帆式风力发电机演示.pdf

帆式风力发电机 简介 专利持有人专利持有人 张晓鹤张晓鹤 1 帆式风力发电机简介帆式风力发电机简介 帆式风力发电机是不同于现有任何一种风力发电设备的具 有完全自主知识产权的风力发电设备 它基于不同的理论基础 独立的设计方法 使得帆式风力 发电机具有卓越的性能表现 它可获得更大的单机输出功率 更低的制造及安装成本 更小的风场空间占有 更好的与风场的耦合性能以及更为 优越的抵抗灾害天气的能力 点击点击 此图此图 帆式风力发电机帆式风力发电机 全景图全景图 2 目前的风力发电机现状目前的风力发电机现状 螺旋桨式风力发电机 螺旋桨式风力发电机 这是目前最为广泛使用的这是目前最为广泛使用的 主流风力发电形式 主流风力发电形式 目前能作为风力场发电的风力发电机有以下几种形式 目前能作为风力场发电的风力发电机有以下几种形式 DarrieusDarrieus式风力发电机 式风力发电机 较少采用 据称性能与较少采用 据称性能与 螺旋桨式风力发电机相比螺旋桨式风力发电机相比 略好 略好 在此我们以输出功率为在此我们以输出功率为1 1MWMW的风力发电机机型为基的风力发电机机型为基 准进行参数对比准进行参数对比 由于尚未进行实物验证由于尚未进行实物验证 帆式风力发电机的参数帆式风力发电机的参数 基于理论计算基于理论计算 3 与现有风力发电机的性能比较与现有风力发电机的性能比较 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 螺旋桨数为螺旋桨数为3 3片片 其单片螺旋桨长约为其单片螺旋桨长约为2727米米 运行时的直径即工作宽度为运行时的直径即工作宽度为5454米米 迎风面积为迎风面积为22902290平方米平方米 运行最高点达到运行最高点达到7070米米 做功面积与迎风面积相同做功面积与迎风面积相同 3 1迎风面积比较迎风面积比较 帆式风力发电机帆式风力发电机 相同的输出功率条件下相同的输出功率条件下 根据计算得到 根据计算得到 风帆数为风帆数为6 6叶叶 风帆高为风帆高为2727米米 垂直回转半径为垂直回转半径为9 9米米 迎风面积为迎风面积为486486平方米平方米 仅相当于螺旋桨式的仅相当于螺旋桨式的2121 做功面积为做功面积为15271527平方米平方米 仅相当于螺旋桨式的仅相当于螺旋桨式的6767 运行时的工作宽度为运行时的工作宽度为1818米米 仅相当于螺旋桨式的仅相当于螺旋桨式的3333 运行时的最高点约为运行时的最高点约为4040米米 仅相当于螺旋桨式的仅相当于螺旋桨式的5757 帆式风力发电机具有比螺旋桨式发电机更容易从风场获取能量的帆式风力发电机具有比螺旋桨式发电机更容易从风场获取能量的 能力能力 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 螺旋桨桨叶长度为螺旋桨桨叶长度为2727米米 螺旋桨的旋转速度为螺旋桨的旋转速度为2525转转 分分 螺旋桨桨叶的线速度处处不同螺旋桨桨叶的线速度处处不同 叶尖处为最大叶尖处为最大 达到达到7171米米 秒秒 3 2叶尖线速度比较叶尖线速度比较 帆式风力发电机帆式风力发电机 风帆的回转半径为风帆的回转半径为1818米米 风帆的回转速度为风帆的回转速度为4545转转 分分 风帆的线速度处处相同风帆的线速度处处相同 达到达到4242 5 5米米 秒秒 仅相当于螺旋桨式的叶仅相当于螺旋桨式的叶 尖线速度的尖线速度的6060 3 3风叶迎角与风力场耦合效果比较风叶迎角与风力场耦合效果比较 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 为了为了适应不同的线速度适应不同的线速度 桨式风力发电机桨叶的迎桨式风力发电机桨叶的迎风风角沿角沿 长度方向是连续变化的长度方向是连续变化的 根部最根部最小小而叶尖而叶尖部部最最大大 这是螺旋桨的这是螺旋桨的 典型形态典型形态 通常它只匹配于某一特定风速通常它只匹配于某一特定风速 而且迎角的调节特性而且迎角的调节特性 是非线性的是非线性的 让其进入失速状态虽然可以很好地简化调节方法以让其进入失速状态虽然可以很好地简化调节方法以 适应不同的风速适应不同的风速 但是桨叶尾流中的紊流加大但是桨叶尾流中的紊流加大 与风的耦合状态与风的耦合状态 变差变差 会增加风阻会增加风阻且效率降低且效率降低 加大对风场的扰动加大对风场的扰动 不利于集群不利于集群 发电发电 帆式风力发电机帆式风力发电机 帆式风力发电机的同一风帆长度方向帆式风力发电机的同一风帆长度方向运行运行线速度处处相等线速度处处相等 迎迎风风角亦处处相等角亦处处相等 与飞机的机翼相仿与飞机的机翼相仿 因此可以通过调节迎角因此可以通过调节迎角线线 性地调节轴功率性地调节轴功率 出力调节特性好出力调节特性好 风帆尾流中无紊流或紊流较小风帆尾流中无紊流或紊流较小 对风力场的扰动最小对风力场的扰动最小 每一片风帆均处于塔体回转圆周的母线上每一片风帆均处于塔体回转圆周的母线上 沿圆周线运行沿圆周线运行 因此因此作用在风帆的风力对主轴出力的贡献达到最大化作用在风帆的风力对主轴出力的贡献达到最大化 风的耦合效风的耦合效 率最高率最高 特别适合风力场集群发电特别适合风力场集群发电 3 4风叶的出力比较风叶的出力比较 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 桨式风力发电机桨叶距叶尖桨式风力发电机桨叶距叶尖40 40 长度其覆盖的面积占到长度其覆盖的面积占到64 64 而距根部的而距根部的60 60 长度其覆盖面积仅占长度其覆盖面积仅占36 36 桨叶根部的 桨叶根部的60 60 长度以强度长度以强度 为主从而抵抗空气强大的切变力和离心力并传递动力 而仅尖部的为主从而抵抗空气强大的切变力和离心力并传递动力 而仅尖部的 40 40 长以叶形为主从而获得良好的空气动力学性能从空气中获得动力 长以叶形为主从而获得良好的空气动力学性能从空气中获得动力 因此 桨叶做功的效率并不高 因此 桨叶做功的效率并不高 帆式风力发电机帆式风力发电机 帆式风力发电机的同一风帆帆式风力发电机的同一风帆沿主轴运行圆柱的母线方向设置沿主轴运行圆柱的母线方向设置 长度方向线速度处处相等长度方向线速度处处相等 迎角亦处处相等迎角亦处处相等 对主轴出力的贡献对主轴出力的贡献 达到最大化达到最大化 因此可以通过调节迎角线性地调节轴功率因此可以通过调节迎角线性地调节轴功率 风帆尾风帆尾 流中无紊流或紊流较小流中无紊流或紊流较小 风的耦合效率最高风的耦合效率最高 对风力场的扰动最对风力场的扰动最 小小 特别适合风力场集群发电特别适合风力场集群发电 3 5极限状态保护能力比较极限状态保护能力比较 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 保护桨式风力发电机免遭台风袭击的最为行之有效的方法保护桨式风力发电机免遭台风袭击的最为行之有效的方法 是使回转平台旋转是使回转平台旋转9090 与风向正交 使轴功率为零从而保护风 与风向正交 使轴功率为零从而保护风 力发电机 但是力发电机 但是渐变的渐变的桨叶桨叶迎风角使得桨叶迎风角使得桨叶仍将受到强大的风切仍将受到强大的风切 变力 在台风等极限天气下变力 在台风等极限天气下仍较仍较容易受到破坏 容易受到破坏 帆式风力发电机帆式风力发电机 通过通过改变改变控制控制策略策略使使得得帆式风力发电机的每一个风帆的帆式风力发电机的每一个风帆的风风 向迎角恒等于零向迎角恒等于零 则则轴功率轴功率亦亦为零为零 从而有效保护风力发电机免 从而有效保护风力发电机免 遭台风遭台风的的袭击 袭击 3 6工作重心比较工作重心比较 桨式风力发电机的所有运行部件均设置于直立塔体的顶端 桨式风力发电机的所有运行部件均设置于直立塔体的顶端 其重心非常高 以其重心非常高 以1MW1MW的机型为例 其桨叶长约为的机型为例 其桨叶长约为2727米 塔高应在米 塔高应在 桨叶长的桨叶长的1 51 5倍左右约倍左右约4040米 减速机和发电机重量约米 减速机和发电机重量约4040吨 加上旋吨 加上旋 转部件塔台的总重量应达到转部件塔台的总重量应达到5050吨左右 在野外风力场 吨左右 在野外风力场 5050吨重的吨重的 机器设置在离地机器设置在离地4040米的高空运转 其难度和成本可想而知 米的高空运转 其难度和成本可想而知 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 帆式风力发电机帆式风力发电机 帆式风力发电机的主轴是直立的 主轴所带动的减速机和发帆式风力发电机的主轴是直立的 主轴所带动的减速机和发 电机均可设置于地面 工作重心很低 电机均可设置于地面 工作重心很低 安装难度和成本大大降低安装难度和成本大大降低 3 7发电质量比较发电质量比较 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 桨式风力发电机的桨叶旋转运动与风向成正交 轴的出力是桨式风力发电机的桨叶旋转运动与风向成正交 轴的出力是 连续的 因此发电质量较好 连续的 因此发电质量较好 帆式风力发电机帆式风力发电机 帆式风力发电机的塔式主轴回旋一周 主轴的出力沿回旋方向帆式风力发电机的塔式主轴回旋一周 主轴的出力沿回旋方向 是波动的 风帆数越少波动越大 六风帆时轴功率出力波动减小是波动的 风帆数越少波动越大 六风帆时轴功率出力波动减小到到 20 20 以下以下 可认为可认为已接近平滑状态 另外 塔式主轴巨大的已接近平滑状态 另外 塔式主轴巨大的质量质量惯性惯性 平滑了主轴的出力 亦可有效改善发电质量 平滑了主轴的出力 亦可有效改善发电质量 3 8控制方式比较控制方式比较 螺旋桨式风力发电机螺旋桨式风力发电机 桨式风力发电机的功率调节方式通常采用失速控制 控制桨式风力发电机的功率调节方式通常采用失速控制 控制 特性差 特性差 帆式风力发电机帆式风力发电机 帆式风力发电机的功率调节方式是风帆迎角连续调节 帆式风力发电机的功率调节方式是风帆迎角连续调节 轴轴 出力与设定迎角出力与设定迎角几乎是几乎是呈线性呈线性的 控制特性好 的 控制特性好 3 9结论结论 同等输出功率的条件下同等输出功率的条件下 帆式风力发电机的帆式风力发电机的空间尺度空间尺度仅相当于桨仅相当于桨 式的式的1 1 3 3 同等空间尺度的条件下同等空间尺度的条件下 帆式风力发电机的帆式风力发电机的输出功率输出功率将可达到桨将可达到桨 式的式的4 4倍倍以上以上 同等输出功率的条件下同等输出功率的条件下 帆式风力发电机的帆式风力发电机的制造成本制造成本仅相当于桨仅相当于桨 式的式的4040 运行成本运行成本仅相当于桨式的仅相当于桨式的6060 在降低或取消国家发电在降低或取消国家发电 补贴的条件下仍有可能满足商业运行条件补贴的条件下仍有可能满足商业运行条件 使风力发电真正具有使风力发电真正具有 市场竞争的能力市场竞争的能力 采用风帆式发电机后采用风帆式发电机后 若国家收购电价从若国家收购电价从0 0 6 6 元下降到元下降到0 0 4 4元元 仍可仍可维持维持有效的有效的商业运行商业运行 以其中的一片风帆为例进行演示以其中的一片风帆为例进行演示 风在风帆表面作用的力风在风帆表面作用的力 在圆周的任在圆周的任 何位置均可分解成沿圆周方向的何位置均可分解成沿圆周方向的切向切向 力力和指向圆心的和指向圆心的法向力法向力 通过迎风角的选择通过迎风角的选择 使得风帆在迎风使得风帆在迎风 运行的全过程始终形成运行的全过程始终形成单方向扭矩单方向扭矩并并 使之使之最大化最大化 该单向扭矩推动塔体主轴产生该单向扭矩推动塔体主轴产生轴功率轴功率 通过与塔体主轴同轴连接的发电机通过与塔体主轴同轴连接的发电机 将将机械轴功率转化成电功率机械轴功率转化成电功率 通过控制策略通过控制策略 实现发电机与电网的实现发电机与电网的 同步运行同步运行 4 帆式风力发电机工作原理帆式风力发电机工作原理 风向 点击此图点击此图 风向 点击此图点击此图 风帆风帆的风向迎角值沿主轴回转方向是严格的风向迎角值沿主轴回转方向是严格按数学函数规律按数学函数规律解析的解析的 以期从风中获得以期从风中获得最大的能量最大的能量 在台风等极限气候条件下在台风等极限气候条件下 通过控制决策调节风帆的通过控制决策调节风帆的 风向迎角恒等于零风向迎角恒等于零 从而从而 有效保护风力发电机免于有效保护风力发电机免于 损坏损坏 点击右图点击右图 5 知识产权获取状态知识产权获取状态 本项目已申请中华人民共和国实用新型专利和发明专利 其中本项目已申请中华人民共和国实用新型专利和发明专利 其中 实用新型专利已获得国家专利局授权 发明专利已进入网上公示 实用新型专利已获得国家专利局授权 发明专利已进入网上公示 专利号分别为 专利号分别为 发明专利申请号发明专利申请号 2010 1 0566644 9 实用新型专利号实用新型专利号 ZL 2010 2 0632219 0 PCT国际专利号国际专利号 PTC CN2011 075499 编后语编后语 目前国家对风力发电项目实施一定的产业调控 主要基于风力发电机的制造目前国家对风力发电项目实施一定的产业调控 主要基于风力发电机的制造 成本和运行成本太高 离开国家的发电行政补贴无法独立运行 这种市场运成本和运行成本太高 离开国家的发电行政补贴无法独立运行 这种市场运 行方式本身就是不健康的 不利于产业的发展 行方式本身就是不健康的 不利于产业的发展 风力发电要想健康发展 技术更新是必然的手段 只有通过革命性的变革 风力发电要想健康发展 技术更新是必然的手段 只有通过革命性的变革 大幅降低制造和运行成本 全球性的推广才会变得现实大幅降低制造和运行成本 全球性的推广才会变得现实 本发明即具有这种本发明即具有这种 革命性的改变 革命性的改变 正是这种国家性的产业调控 为风力发电的新技术介入正是这种国家性的产业调控 为风力发电的新技术介入提供了全新的机会提供了全新的机会 随着矿石