[發明專利]低風速下使用的風力發電機

有效

• 申請號: 201480045350.8
• 申請日: 2014-08-20
• 公開（公告）號: CN105637218B
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發明（設計）人: 伊曼紐爾·德米扎基;阿里斯蒂德斯·德米扎基
• 申請（專利權）人: 伊曼紐爾·德米扎基;阿里斯蒂德斯·德米扎基
• 主分類號: F03D1/02
• 分類號: F03D1/02;F03D1/06;F03D15/00;F03D7/02
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 趙郁軍;陳小鈺

一種螺旋操作的水平軸風力發電機，其可在低風速時使用，其設有主旋翼，主旋翼設有三塊槳葉(1)；第四塊都是以螺旋操作的額外槳葉(2)設置于其中兩塊相連的槳葉(1)之間的空間中，并且相對第三塊槳葉(1)朝相反方向設置；額外槳葉(2)的長度較槳葉(1)長；額外槳葉(2)不是永久地與風力發電機連接，而是在低風速時可選地與風力發電機系統連接，啟動風力發電機和提高能量生產。額外槳葉(2)設有朝相反方向設置的重量平衡塊(15)來平衡產生的力；額外槳葉(2)在與主旋翼平衡的一個面上旋轉。額外槳葉(2)理想地在待用狀態或風力發電機在低風速操作時實現連接，而在操作狀態下的額定功率時實現脫離。拆卸額外槳葉(2)后，額外槳葉(2)處于垂直位置，保持不動地緊貼著塔(3)。

技術領域

本發明涉及一種使用螺旋槳的水平軸風力發電機，其通過把額外一塊特別的槳葉可選地與現有傳統的主馬達連接和分離，使其在低風速環境和小機會刮風的地區都能操作。

背景技術

風力發電和太陽光電是可再生能源系統中最重要的產能技術。它們涉及機電之間的能量轉換系統，其中渦輪驅動發電機。已知的是，風力發電機的能量輸出N與旋翼表面面積A所承受之風速V的三次方成正比：N＝f(V^3＊A)，從而也與旋翼直徑的二次方成正比：D∶N＝f(V^3＊D²)，因為A＝πD²/4。

當風力發電機(W/T)的能量輸出N克服了啟動損耗(軸、齒輪箱和發電機等的摩擦力)，增加至一數值N_C，風力發電機便開始旋轉啟動和產生能量。所述數值N_C對應通常是≥3.5-4.5m/秒的啟動風速(切入風速)V_C。

因此，在低風速V≤V_C時，風的能量沒有被使用。但超過該速度(V≥V_C)時，能量輸出相對于風速以倍數增加，直至能量輸出首次達到風力發電機(W/T)的額定功率N_o。所述額定功率N_o對應于額定輸出速度V_R，也對應于功率因子C_P的最大值。

由此風速值(V≥V_R)開始，風力發電機由于操作上和穩定性的原因，其能量輸出保持大致上恒定，多出的潛在風能未被使用。當風速超出安全線，即切出風速V_F(20-30m/秒)，基于安全考慮，風力發電機會完全停止操作。

顯而易見，在現有技術中，風力發電機主要的缺點在于低風速(≤3.5-4.5m/秒)時無法操作(不轉動)，結果是：a)它們只能設置在風速高但偏遠而且人煙罕至的地區，遠離能源消耗的核心地區，從而需要龐大的能量運輸網絡；b)低地、低海拔地區或甚至一整片田野都因為低風速而不能設置風力發電機，但這些地區的電力消耗一般都較大；c)現有的風力發電機全年的操作時數不多，效能低，增加了每單位能量的成本，使大部分投資都沒錢賺。

根據統計，低風速(≤3.5-4.5m/秒)出現的頻率較高風速高，因此，使用低風速產能成為科研領域一個重要的課題和其中一個艱巨的挑戰。

增大旋翼直徑D可以推高產能。這個看似正確的解決辦法確實能增加產能，但會造成其它問題，例如增加了旋翼上的風力壓力(阻力)，這樣就必須大幅增強風力發電機所有部件的強度，例如地基、基座、風塔、軸、齒輪箱和發電機，也需增強風力發電機整體的支撐系統強度和能量轉換系統的強度，而且增大的旋翼也會令成本增加。

旋翼的成本有兩方面要注意：a)它是風力發電機系統中最重要的成本參數；b)增大旋翼直徑D會令成本以倍數上升，從而影響整體安裝成本。因此，大幅增大直徑D也會同時大幅增加成本，但收益卻不成正比。

只有在低風速環境下，現有大小的旋翼和風力發電機無法克服啟動損耗時，僅僅通過增加旋翼直徑D才肯定對產能有利。相反，在高風速時，增大直徑無助于增加系統的產能，因為風力發電機在高風速時的操作已受到某種限制(“主動槳距控制”或“被動失速控制”)，浪費了剩余的風能。