[发明专利]一种风力发电机及其叶片

说明书

一种风力发电机，其特征在于，包括风轮，其包括叶片和连接件；和机舱，其包括主轴，通过所述连接件与所述叶片连接，和与所述主轴连接的发电机，将所述叶片产生的扭力通过所述主轴转化为电能。当风速超过预定程度时，所述叶片偏转一定的角度，所述叶片的受力面减小，使所述叶片受到的扭力得到调节，从而稳定所述发电机的输出电流在一定范围内。本发明可广泛应用于风载荷较不稳定的海上风场，具有保证电流稳定输出、对发电机组的要求小、降低叶片的疲劳损害、延长风力发电机的服役寿命、降低制造成本等诸多优点。

技术领域

本发明涉及机械工程风力发电机领域，具体是一种可广泛应用于现有电机的风力发电机的叶片改进，尤其适用于安装在风载荷较不稳定的海上风场。

背景技术

风力发电机的工作原理是，风轮在风力的作用下旋转，将风的动能转变为风轮轴的机械能，发电机在与风轮连接的轴的带动下旋转发电。

风力发电机一般由风轮，包括叶片和与轴连接的轮毂；机舱，内有低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机。转子叶片受到风力作用旋转，从而带动低速轴运动，低速轴通过齿轮箱带动高速轴旋转，高速轴连接在发电机轴上，将机械能转变为电能。风力发电机还包括气动刹车系统以及辅助提高风能截获效率的变桨机构；还包括塔筒和基础，将机组的所受力矩传递给大地，同时起到保护电缆等辅助装置的作用。其中，风力机的叶片是将风能转化为机械能进而转化成电能的重要部件，决定着发电功率的大小和电流输出的稳定性。

现有的风力发电机采用的叶片是由内部刚性支撑结构和表面膜组合而成的，大多由刚性材料制成。叶片普遍较长，容易导致风载荷在叶片上形成的力矩过大，使叶片发生塑性变形；其次，刚性材料叶片对风速的适应性也存在一定缺陷，在风速不稳定的风场中，风力发电机易因叶片的转速不恒定导致输出电流的不稳。

风力发电系统由机械部分和电能转化部分组成。一般地，风力发电机的风能利用功率表达式可写成：

其中，C_p为风能利用，它是λ和θ的函数，λ为叶尖速比，θ为桨距角。风力机叶片的转速或者来风速度会引起λ的变化，影响C_p。而在风力机叶轮的启动转换过程中，风力机的转矩和推力系数可表示为：

可知，式中的推力系数和转矩系数同样受风力机叶片转速和来风速度的影响，故风速变大时，若叶片桨距角不变，叶片所受的扭矩和阻力随之发生变化，则风力发电机转速无法保持恒定，并最终影响风力机发电功率大小和电流输出的稳定性。

为保证风力机在不稳定风载下电流的稳定输出，一般采用调桨控制来实现不同的风速变化时发电功率的恒定。目前变速变桨风力发电机组的整个运行控制阶段大致分为三个阶段：低风速阶段，过渡阶段以及高风速阶段。当来风速度较低时，风力机叶片转速随风速变化而变化以维持最佳叶尖速比，此时桨距角恒定在最佳桨距角β，使风力机的转换功率最大；当风速达到风力机的额定转速时，风力机的转速基本保持恒定，桨距角仍为最优桨距角；当风速高于额定值时，风力机叶片需要发生变桨动作，桨距角发生改变，减少风力机的功率输出，从而将风力机捕获的能量基本限定在风力机的额定功率附近。

变桨控制的具体过程基本可描述为：风力机端部的风力感应器对一定时间段内的风速进行捕获并传送至控制中心，控制中心对采集到的数据进行分析整理，当风速高于额定风速时，控制中心发出变桨指令，将信号返回到叶片终端将叶片整体扭转一定角度。

然而，现有风力发电机通过机械结构对桨叶进行实时变桨控制的方法具有一定的局限性。一方面，风力发电机叶片的机械结构和控制技术复杂、成本高，复杂的控制结构还会导致系统的可靠性降低、故障增多、维护成本增大。另一方面，根据实际分析，由于距受风面中的距离不同，各叶片截面的风能转化系数各异，因而实现功率最大化所需的桨距角也互不相同。而目前风力发电机所采用的变桨控制是让整个桨叶按照同一个角度扭转，无法让整个桨叶实现风能捕获功率的最大化，且控制桨叶扭转还需要消耗额外的能量。

发明内容