一种充分吸收随机风能的风力机制造技术

本发明专利技术公开一种充分吸收随机风能的风力机，属于风力机的技术领域。该风力机包括垂向安装叶片和转轴、扭转弹簧、限位装置、固定装置以及塔架。本发明专利技术公开的系统其叶片和转轴采用垂向安装设计；转轴底部与发电机轴柔性连接，二者固定于固定装置内。在固定装置和风力机塔架之间，采用一个或者多个扭转弹簧来弹性连接，形成弹性塔架。旋转风力机在脉动风的作用下，产生脉动的横向作用力；横向作用力推动扭转弹簧发生偏转，并充分利用风的脉动性，存储和释放角能量，使风机整体处于一种随风向小幅振动的动态平衡状态，改善了风力机入流风况。改善了风力机入流风况。改善了风力机入流风况。

【技术实现步骤摘要】
一种充分吸收随机风能的风力机


[0001]本专利技术涉及风力发电技术，特别是公开一种充分吸收随机风能的风力机，属于风力机的


技术介绍

[0002]随着环境问题日益突出，人们越来越多地关注可再生能源的利用，其中，风能资源储量丰富、分布广泛、无污染，风力发电成为了重要的实现途径。近年来，风电的装机容量迅速增长，截至2020年底，我国风电累计装机规模已达281.72GW，到2030年，风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上，风电行业具有很好的发展前景。
[0003]但是，风具有随机性，表现为风速忽大忽小，风向忽左忽右。对于常规的风力机机组而言，主要依靠叶片旋转来捕获风能，由于风力机叶片重量大等原因，很难敏感地感受到风速变化的随机性，因此尤其很难捕捉忽高风速产生的风能。由于风力机旋转过程中，克服发电机阻尼磁阻而旋转，风力机动力力矩和磁阻平衡；但风速突然减小时，平衡被迅速打破，转速降低，风能利用率下降。总体表现为：风力机能量捕获对风速度的脉动的突增变化不敏感，对忽降却比较敏感，但叶片重量越重，那么突增变化的敏感性更加不明显；虽然对速度的忽降的敏感性因动能影响也在下降，但总成本因质量增加而显著增加。增加叶片重量与叶片设计方向相反，叶片设计在结构可靠性满足的条件下应尽量减少重量。
[0004]对于风向忽左忽右，常规水平轴风力机基本忽略了风速变化。水平轴风力机虽然有偏航装置，但是主要针对长时间风向变化而动作的；瞬时的忽左忽右，直接导致常规水平轴风力机始终存在一个偏航角，这对该种风力机影响极大，相当于风力机始终处于不对风状态，扫风面积减小，效率会下降。目前市面上主要是水平轴风力机。垂直轴风力机不受风向限制，可以吸收任何风向风能。
[0005]从总体脉动风而言，常规水平轴风力机既不能有效感应风速变化，也无法及时调整偏航角来吸收风能；常规垂直轴风力机虽不受风向限制，但无法快速感应风向。
[0006]基于上述分析，本专利技术基于空气动力学原理和结构力学知识，设计专利技术可自动对风和充分吸收脉动风高风能的风力发电装置。在风速大小变化、风向变化中，该装置利用该方法可以存储高风速风能，在低风速时释放角能量，达到利用脉动风风能的目的。

技术实现思路

[0007]本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供一种充分吸收随机风能的风力机，充分利用脉动风速忽高带来的高风能，同时在风速忽低时增加风能捕获率，还可在整个风能吸收过程中能感受任何风向的脉动风，解决现有风力机不能有效利用脉动风的技术问题。
[0008]本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种充分吸收随机风能的风力机，包括：叶片、支撑翼、主轴、扭转弹簧、限位装置、发电机、固定装置、塔架。叶片与主轴垂直安装，采用支撑翼将叶片与主轴相连，叶片通过支
撑翼垂向安装在主轴上构成风能捕获装置；叶片采用翼型设计，翼型弦线与支撑翼长度方向垂直；主轴与发电机输出轴通过弹性联轴器进行连接，主轴底端刚性固定于固定装置内，固定装置与塔架连接。
[0009]进一步地，叶片通常采用3~5片以上的叶片，叶片弦长与叶片数量的乘积与二倍支撑翼长度的比值大于0.5且小于1。
[0010]进一步地，采用扭转弹簧来连接固定装置底部与塔架顶部，扭转弹簧一端连接固定装置底部，一端固定连接塔架顶端；扭转弹簧内部有限制其最大偏转角度的限位装置。
[0011]进一步地，扭转弹簧的弹力满足在当地平均风速以上的脉动风速下风轮产生的流向推力能够使其发生变形。扭转弹簧也可以采用其它的中空弹性材料代替，同样满足弹力变形发生在大于起动风的风速下，内部可装变形限位装置。
[0012]考虑到叶片受力面积与捕风能力的关系，扭转弹簧带动风机整体产生晃动的角度不得大于10
°
，在保证受力面积不受影响的情况下，增大流经叶片的风速，提高叶片的风能利用率及风机的工作效率。
[0013]进一步地，扭转弹簧可由多个平行安装的小型扭转弹簧或柔性中空管道来代替，相应地，每个小型扭转弹簧或柔性中空管道内都安装有限位装置，总体要满足每个小型扭转弹簧或柔性中空管道的最小偏转力等于当地平均风速下叶片旋转产生的最小横向力。
[0014]为实现风力机在运行过程中能够始终处于“弹性振动”的动态平衡状态，扭转弹簧具有较强的刚度，通过固定装置固定在塔架与底座中间，长度约为塔架高度的10%，固定装置、限位装置、扭转弹簧、塔架的中心线相互重合，实现更好地控制与振动。
[0015]扭转弹簧可以存储和释放角能量，将其固定在塔架与固定装置之间，使弹簧上部整个能量转化部分和塔架之间形成柔性连接。旋转的叶片在风的作用下，产生流向的横向力。这种横向力推动整个弹簧上部叶片部分随风向倾斜。
[0016]在脉动风条件下，风速忽大忽小，发电装置整体所受到的横向力也在发生脉动变化。扭转弹簧在脉动横向力作用下，沿横向不断往复摆动。
[0017]风向发生改变时，垂向安装叶片具有不受风向限制的特点，叶片安装好后在一个方向旋转，可以接收到任意方向脉动风产生的流向的脉动横向力，变化摆动方向。
[0018]不断摆动过程是一个能量存储和能量释放的过程。储能过程为：在脉动风的高风速下，旋转叶片稍稍有所反应，转速稍有增加，捕获能量也稍有增加，但不能完全捕获到该高风速的风能，多余的能量通过推动弹簧变化为弹簧弹力存储下来；在脉动风低风速时，旋转叶片在电机磁阻的类似“刹车”的作用下，本应快速降低转速；但此时，弹簧因横向力减小，弹簧回弹释放能量，旋转叶片整体朝着风向的反方向运动，产生附加风速，加大了低风速时进入旋转叶片的风速，故最终旋转叶片不会因脉动风风速降低而降低捕获的能量，实现脉动风能量的捕捉。
[0019]叶片采用大弦长设计和多叶片设计，采用3~5片以上的叶片，叶片弦长与叶片数量的乘积与二倍支撑翼长度的比值大于0.5，小于1，因为大弦长和多叶片设计使叶片更容易起动，产生的横向力较大，对脉动风风速变化更加敏感。
[0020]扭转弹簧在摆动过程中，也会造成叶片扫风面积的变化，主要是叶片高度投影的变化。叶片的能量输出与风速的三次方成正比，与叶片高度成一次方关系。故综合考虑扫风面积减小和风速增加的优劣势，设计最大摆幅为10
°
，通过限位装置来限制最大角度。
[0021]随脉动风风速持续时间长短和大小，扭转弹簧作出不同的动态反映。风速急促变化会引起弹簧的快速储能和快速释放能量。脉动风速变化平缓，扭转弹簧变化平稳，对总体影响也较小。
[0022]弹性装置的实现，使得风力机在运行过程中能够始终处于“微弹性振动”的动态平衡状态，将脉动风能进行转化，最大化地实现了叶片对风能的采集利用，达到更优的风能利用。
[0023]本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)吸收和存储脉动风高风速风能，在大风速下，风机整体结构受到的风荷载较大，但受叶片质量影响产生惰性，转速虽有增加，但很难立刻提高到应有转速，把多余的风能吸收；此时，在弹性装置的作用下，叶片部分产生微倾斜，弹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种充分吸收随机风能的风力机，其特征在于，包括：至少三个垂向安装的叶片、至少三个支撑翼、主轴、发电机、固定装置、扭转弹簧、限位装置、塔架，其中，所述塔架的底部固定在地面上，塔架顶端与扭转弹簧的一端与连接，扭转弹簧的另一端与固定装置的底部连接，主轴底端固定在固定装置内，发电机的输出轴与主轴柔性连接，每个垂向安装的叶片通过一个支撑翼等间距地安装在主轴上。2.根据权利要求1所述一种充分吸收随机风能的风力机，其特征在于，所述扭转弹簧内安装有限位装置，所述限位装置限制扭转弹簧的最大偏转角度小于或等于10
°
。3.根据权利要求1所述一种充分吸收随机风能的风力机，其特征在于，所述扭转弹簧的长度为塔架高度的10%，固定装置、限位装置、扭转弹簧、塔架的中心线相互重合。4.根据权利要求1所述一种充分吸收随机风能的风力机，其特征在于，所述扭转弹...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵振宙，江瑞芳，王丁丁，冯俊鑫，刘一格，陈明，李世君，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：