[发明专利]调桨长的万向风车

说明书

技术领域

本发明涉及一种风力应用设备领域 

背景技术

本发明是在发明专利万向风车(专利号：ZL200310100459.0)的基础上，经过进一步的深入分析和大量的实验研究、样机测试、结构改进而从新提出的发明专利。 

风能是自然界中清洁的可再生能源。地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍。我国的风能资源非常丰富，新疆、内蒙、甘肃一带风能最大，强度约200～300瓦/米2，平均4000～5000小时/年(参见《中国大百科全书》—风力机)。 

几个世纪以来，风力发电一直受到人们的关注。第一次世界大战后，应用风力来发电曾出现高潮，丹麦、荷兰应用最早也最广。后来由于中东油田的发现，使风力发电事业的发展缓慢下来，直到20世纪70年代，由于能源短缺和环境污染，风力发电才又出现高潮。 

要利用风力发电，就必须先把风能转化为机械能，然后用发电机再把机械能转换为电能。把风能转化为机械能，就要利用风车，风车是风力发电过程中的关键设备。鉴于风车的种类繁多，分类方法也有多种。按叶片数量分为：单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分为：水平轴、垂直轴(立轴)；按桨叶工作原理分为：升力型、阻力型。目前大量使用的风力发电设备以三叶片水平轴升力型(一般称螺旋桨风车)居多。 

螺旋桨风车从一开始出现就处在不断的改进当中，然而，虽经多次改进，却仍然存在着许多问题和缺欠，输出不稳，入网困难，设备效率低，设备容易损坏，安全、维修、运输……都存在不少问题，严重的影响着风电的发展。 

我们知道，风能是极不稳定的能源，风速、风力、风向都在随时随地的不断的变化着，这不仅给风能的转化带来很大困难，并且给后续的接受应用，也造成了很大的不利条件。使得风电消纳难、弃风问题严重、风能利用率低等现象，成为我国风电发展过程中存在的重点问题，目前还未得到有效解决； 

常规风力发电机为了入网和运行安全，一般采用调桨距的方法来调整风车的功率输出或转速，但这种控制是很不理想的，甚至根本达不到预期目的。由调节桨距，到调节桨叶攻角，再到功率系数，再到输出功率，这一控制过程，既不可靠，也不稳定，根本达不到稳定风车的功率输出或者转速的目的，也不会对风车的安全性在技术方面起多大保证作用。近些年来 有一些人想借鉴水平轴风力机通过改变叶片的桨矩角来改变叶片的升力与阻力，从而获得较高的风能利用率这一成功经验，设想将变桨矩技术与垂直轴风力机很好的结合起来，提高垂直轴风力机的启动性能和风能利用率，开发一种新型高效的垂直轴风力机，但根据升力型垂直轴风力机的工作原理可知，叶片在旋转一周的过程中，叶片上每一点的线速度的方向都在周期变化，使得叶片攻角也同样在周期变化，是个变化值，而攻角的变化范围与翼型的升力、阻力系数曲线有很大的关系，这就使得实现上述设想非常困难。如果说水平轴风力发电机因其叶片在旋转一周的过程中，叶片上每一点的线速度的方向还都是确定的，用调桨距的方法来改变叶片的升力与阻力，从而获得较高的风能利用率，还可以取得一些效果；而升力型垂直轴风力机用这种方法，取得一些效果就可能非常困难。 

大量中小型水平轴风力机根本不进行桨距调节，这就使风力发电机发出的电力，忽大忽小，忽有忽无，成了所谓的“垃圾”风电，给后续接收的电网和用户在接收上造成十分不利的条件。 

常规风力发电机还有一个致命的弱点，就是能达到发电机额定输出功率(额定风速一般定为10米/秒)的时刻很少，大部分时间工作在远低于额定输出功率的情况下。之所以出现这种现象，是由于风力发电机的工作状态与外界风力的大小紧密相关，完全不能主动控制，这就造成了发电设备的极大浪费，使风电成本居高不下。其安全性也只是拼材料、拼设备而达到的，很少有可靠的技术保证。 

本发明调桨长的万向风车是根据流体力学原理和空气动力学原理，对原发明万向风车进行了多次实验研究和改进后，力求克服现有技术中广泛应用的螺旋桨风车和达里厄(Darrieus)风车的许多缺欠，开发出更高效，更安全，更经济，更易被电网接收的风力发电技术设备，将所谓的“垃圾”风能转换为平稳的电力输出，为保护环境，开发新能源，为节能减排做出新贡献！调桨长的万向风车用叶桨头来调节叶桨的倾斜度(α)、偏心度(β)、安装攻角(γ)，从而使其启动性能更好，效率更佳；采用调桨长来稳定功率输出并保证运行安全，从而大大扩大了风力应用范围。 

发明内容