外槳葉的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
[0025]圖3a是圖1的截面A-A，其中示出把額外槳葉安裝至風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的另一種安裝結(jié)構(gòu)。
[0026]圖4是風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的截面B-B，其中示出把額外槳葉連接至系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
[0027]圖4a的截面圖示出把額外槳葉接連接至風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的另一種方式。
[0028]圖5示出可設(shè)有額外槳葉的已知風(fēng)力發(fā)電機(jī)其功率-風(fēng)速的功率曲線，兩者都設(shè)有功率控制系統(tǒng)(主動(dòng)槳距控制)。
[0029]圖6示出可設(shè)有額外槳葉的已知風(fēng)力發(fā)電機(jī)其功率-風(fēng)速的功率曲線，兩者都設(shè)有被動(dòng)功率控制系統(tǒng)(被動(dòng)失速控制)。
【具體實(shí)施方式】
[0030]已知的風(fēng)力發(fā)電機(jī)不會(huì)在低風(fēng)速時(shí)旋轉(zhuǎn):即速度VSVc時(shí)，更具體地，是速度為
3.5-4.5m/秒時(shí)，其中Vc指的是“切入風(fēng)速”，即啟動(dòng)時(shí)的風(fēng)速。不會(huì)在低風(fēng)速時(shí)旋轉(zhuǎn)的原因在于風(fēng)的旋轉(zhuǎn)扭力需要克服多種啟動(dòng)損耗，這使得大量潛在的風(fēng)能未被使用。
[0031]又已知的是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量輸出N與旋翼表面面積A所承受之風(fēng)速V的三次方成正比:N=f(V3*A)，從而也與旋翼直徑的二次方成正比:D:N=f(V3*D2)，因?yàn)锳 = 3iD2/4。
[0032]圖1-3示出本發(fā)明的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中已知的包括:三塊已知槳葉I構(gòu)成半徑仏和直徑D1的螺旋槳形、輪轂7、內(nèi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的機(jī)艙8、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)9、塔3、旋轉(zhuǎn)軸4、齒輪箱、盤式制動(dòng)器和發(fā)電機(jī)等等。本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)有一全新的額外槳葉2，旋轉(zhuǎn)時(shí)構(gòu)成半徑R2和直徑D2。
[0033]額外槳葉2優(yōu)選繞著機(jī)艙8的中空?qǐng)A柱形凸件11設(shè)置和定位，所述中空?qǐng)A柱形凸件11又環(huán)繞著旋轉(zhuǎn)軸4