[發明專利]一種互穩結構的風葉及其風力發電機組合

有效

• 申請號: 201410446042.8
• 申請日: 2014-08-27
• 公開（公告）號: CN104712495B
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 劉榮甫
• 申請（專利權）人: 劉榮甫
• 主分類號: F03D1/06
• 分類號: F03D1/06;F03D1/02;F03D9/25
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種互穩結構的風葉及其風力發電機組合，在發電機的前面裝有一個小型的三片式風葉，可調節重量平衡與能量疊加，在發電機的后面裝有多個大面積的彈性葉片，所以能夠在較小風力時發電，彈性葉片是由拉筋、葉片膜和骨架結合而成的三角形穩定組合體，拉筋與水平軸固定；經向骨架與緯向彈性骨架交叉固定，又另外組成為一個新的三角形穩定整體，起到減輕材料重量和降低成本的作用，使得風葉總成本只有三葉式風葉1/4～1/6左右，彈性骨架能夠隨著風力的大小自動調節迎風的角度，不僅能夠抵抗暴風，而且在強風時仍然可以發電。

技術領域

本發明涉及風力發電技術領域，即一種互穩結構的風葉及其風力發電機組合。

背景技術

隨著燃料能源的消耗與枯竭，風力發電機具有清潔、無污染等特點快速發展。風能是再生能源，然而成本則是風電發展的瓶頸。現有的風力發電機多為水平軸三葉式的風力發電機，這種風力發電機成熟可靠、轉動速度快、成本相對低，所以被全世界普遍采用。目前水平軸風力發電機的葉片都做得很長，其目的為了提高發電機的輸出功率，大功率的風機葉片的直徑已經超過70米，塔體總體高度也隨之超過百米，使得功率可以達到或超過MW的級別。但是這種結構設計并不完美，受運轉狀態、抗力矩方法和自身重量的約束等等，三片式風葉發電機存在的問題多，主要表現為葉片接受到的風能面積小、易折斷和成本高等問題，表現如下：

(1)截獲到的風能面積太小，這是因為三片式風葉的面積本身就小，當然接收到的風能面積也就小；大家都知道風能與空氣的質量和風速的平方成正比，用公式表示為E＝1/2mv²，這里m是空氣的質量(kg)，v是風速(m/s)，E為總風能；吹過風葉的空氣質量m＝空氣密度×面積×風速，在海平面高度和15℃時干空氣密度為1.225千克/立方米，綜合為風力發電機獲得的最大能量＝1/2空氣密度×面積×風速³(單位為瓦特)，所以風葉獲得的功率與風葉的面積成正比，只有加大風葉的面積才能夠獲得更大的風能。

(2)由于葉片過長，容易造成變形破壞和易被折斷的現象發生，這是因為風葉的長度越長，根部與端部的速度差就越大，其根部受到風力作用的彎曲力矩也越大，端部的顫抖作用也越嚴重；為了克服這些問題，人們需要增加材料的強度，這又使得重量加大；理論計算得出，風葉的長度每增加一倍，則風葉的重量和投資要增加7-8倍，而發電量卻僅增加3-4倍左右(由實際寬度決定)，這如同樹木那樣，如果樹木高了一倍，則樹的直徑也會增加一倍左右，不然就抵抗不了大風，樹木的截面積就增加約4倍，那么整個樹干的重量約增加7-8倍。

(3)葉片加長以后，塔架的高度必然隨之增加，塔架所受到的力矩也增大，使得總體成本再次增加，另外過高的塔架和過長的葉片都不利于安裝和運輸。

(4)葉片任何部位都存在著扭矩力，這是因為葉片與風向有一定的角度所致，越靠近根部其扭矩力越大，扭矩的存在對材料強度的要求再次提高。

(5)剛性材料對于抵抗葉片的顫抖以及風暴的突然變化很差，實踐證明相同的功率，彈性結構葉片的成本只有剛性結構葉片的1/2左右，但是彈性葉片存在著一系列難以解決的問題，例如葉片與塔架的碰撞問題，我在2010年申請的“全風能彈性風葉低成本發電機”專利，雖然解決了三葉式風葉投資大和成本高的問題，但是彈性風葉有時也會處在風向的前面，在風力的作用下彈性風葉會向后彎曲從而與塔架碰撞損壞，所以并無使用價值；合理的結構設計與創新是解決彈性葉片問題的關鍵。

綜上所述，水平軸發電技術成熟，成本相對低廉，但風葉容易折斷、三葉式風葉接收到的風能面積小、風輪漏風量大等缺點，使得投資大、成本高，生產、安裝與運輸都困難；另外在風速增至12-13m/s時開始棄風，一般到25m/s左右則風機將停機，然而這卻是風能最大的時候，使得發電率和平均小時利用率都大幅度降低。

發明內容

本發明的目的是提供一種互穩結構的風葉及其風力發電機組合，克服彈性風葉有時會與塔架碰撞而損壞的問題。