低风速下使用的风力发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用螺旋桨的水平轴风力发电机，其通过把额外一块特别的桨叶可选地与现有传统的主马达连接和分离，使其在低风速环境和小机会刮风的地区都能操作。
【背景技术】
[0002]风力发电和太阳光电是可再生能源系统中最重要的产能技术。它们涉及机电之间的能量转换系统，其中涡轮驱动发电机。已知的是，风力发电机的能量输出N与旋翼表面面积A所承受之风速V的三次方成正比:N = f(V3*A)，从而也与旋翼直径的二次方成正比:D:N= f(V3*D2)，因为A = jtD2/4。
[0003]当风力发电机(W/T)的能量输出N克服了启动损耗(轴、齿轮箱和发电机等的摩擦力)，增加至一数值Ne，风力发电机便开始旋转启动和产生能量。所述数值Ne对应通常是之3.5-4.5m/秒的启动风速(切入风速)Vc。
[0004]因此，在低风速V< Vc时，风的能量没有被使用。但超过该速度(V 2 Vc)时，能量输出相对于风速以倍数增加，直至能量输出首次达到风力发电机(W/T)的额定功率N。。所述额定功率N。对应于额定输出速度VR，也对应于功率因子Cp的最大值。
[0005]由此风速值(V^Vr)开始，风力发电机由于操作上和稳定性的原因，其能量输出保持大致上恒定，多出的潜在风能未被使用。当风速超出安全线，即切出风速VF(20-30m/秒)，基于安全考虑，风力发电机会完全停止操作。
[0006]显而易见，在现有技术中，风力发电机主要的缺点在于低风速U3.5-4.5m/秒)时无法操作(不转动)，结果是:a)它们只能设置在风速高但偏远而且人烟罕至的地区，远离能源消耗的核心地区，从而需要庞大的能量运输网络;b)低地、低海拔地区或甚至一整片田野都因为低风速而不能设置风力发电机，但这些地区的电力消耗一般都较大;c)现有的风力发电机全年的操作时数不多，效能低，增加了每单位能量的成本，使大部分投资都没钱赚。
[0007]根据统计，低风速(<3.5-4.5m/秒)出现的频率较高风速高，因此，使用低风速产能成为科研领域一个重要的课题和其中一个艰巨的挑战。
[0008]增大旋翼直径D可以推高产能。这个看似正确的解决办法确实能增加产能，但会造成其它问题，例如增加了旋翼上的风力压力(阻力)，这样就必须大幅增强风力发电机所有部件的强度，例如地基、基座、风塔、轴、齿轮箱和发电机，也需增强风力发电机整体的支撑系统强度和能量转换系统的强度，而且增大的旋翼也会令成本增加。
[0009]旋翼的成本有两方面要注意:a)它是风力发电机系统中最重要的成本参数;b)增大旋翼直径D会令成本以倍数上升，从而影响整体安装成本。因此，大幅增大直径D也会同时大幅增加成本，但收益却不成正比。
[0010]只有在低风速环境下，现有大小的旋翼和风力发电机无法克服启动损耗时，仅仅通过增加旋翼直径D才肯定对产能有利。相反，在高风速时，增大直径无助于增加系统的产能，因为风力发电机在高风速时的操作已受到某种限制(“主动桨距控制”或“被动失速控制”)，浪费了剩余的风能。
[0011]西门子(Siemens)公司通过设置一种气动弹性旋翼(气动弹性效果)，增加旋翼直径D，尝试解决上述问题以及在低风速时增加产能。美国专利号00H002057H也造了该尝试。这种旋翼的直径与现有产生相同额定功率的旋翼比较，直径稍大。在高风速的环境下，风压(阻力)会使桨叶自动扭曲和弯曲。
[0012]用风力扭曲桨叶可以改变击打角度(角度设定和限制能量输出)，用风力弯曲会减少旋翼的扫风面积，这样限制了在一般使用情况下能量输出的增幅，减少所施加的压力(阻力)增幅，从而需要扩大整个风力发电机系统的体积。
[0013]这种方法的缺点在于:a)为使桨叶有效地操作，桨叶在生产和运输时都必须确保绝对无缝，不能有任何中间连接位，但这样的桨叶几乎只能够离岸安装(而且需要特别的车辆或船来运送)，无法运送到偏僻地区或山顶等风力发电机较常安装的地区;b)相对于现有的直径，旋翼直径的增幅不能超过7-8%，因此相应增加的能量输出也是有限的；c)桨叶的敏感度和耐用性取决于很多而且不确定的因素(多种物料的混合使用，以至根据特定角度和厚度逐阶段和逐层接合等等，但全部都很可能失败告终)，无法轻易划一品质;d)桨叶承受持续、动态，而且同时弯曲和扭曲的力，与现有风力发电系统相对坚固的桨叶比较，会产生复杂的物料疲劳问题;e)系统的操作状态绝非线性的，桨叶的复杂结构必须连系并且看来是跟随着不断转变的流动场，这样需要很严谨的技术知识和研发全新和复杂的“工具”。
[0014]其它技术方案会设置两个或以上的发电机，其中一个的功率比风力发电机的额定功率小很多，另一个的功率比风力发电机的额定功率大少许，它们依次连接系统，从而使低风速下的启动损耗减至最低(功率小很多的发电机)，在高风速下增强效率至负荷顶点(功率大少许的发电机)。
【发明内容】
[0015]本发明涉及一种使用螺旋桨的水平轴风力发电机，其包括基本和已知的螺旋桨旋翼支座:包括一般是三块的已知桨叶、旋翼轮毂、风力发电塔、内有机械结构的机舱、旋转轴、齿轮箱、发电机、制动器和安全系统等等。第四块螺旋运动的额外桨叶设置于其中两块相连的已知桨叶之间的空间，而且相对于第三块已知桨叶朝相反方向设置。第四块额外桨叶较三块已知桨叶长。
[0016]额外桨叶和已知桨叶不同之处也在于额外桨叶不总是连接风力发电机，而是只在低风速时才可选地与风力发电机系统连接，从而增加功率输出和增加能量年产量。额外桨叶是单一和独立的，其设有朝额外桨叶相反方向设置的重量平衡块，作用是a)平衡操作(已连接)阶段产生的力，实现静态和动态平衡;和b)把额外桨叶驱动和稳定至塔前面的待用位置(分离)。
[0017]额外桨叶优选地安装于中空圆柱体的外表面，与主旋翼的旋转轴同轴设置，并且在平行于主旋翼的一个面上优选地在主旋翼后面绕着旋转轴旋转。
[0018]优选地，额外桨叶在风力发电机的待用状态或低风速操作环境下连接至系统，而明显地，拆卸额外桨叶可以在风力发电机运行的状态下而且是在额定功率输出时进行。在拆卸和待用位置时，额外桨叶都保持垂直，紧贴着塔和整个被塔所覆盖，以免产生任何额外抗力(阻力)。
[0019]额外桨叶优选地设有功率控制和优化系统，优选基于:a)桨叶叶剖面方向(桨距角/击打角度)相对风向的持续变化(“主动桨距控制”)，或b)更简单地，气流脱离的被动系统(“被动失速控制”)，其中桨叶固定和永久地被扭曲；或幻上述a和b的组合。
[0020]在另一种实施方式中，风力发电机系统可以设有两部独立的发电机:一部很小型的发电机，是现有发电机大小的约50%，用作启动；另一部发电机是现有发电机大小的约120%，在操作状态使用。两部发电机依次连接至系统。
[0021]此外，额外桨叶可以在高风速的风压直接作用下被动地扭曲和弯曲，同一时间通过扭曲调控击打角度和通过弯曲(气动弹性)调控旋翼的扫风面(直径)。
【附图说明】
[0022]图1示出本发明的风力发电机，其中设有额外桨叶。
[0023]图2示出图1的风力发电机的侧视图A。
[0024]图3也是侧视图A，其中示出安装图1所示之额外桨叶的详细结构。
[0025]图3a是图1的截面A-A，其中示出把额外桨叶安装至风力发电机旋转轴的另一种安装结构。
[0026]图4是风力发电机旋转轴的截面B-B，其中示出把额外桨叶连接至系统的详细结构。
[0027]图4a的截面图示出把额外桨叶接连接至风力发电机旋转轴的另一种方式。
[0028]图5示出可设有额外桨叶的已知风力发电机其功率-风速的功率曲线，两者都设有功率控制系统(主动桨距控制)。
[0029]图6示出可设有额外桨叶的已知风力发电机其功率-风速的功率曲线，两者都设有被动功率控制系统(被动失速控制)。
【具体实施方式】
[0030]已知的风力发电机不会在低风速时旋转:即速度VSVc时，更具体地，是速度为
3.5-4.5m/秒时，其中Vc指的是“切入风速”，即启动时的风速。不会在低风速时旋转的原因在于风的旋转扭力需要克服多种启动损耗，这使得大量潜在的风能未被使用。
[0031]又已知的是，风力发电机的能量输出N与旋翼表面面积A所承受之风速V的三次方成正比:N=f(V3*A)，从而也与旋翼直径的二次方成正比:D:N=f(V3*D2)，因为A = 3iD2/4。
[0032]图1-3示出本发明的水平轴风力发电机，其中已知的包括:三块已知桨叶I构成半径仏和直径D1的螺旋桨形、轮毂7、内有机械结构的机舱8、偏转系统9、塔3、旋转轴4、齿轮箱、盘式制动器和发电机等等。本发明的风力发电机设有一全新的额外桨叶2，旋转时构成半径R2和直径D2。
[0033]额外桨叶2优选绕着机舱8的中空圆柱形凸件11设置和定位，所述中空圆柱形凸件11又环绕着旋转轴4