专利名称：调桨长的万向风车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种风カ应用设备领域
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IOm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IOm高度层的2倍。我国的风能资源非常 丰富，新疆、内蒙、甘肃ー带风能最大，强度约200 300瓦/米2，平均4000 5000小时/年(參见《中国大百科全书》ー风カ机)。几个世纪以来，风カ发电一直受到人们的关注。第一次世界大战后，应用风カ来发电曾出现高潮，丹麦、荷兰应用最早也最广。后来由于中东油田的发现，使风カ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，风カ发电才又出现高潮。要利用风カ发电，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，风车是风カ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。目前大量使用的风カ发电设备以三叶片水平轴升カ型(一般称螺旋桨风车)居多。螺旋桨风车从ー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；常规风カ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，这ー控制过程，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。近些年来有ー些人想借鉴水平轴风カ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カ机很好的结合起来，提高垂直轴风カ机的启动性能和风能利用率，开发ー种新型高效的垂直轴风カ机，但根据升力型垂直轴风カ机的工作原理可知，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。如果说水平轴风カ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；而升力型垂直轴风カ机用这种方法，取得一些效果就可能非常困难。大量中小型水平轴风カ机根本不进行桨距调节，这就使风カ发电机发出的电力，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。常规风カ发电机还有ー个致命的弱点，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，是由于风カ发电机的工作状态与外界风カ的大小紧密相关，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カ发电技术设备，将所谓的“垃圾”风能转换为平稳的电カ输出，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傾斜度(a)、偏心度(￠)、安装攻角(Y)，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，从而大大扩大了风カ应用范围。
发明内容
一、调浆长万向风车结构风车由支架、叶桨、叶桨头、转轴、桨长控制系统等几部分组成。2 4个叶桨均匀分布在转轴周围，叶桨通过叶桨头斜向固定在支架上，形成V字形结构，叶桨横截面的翼型为带弯度的机翼型。支架中间固定风车转轴，转轴与支架旋转平面垂直。叶槳可通过叶桨头上的三个相应转轴调节叶桨的傾斜度(a )、偏心度(P )、安装攻角U )。叶桨做成2 3节，并像无线电接收机拉杆天线一样嵌套在一起，叶桨内部设有滑道和滚轮，使叶桨能轻松自如的在外力作用下伸长和缩短。叶桨的展向相对于风车转轴有一定倾斜角度，叶桨展向轴线与水平方向的夹角定义为叶桨倾斜度(a )，用角度表示。调节叶桨倾斜度的大小，会影响风车性能，并且这种影响不是单一的而是多方面的，甚至是互相矛盾的。减小傾斜度将使风车的转动惯量増加，根据转动定律刚体的角加速度与它的合外力矩成正比，与刚体的转动惯量成反比，所以风车的转速会变慢，也使风车不易启动；调节叶桨倾斜度的大小，也会影响叶桨的攻角，从而改变升力的大小，影响风车的风能利用系数。但适当减小叶桨倾斜度，会增大风车的扫风面积，増加风车捕获的风能，这又有利于风车的启动，増大输出功率。所以，调节必须斟酌情況，谨慎进行。叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离与其最大偏离距离的比值定义为偏心度
(3)，用百分数表示。偏心度(￠)的大小与叶桨攻角和叶桨受到风力作用时产生的启动转矩有关，偏心度(￠)大，产生的启动转矩就大。但偏心度增大会增大风车的旋转阻力，减小功率系数。翼型弦线与气流方向的夹角定义为叶桨攻角，它与飞机机翼的迎角相当。请注意，这里的气流方向是指叶片圆周运动的线速度矢量与风速矢量合成的气流速度(即相对风速)的方向，显然，这个方向是随风速的变化和风车转速的变化而不断变化的。风车静止时翼型弦线与水平方向的夹角定义为安装攻角(Y)，用角度表示。所以，叶桨攻角是由安装攻角(Y)和随风速的变化而不断变化的可变攻角两部分组成的。适当改变安装攻角(Y)，可使叶桨攻角处于最佳状态，且不超过失速攻角，使风车效率系数最佳。风轮转轴下方安装变速机构和发电机。ニ、工作原理风车叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，通过叶桨头可对叶桨倾斜度(a)、偏心·度(￠)、安装攻角(Y)进行调节，这就可以使风车叶桨处在启动カ矩最大，效率最佳工作状态。风车在静态时，因为叶桨斜向固定在支架上且有一定偏心度(￠)，其迎风面与逆风面对风产生的阻力大小不同，就产生了启动カ矩使风车旋转。风车旋转起来以后，因为风车的叶桨是带弯度的机翼型，斜向固定在支架上且有一定偏心度(￠)，根据空气动力学原理，叶桨上就会产生升力。又因为叶桨是倾斜的，那么升力就被分解成平行于旋转平面的分力和垂直于旋转平面的分力。平行于旋转面的分力，就会产生使支架旋转的カ矩，从而加快风车旋转。风车旋转的加快，使升カ增加，又促使旋转的カ矩增大，使风车旋转的更快……，这样就形成了正反馈，提高了风车效率。垂直于旋转面的分力，起到了减轻轴承压カ的作用，也就减轻了风轮的旋转阻力。风车叶桨做成2 3节,并像无线电接收机拉杆天线一样嵌套在一起。叶桨内部设有滑道和滚轮，使叶桨能轻松自如的进行伸长和缩短，就可以采取以下控制策略一、对叶桨长度进行连续的比例积分微分输出功率定值控制，实现恒功率输出；ニ、对叶桨长度进行不连续的阶梯式控制，实现输出功率的阶梯式变化；三、根据风速大小，进行程序控制，使风车在不同的风カ级别有不同的叶桨长度；四、手动控制或遥控，风大时缩短，风小时伸长，主要用于保证风车的运行安全，增加风能利用范围。这里需要指出的是，I、如希望增加功率，需要增加叶桨的长度、宽度，也要增加风车支架和叶桨头的大小。2、叶桨的倾斜角度(a)、偏心度(P)、攻角(Y)，对风车的效率和启动カ矩，影响很大，需要精心的设计和调整，也可以加装自动调节机构(对大型机)，根据风速大小和功率系数自动调整叶桨的倾斜角度(a)、偏心度(0)。3、调桨长万向风车做立轴风车使用时(对大、中、小型机)，倾斜角度(a)为60度 80度比较合适；调桨长万向风车也可以作为水平轴风车使用(小型机)，倾斜角度(a)为10度 30度比较合适。三、装置特点I、由于风车的叶桨截面为带弯度的机翼形，并且与转轴之间采用了即偏心又倾斜的V字形特殊结构，所以，当叶桨旋转起来以后，便把所受到的风カ转换成了升力，又把升力分解成了垂直分力和水平分力，垂直于旋转面的分力使风车重力減少，从而减小轴承的摩擦力；平行于旋转面的分力，就会产生使支架旋转的カ矩，从而加快风车旋转；风车旋转的加快，使升力増加，又促使旋转的カ矩増大，使风车旋转得更快……。这样周而复始，就相当于将输出信号引回到输入端，形成了正反馈，提高了风车效率。风车正反馈信号流程图见说明书附图之中的图7。2、叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，使叶桨大部分重量作用在支架底盘上，而作用在叶桨上的カ很少，从而提高了叶桨强度；3、叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，给叶桨制造成可伸縮叶桨创造了条件，也使桨长的平方与扫风面积成正比，与输出功率成正比，给风车的功率控制打下了良好的基础，使控制更灵敏更有效；
4、叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，为多个风车错开一定角度进行上下串联提供了条件；多个风车串联成树状，大大提高风车的启动性能和功率输出；5、结构简单,材料广泛,制造成本低,效率高,维修、运输、安装方便；6、叶桨的倾斜角度(a)、偏心度(￠)、攻角(Y)均可通过叶桨头调节，即可离线调节，也可实现在线自动调节，使风车始终处在高效率的最佳状态；7、桨长可自动调节，也可手动调节。由于桨长的平方与扫风面积成正比，与输出功率成正比，也就是说，桨长増加一倍，输出功率就増加四倍；如果让输出功率固定(例如，定为额定输出功率)，那么，桨长増加一倍，输入的风速就可以降低I. 6倍。这就是说，如果额定功率是IK瓦的风カ发电机(只有在10米/秒的风速下，才能达到一千瓦)，现在只要6米/秒，就能达到一千瓦。而风速高于6米/秒吋，叶片就缩短，从而可保证恒功率输出，大大增加了风能的利用范围，并保证风カ机始终处在满负荷运转；当外界的风カ过大时，风车的桨长缩短，也保证了风车安全。四、应用I、可做垂直轴风カ机使用；2、可应用于风カ发电厂，进行风カ发电；3、也可做成水轮机，用于无坝电站，或潮汐发电；4、可做成儿童玩具。
图I支架叶桨头俯视图；图2支架叶桨头正视图；图3风车俯视图；图4风车正视图；图5叶桨A-A剖面放大图；图6风车立体图(供參考)；
图7风车正反馈信号流程 图8风车闭环控制系统信号流程图；图I中1——主轴；2——支架；3——叶桨头；4——傾斜度转轴；5——偏心度转轴；图2中6——安装攻角转轴；7电机；
图3中8——叶桨；箭头方向为风车旋转方向；图4中9——顶部端板；图5中10——外叶桨；11——内叶桨；12——导轨；13——叶桨内支承；
具体实施例方式參照图I、图2、图3、图4、图5、图6 ;用铝合金等轻质材料做骨架，用铝合金、彩钢板、不锈钢板、镀锌铁皮等材料做蒙·皮，按照带弯度的机翼翼型作内叶桨(11)、外叶桨(10)，在外叶桨内部做导轨(12)，在内叶桨的适当位置装滑轮，在顶端装顶部端板(9)，把两节叶桨嵌套在一起，井能用绳索或链条使其伸长缩短。同样用轻质材料做支架⑵和叶桨头(3)。将转轴⑴和叶桨头(3)安装在支架⑵上，风车转轴下方安装发电机(7)，通过相应的转轴(傾斜度转轴4、偏心度转轴5、安装攻角转轴6)，调整好叶桨(8)的傾斜度(a)、偏心度(￠)、攻角(Y)，使风车工作在攻角最佳状态，调桨长万向风车即制作成功。再装上控制装置(图中没有画出)，用小电机带动绳索或链条使叶桨按照不同的控制策略对叶桨的长度进行控制，以实现风カ发电机安全稳定的运行。风车闭环控制系统信号流程图见说明书附图之中的图8。
权利要求
1.一种调桨长的万向风车由支架、叶桨、叶桨头、转轴、桨长控制系统等几部分组成，其特征是，2 4个叶桨均匀分布在转轴周围，叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，叶桨横截面的翼型为带弯度的机翼型，支架中间固定风车转轴，转轴与支架旋转面垂直。
2.所述叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，其特征在于，叶槳可通过叶桨头上的三个相应转轴，调节叶桨的傾斜度レ)、偏心度)、安装攻角(Y)。
3.所述叶桨做成2 3节，并像无线电接收机拉杆天线一样嵌套在一起，叶桨内部设有滑道和滚轮，使叶桨能轻松自如的在外力作用下伸长和缩短。
4.叶桨展向轴线与水平方向的夹角定义为叶桨倾斜度(a)，用角度表示；叶桨的压力线与转轴之间的偏离距离与其最大偏离距离的比值定义为偏心度(￠)，用百分数表示；风 车静止时翼型弦线与水平方向的夹角定义为安装攻角(Y)，用角度表示。
5.根据权利要求I所述的调桨长的万向风车，其特征在于，风车旋转起来以后，因为风车的叶桨是带弯度的机翼型，斜向固定在支架上且有一定偏心度(￠)，根据空气动力学原理，叶桨上就会产生升力；又因为叶桨是倾斜的，那么升力就被分解成平行于旋转平面的分力和垂直于旋转平面的分力，平行于旋转面的分力，就会产生使支架旋转的カ矩，从而加快风车旋转，风车旋转的加快，使升力増加，又促使旋转的力矩增大，使风车旋转的更快……，这样就形成了正反馈，提高了风车效率；垂直于旋转平面的分力，使风车重量减轻，減少了旋转阻力。
6.所述叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，风车由叶桨所接收的风能就与叶桨的扫风面积成正比，从而使所述风车叶桨长度的平方与输出功率成正比，控制叶桨的长度，就控制了输出功率或转速，桨长可以采取连续、不连续、手动、遥控、程序控制等控制策略，以保证风车输出稳定和运行安全。
7.所述叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，其特征在干，使叶桨大部分重量作用在支架底盘上，而作用在叶桨上的カ很少，从而提高了叶桨强度，并为多个风车错开一定角度进行上下串联提供了条件；多个风车串联成树状，大大提高风车的启动性能和功率输出。
8.风车转轴下方安装变速机构和发电机。
全文摘要
本发明为调桨长的万向风车，涉及一种风力应用设备领域。风车由支架、叶桨、叶桨头、转轴、桨长控制系统等组成。2～4个叶桨均匀分布在转轴周围，叶桨横截面的翼型为带弯度的机翼型，并通过叶桨头斜向安装在支架上，形成V字形结构，叶桨的倾斜度、偏心度、安装攻角均可通过叶桨头进行调节，从而使风车叶桨处在最佳工作状态；由于风车叶桨做成2～3节，并像无线电接收机拉杆天线一样嵌套在一起可伸可缩，使叶桨能在风大时缩短，风小时伸长，稳定了输出功率或转速，增加了风能利用范围，同时保证了风车的运行安全。调桨长的万向风车的应用如下1、可做垂直轴风力发电机使用，应用于风力发电厂；2、也可做成水轮机，用于无坝电站，或潮汐发电；3、可做成儿童玩具。
文档编号F03D3/00GK102953928SQ20121039348
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者李洪泽 申请人:李洪泽