全自动多叶片变角调速风轮

世纪风能风电新技术全自动多叶片变角调速风轮 序言世界能源消耗越来越严重，不可再生能源储量越来越少，能源危机一步一步向我们迈进，“节能、环保”已经成为人们最关注的话题。可再生能源的开发与利用也日益成为世界各国研究的主要方向，我国也早在多年前就提出了可持续发展道路，各界知识分子、专家学者也纷纷用自己的智慧在这个方向上奋斗着。风能、太阳能、生物智能纷纷登上历史舞台。一、 我国的能源供应和环境保护现状与对策回顾我国在“十五”期间经济的高速增长，很大程度上是靠过度消耗能源和增加环境负担实现的。据国家统计局数据显示2004年GDP增长为9.7%，但能源消耗增长高达17.4%，给我国能源供应和环境保护产生巨大压力。针对这种现状，我国在“十一五”规划建设中明确提出“加快风能、太阳能、生物质能等可再生能源开发利用，强调大力节约能源资源。要求“十一五”期间单位GDP能耗比“十五”期末降低20%左右，积极发展新能源和可再生能源成为可持续发展的重要保证。风能作为可再生能源得到了迅猛的发展。二、 我国风能储量我国有丰富的风能资源，据初步测算，在陆地离地面10M高度处，我国可开发风能储量为2.53亿千瓦，海上可开发储能为7.5亿千瓦。风电资源是新能源中发展潜力最大的可在生能源，也日益发挥着重要的作用。正式这样巨大的发展前景与巨大的社会效益和商业价值，促使风电设备制造企业与应用企业迅速成长起来。三、 我国风电历史与目前风电市场现状我国早在上世纪八十年代北京联合收割机总厂便已经生产了FD1.6-50型两扇叶带偏航装置的三项交流永磁式风力发电机组。该发电机可输出14伏的直流电可以供远离供电网、交通不便、具有风力资源的牧区、农村、山区海岛居民照明、收听广播、通讯等应用。近几年随着风能的发展，风电设备市场日益火热起来，风电企业间的竞争也越来越激烈。2004年以前国内只有6家风电企业，但是到了2007年底较有规模的企业已经达到40家左右，这就是行业增长太快导致的结果。现在风电行业正处于一个高速发展的时期，业内的竞争格局也在不断发生变化。在2006年以前的整体，运动性质截然相反，是不能相提并论的。其二，“三叶片风轮”的叶片几何形状不合理，导致叶片本体产生力矩损失严重1、叶片迎风产生旋转力矩原理，是一种典型的“重心”在中间的一种“杠杆原理”。叶片顶部上的点一定是迎风产生力矩的值最大，而根部上的点一定是迎风产生力矩值最小的，叶顶处的施力是极具利用价值的。所以，设计叶片时，在条件允许的情况下，叶顶部应设计的尽量宽一些，以便使叶片更有效地利用风能在叶顶部产生的力矩。2、因叶片是绕轴旋转的，所以距离轴心越近的点的运行轨迹周长越短市场份额中，外资企业占有相当大的优势，然而到2007年底国内企业的市场份额已经达到56%，超出了外商的44%。国内的企业也已经从过去的一枝独秀改变成了诸侯割据的局面。但是，从外资和内资实力对比来看，我国风机制造业内资实力仍然比较弱，无论在技术还是在产品质量上同国外制造商都存在差距。目前，我国仅在600KW、750KW及以下风机实现了完全的国产化，世界上的主流机型MW级风机仍然处于试用和推广阶段。由于我国风机制造同国外先进水平的差距，我国国内风机制造主要通过引进国外技术、合资等方式进行生产，以实现跨越式发展。国内主要的风机制造企业仍未具备独立开发设计风机特别是大容量风机的能力。风电设备的研究创新工作十分艰巨。四、 传统“三叶片风轮”技术存在误区大家都知道风轮和叶片是风力发电机获取风能的动力获取机构，风轮获取风能的能力将直接影响风力发电机的发电效率。目前，市场上的风轮和叶片主要是引进的西方传统的“三叶片风轮”技术。该技术虽然是风力发电机的传统理论，但是随着风电领域有识之士与专家学者的多年研究试验，发现该理论存在很大误区。“三叶片风轮”技术存在以下错误观念：其一，由于受前苏联（1931）参考直升机螺旋桨制造的一台大型风力发电机的影响，“三叶片风轮”的设计一直搬用直升机螺旋浆的设计理论为其所用。其实螺旋浆的机械原理和风轮的机械原理是有本质上的区别的。 风轮的设计目的是为了利用流动的空气的动能而得到带动发电机旋转的机械能；螺旋浆的设计目的是为了克服地心引力而利用空气的浮力。风轮本体的运动性质是叶片控制轮轴旋转，叶片是主动、轮轴是被动；螺旋桨本体的运动性质是与风轮恰恰相反，是轮轴控制叶片旋转，轮轴是主动的，叶片是被动。这两种机械的设计目的不同，距离轴心越远的点的运行轨迹周长越长。因此，在风轮迎风旋转时，距离轴心越近的点的线速度越低，距离轴心越远的点的线速度越高，根据这种风轮旋转时的圆周运动特性，所以说，叶片形状应该越靠近轴心处越窄，距离轴心越远处应该越宽。即叶片每一点的宽度应与这个点的线速度相吻合，叶片顶部越宽其获得的风能也将越大，风的利用率也会提高。“三叶片风轮”的叶片几何形状不符合上述原理，其形状主要是受飞机螺旋桨影响，飞机螺旋桨根部粗顶部奸细，主要是考虑整个桨叶在旋转过程中能够产生平稳的提升力，防止桨叶切割空气沿径向产生大小不一的升力引起震动，损坏桨叶。而风力发电机风轮叶片获取动力将动力传给发电机轴心，不存在平衡升力的问题。所以， “三叶片风轮”的叶片几何形状设计并不符合空气动力学原理，导致叶片本体产生力矩损失严重，风能利用率低。其三，以“三叶片风轮”为代表的传统风轮设计，存在误区，那就是“叶片宽度、叶片数与转速成反比”。不可否认，宽叶片与窄叶片相比，宽叶片在旋转过程当中产生的阻力较大，但是，同时宽叶片迎风面受风压力也比窄叶片大。风轮之所以转动是因为叶片所受风的正压力大于风轮旋转过程中叶片所受阻力，而压力和阻力均遵循物理学压力等于压强乘以受压面积，即F=P*S（F，叶片所受压力；P，叶片单位面积所受压强；S，叶片受压有效面积）。因为同等条件下风压不变，所以叶片受力大小与叶片的有效受压面积有关。因此，可以看出同等条件下宽叶片风轮较窄叶片风轮更容易接受和吸收风能，风轮获得的能量更多，风轮更容易转动，转速更高。同样道理，相同条件下的风轮，其叶片数不同获得的风能也将不同，叶片多则获取风能更多，风轮更容易启动，风轮转速也会更高。由以上论述可知，“三叶片风轮”为代表的传统风轮设计中所说的“叶片宽度、叶片数与转速成反比”是不正确的，应该成正比才对。五、 全自动调速风轮与最佳风轮叶片形式诞生全自动调速风轮与最佳风轮叶片专利技术发明人、世纪风能风电研究小组主要技术负责人、风电技术与机械专家姜工于上世纪八十年代便已经开始接触并安装维护由北京联合收割机总厂生产的FD1.6-50型两扇叶带偏航装置的三项交流永磁式风力发电机组。由于姜工是最早的农机专业出身，有几十年的机械研究设计经验；并且，姜工多年自学电力相关专业，潜心研究风力发电机各部组成。研究发现目前“三叶片风轮”存在严重不足，经过反复试验最后发明了最佳的风轮叶片形式，同等条件下这种风轮叶片可以最大程度获取风能。为了使风力发电机达到以下目的：1、启动风速尽量小；2、大风时风力发电机可以保持恒定转速、不超速；3、不用因为防止发电机飞车而刹车停止发电；姜工想到可以通过改变叶片迎风角度来改变叶片受力，进而改变风轮转矩，控制风轮转速。经过反复思考与研究，姜工最终由内燃机系统工作时，机组在工况发生变化时可以迅速调整供油量以保持内燃机平稳正常工作受到了启发。经过仔细研究发现，内燃机得以平稳工作是由于内燃机内部调速器可以随时调整控制供油量的结果。内燃机调速器的功用：当内燃机在某一转速下工作时，说明内燃机发出的扭矩和外界阻力相适应。如果外界阻力增大，即负荷增大，为使内燃机仍保持稳定工作，必须迅速增加供油量，否则，内燃机转速会迅速下降，甚至熄火。如果外界阻力减小，应相应减小供油量，否则，内燃机转速迅速升高，甚至“飞车”。根据此原理，姜工经过无数次实验对比，最终发明了可以根据风速大小自动调整风轮风叶迎风角度的全自动变角器，进一步发明了全自动变角调速风轮。此发明配以姜工发明的独特形状风叶，可以使风力发电机启动风速更低，大风时不超速、不飞车；风力发电机可以设定最高转速，大风时仍可正常工作发电。六、 全自动调速风轮的技术优势1、风叶优势：全自动调速风轮风叶采用独特设计，扇叶与传统风叶不同，采用根部窄小，顶部宽大的梯形设计。风叶顶部更有利于受力，相同条件，此种风叶给风轮的转矩更大，更有利于风轮转动，风轮转动速度也会更高。另外，风叶采用凹陷型设计。这种设计使风叶迎风面能更有效地接受风能吸收风能，而背风一面同时可以降低风的阻力，更有利于风轮转动。总之，此风叶设计打破了传统的风叶设计思路，使风轮叶片更加合理，更加符合空气动力学，是风电史上的伟大革命与创新。2、风轮优势：全自动调速风轮风轮采用最优设计，风轮打破传统三叶风轮设计理念，风轮上可以加装多个叶片。因为叶片数量和风轮转速成正比，所以多叶片风轮可以更好地利用穿过风力发电机的风能，成倍提高风能的利用率。并且，风轮上安装有使风叶调整迎风角度的变角机构，可以使风叶随风速大小调整迎风角度控制风轮有安全平稳的转速，极大的提高了发电效率。总论，发明者研制的全自动调速风轮包括叶片、轮毂（内装自动变角装置）、导流罩 ，主要性能及特点如下：1）自动改变风叶角度，免去复杂的风轮变角系统； 2）风轮启动风速小； 3）风轮启动速度快； 4）风轮转速高，免去复杂 变速系统； 5）风轮可设定最高转速，免去复杂风机制动系统； 6）风轮运转稳定，免去复杂变速系统； 7）风轮多叶片直径小制造成本低； 8）全自动调速风轮有效的提高风能利用率； 9）风轮制造安装调整简单故障率低，风轮变角系统基本达到免维护；10）风力发电机整体制造成本低。11) 独特叶片材质使用寿命30-50年。七、全自动调速风轮与其他风轮技术对比全自动调速风轮是根据内燃机调速器控制原理，在轮毂中安装弹簧，依靠弹簧的弹力平衡轮毂转动时叶片产生的离心力。当离心力和弹簧弹力平衡时风轮平稳转动。当外界风速发生变化时，叶片受风压力变化，风轮转速改变，叶片离心力变化，叶片迎风角度发生相应变化；此时，叶片根部弹簧压缩量变化，弹簧弹力变化，平衡离心力；同时，改变叶片迎风角度，改变叶片受风压力，改变风轮转速，当两个力再次平衡时，叶片角度不再变化，叶片受风压力稳定，风轮再次实现平稳转动。全自动调速风轮可以按照设计意图加装多片风叶，加装了多片风叶的风轮可以在更大程度上吸收和利用通过风轮的风能。同等风速条件下风轮更容易启动，启动后风轮转速也更高，更有利于风力发电机发电。相同等级的风力发电机应用全自动调速风轮并安装多片风叶，其风轮体积将会大幅度减小；并且，将降低风轮对风速的要求，进一步降低其配套塔架的高度节省相关材料；应用全自动调速风轮的发电机将省去齿轮箱而直接由风轮转速驱动发电机发电，而不需加装齿轮箱变速，发电机结构更简单，体积更小，更节省材料，且故障率更低；全自动调速风轮的应用可以从根本上降低风电设备成本，进一步从源头降低风电价格，使风电更加容易推广，更加容易被接受。目前，市场上应用的自动变角系统有利用重锤式离心力原理调整风轮叶片迎风角度，进行变角调整风机转速的技术。该技术虽然在调整精度上比较准确，但是，设备结构复杂，加工工艺复杂，设备造价过高；这种技术很难使风轮加装多叶片，因此并不能充分利用风能，并且该技术很难应用于大型风力发电机上，且风轮体积较大，造价过高。另外，市场上其他应用自动变角系统的风电设备制造企业制造的风力发电机，其变角系统应用原理是利用叶片尖部变角以调整风轮转速，并控制转速，以及在风速过高时可以利用叶尖顺桨使发电机可以空气顺桨刹车或