[发明专利]一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合

说明书

一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，在发电机的前面装有一个小型的三片式风叶，可调节重量平衡与能量叠加，在发电机的后面装有多个大面积的弹性叶片，所以能够在较小风力时发电，弹性叶片是由拉筋、叶片膜和骨架结合而成的三角形稳定组合体，拉筋与水平轴固定；经向骨架与纬向弹性骨架交叉固定，又另外组成为一个新的三角形稳定整体，起到减轻材料重量和降低成本的作用，使得风叶总成本只有三叶式风叶1/4～1/6左右，弹性骨架能够随着风力的大小自动调节迎风的角度，不仅能够抵抗暴风，而且在强风时仍然可以发电。

技术领域

本发明涉及风力发电技术领域，即一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合。

背景技术

随着燃料能源的消耗与枯竭，风力发电机具有清洁、无污染等特点快速发展。风能是再生能源，然而成本则是风电发展的瓶颈。现有的风力发电机多为水平轴三叶式的风力发电机，这种风力发电机成熟可靠、转动速度快、成本相对低，所以被全世界普遍采用。目前水平轴风力发电机的叶片都做得很长，其目的为了提高发电机的输出功率，大功率的风机叶片的直径已经超过70米，塔体总体高度也随之超过百米，使得功率可以达到或超过MW的级别。但是这种结构设计并不完美，受运转状态、抗力矩方法和自身重量的约束等等，三片式风叶发电机存在的问题多，主要表现为叶片接受到的风能面积小、易折断和成本高等问题，表现如下：

(1)截获到的风能面积太小，这是因为三片式风叶的面积本身就小，当然接收到的风能面积也就小；大家都知道风能与空气的质量和风速的平方成正比，用公式表示为E＝1/2mv²，这里m是空气的质量(kg)，v是风速(m/s)，E为总风能；吹过风叶的空气质量m＝空气密度×面积×风速，在海平面高度和15℃时干空气密度为1.225千克/立方米，综合为风力发电机获得的最大能量＝1/2空气密度×面积×风速³(单位为瓦特)，所以风叶获得的功率与风叶的面积成正比，只有加大风叶的面积才能够获得更大的风能。

(2)由于叶片过长，容易造成变形破坏和易被折断的现象发生，这是因为风叶的长度越长，根部与端部的速度差就越大，其根部受到风力作用的弯曲力矩也越大，端部的颤抖作用也越严重；为了克服这些问题，人们需要增加材料的强度，这又使得重量加大；理论计算得出，风叶的长度每增加一倍，则风叶的重量和投资要增加7-8倍，而发电量却仅增加3-4倍左右(由实际宽度决定)，这如同树木那样，如果树木高了一倍，则树的直径也会增加一倍左右，不然就抵抗不了大风，树木的截面积就增加约4倍，那么整个树干的重量约增加7-8倍。

(3)叶片加长以后，塔架的高度必然随之增加，塔架所受到的力矩也增大，使得总体成本再次增加，另外过高的塔架和过长的叶片都不利于安装和运输。

(4)叶片任何部位都存在着扭矩力，这是因为叶片与风向有一定的角度所致，越靠近根部其扭矩力越大，扭矩的存在对材料强度的要求再次提高。

(5)刚性材料对于抵抗叶片的颤抖以及风暴的突然变化很差，实践证明相同的功率，弹性结构叶片的成本只有刚性结构叶片的1/2左右，但是弹性叶片存在着一系列难以解决的问题，例如叶片与塔架的碰撞问题，我在2010年申请的“全风能弹性风叶低成本发电机”专利，虽然解决了三叶式风叶投资大和成本高的问题，但是弹性风叶有时也会处在风向的前面，在风力的作用下弹性风叶会向后弯曲从而与塔架碰撞损坏，所以并无使用价值；合理的结构设计与创新是解决弹性叶片问题的关键。

综上所述，水平轴发电技术成熟，成本相对低廉，但风叶容易折断、三叶式风叶接收到的风能面积小、风轮漏风量大等缺点，使得投资大、成本高，生产、安装与运输都困难；另外在风速增至12-13m/s时开始弃风，一般到25m/s左右则风机将停机，然而这却是风能最大的时候，使得发电率和平均小时利用率都大幅度降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种互稳结构的风叶及其风力发电机组合，克服弹性风叶有时会与塔架碰撞而损坏的问题。