[發(fā)明專(zhuān)利]一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其葉片

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711085507.1
• 申請(qǐng)日: 2017-11-07
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109751189B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田新亮;王新茹;肖龍飛;盧文月;彭濤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): F03D9/25
• 分類(lèi)號(hào): F03D9/25;F03D1/06
• 代理公司: 上海旭誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征在于，包括風(fēng)輪，其包括葉片和連接件；和機(jī)艙，其包括主軸，通過(guò)所述連接件與所述葉片連接，和與所述主軸連接的發(fā)電機(jī)，將所述葉片產(chǎn)生的扭力通過(guò)所述主軸轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)預(yù)定程度時(shí)，所述葉片偏轉(zhuǎn)一定的角度，所述葉片的受力面減小，使所述葉片受到的扭力得到調(diào)節(jié)，從而穩(wěn)定所述發(fā)電機(jī)的輸出電流在一定范圍內(nèi)。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于風(fēng)載荷較不穩(wěn)定的海上風(fēng)場(chǎng)，具有保證電流穩(wěn)定輸出、對(duì)發(fā)電機(jī)組的要求小、降低葉片的疲勞損害、延長(zhǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的服役壽命、降低制造成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機(jī)械工程風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，具體是一種可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片改進(jìn)，尤其適用于安裝在風(fēng)載荷較不穩(wěn)定的海上風(fēng)場(chǎng)。

背景技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理是，風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪軸的機(jī)械能，發(fā)電機(jī)在與風(fēng)輪連接的軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般由風(fēng)輪，包括葉片和與軸連接的輪轂；機(jī)艙，內(nèi)有低速軸、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)子葉片受到風(fēng)力作用旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)低速軸運(yùn)動(dòng)，低速軸通過(guò)齒輪箱帶動(dòng)高速軸旋轉(zhuǎn)，高速軸連接在發(fā)電機(jī)軸上，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｏL(fēng)力發(fā)電機(jī)還包括氣動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)以及輔助提高風(fēng)能截獲效率的變槳機(jī)構(gòu)；還包括塔筒和基礎(chǔ)，將機(jī)組的所受力矩傳遞給大地，同時(shí)起到保護(hù)電纜等輔助裝置的作用。其中，風(fēng)力機(jī)的葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電能的重要部件，決定著發(fā)電功率的大小和電流輸出的穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用的葉片是由內(nèi)部剛性支撐結(jié)構(gòu)和表面膜組合而成的，大多由剛性材料制成。葉片普遍較長(zhǎng)，容易導(dǎo)致風(fēng)載荷在葉片上形成的力矩過(guò)大，使葉片發(fā)生塑性變形；其次，剛性材料葉片對(duì)風(fēng)速的適應(yīng)性也存在一定缺陷，在風(fēng)速不穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)易因葉片的轉(zhuǎn)速不恒定導(dǎo)致輸出電流的不穩(wěn)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由機(jī)械部分和電能轉(zhuǎn)化部分組成。一般地，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用功率表達(dá)式可寫(xiě)成：

其中，C_p為風(fēng)能利用，它是λ和θ的函數(shù)，λ為葉尖速比，θ為槳距角。風(fēng)力機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速或者來(lái)風(fēng)速度會(huì)引起λ的變化，影響C_p。而在風(fēng)力機(jī)葉輪的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)矩和推力系數(shù)可表示為：

可知，式中的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)同樣受風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)速和來(lái)風(fēng)速度的影響，故風(fēng)速變大時(shí)，若葉片槳距角不變，葉片所受的扭矩和阻力隨之發(fā)生變化，則風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)法保持恒定，并最終影響風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率大小和電流輸出的穩(wěn)定性。

為保證風(fēng)力機(jī)在不穩(wěn)定風(fēng)載下電流的穩(wěn)定輸出，一般采用調(diào)槳控制來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的風(fēng)速變化時(shí)發(fā)電功率的恒定。目前變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整個(gè)運(yùn)行控制階段大致分為三個(gè)階段：低風(fēng)速階段，過(guò)渡階段以及高風(fēng)速階段。當(dāng)來(lái)風(fēng)速度較低時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化而變化以維持最佳葉尖速比，此時(shí)槳距角恒定在最佳槳距角β，使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)換功率最大；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速基本保持恒定，槳距角仍為最優(yōu)槳距角；當(dāng)風(fēng)速高于額定值時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片需要發(fā)生變槳?jiǎng)幼鳎瑯嘟前l(fā)生改變，減少風(fēng)力機(jī)的功率輸出，從而將風(fēng)力機(jī)捕獲的能量基本限定在風(fēng)力機(jī)的額定功率附近。

變槳控制的具體過(guò)程基本可描述為：風(fēng)力機(jī)端部的風(fēng)力感應(yīng)器對(duì)一定時(shí)間段內(nèi)的風(fēng)速進(jìn)行捕獲并傳送至控制中心，控制中心對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，控制中心發(fā)出變槳指令，將信號(hào)返回到葉片終端將葉片整體扭轉(zhuǎn)一定角度。

然而，現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)槳葉進(jìn)行實(shí)時(shí)變槳控制的方法具有一定的局限性。一方面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)復(fù)雜、成本高，復(fù)雜的控制結(jié)構(gòu)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低、故障增多、維護(hù)成本增大。另一方面，根據(jù)實(shí)際分析，由于距受風(fēng)面中的距離不同，各葉片截面的風(fēng)能轉(zhuǎn)化系數(shù)各異，因而實(shí)現(xiàn)功率最大化所需的槳距角也互不相同。而目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)所采用的變槳控制是讓整個(gè)槳葉按照同一個(gè)角度扭轉(zhuǎn)，無(wú)法讓整個(gè)槳葉實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲功率的最大化，且控制槳葉扭轉(zhuǎn)還需要消耗額外的能量。

發(fā)明內(nèi)容