風力機剎車的裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種風力機剎車的裝置及系統(tǒng)。該風力機剎車裝置包括：絕緣介質(zhì)層，附著于風力機葉片的絕緣材料層上；裸露電極，固設于所述絕緣介質(zhì)層的外側(cè)，風力機葉片上來流方向的下游，裸露在周圍的空氣中；掩埋電極，嵌設于所述絕緣介質(zhì)層與所述風力機葉片的絕緣材料層之間，風力機葉片上來流方向的上游，與裸露電極交錯布置；高壓交流電源，其高壓端與裸露電極相連接，其接地端與掩埋電極相連接，用于在裸露電極和掩埋電極之間施加等離子體激勵電壓。本發(fā)明采用等離子體電激勵，本身不會損耗，并且不會對葉片產(chǎn)生任何磨損，從而不會增加風力機的成本。
【專利說明】風力機剎車的裝置及系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及風力發(fā)電【技術(shù)領域】，是一種風力機剎車的裝置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]能源是國民經(jīng)濟重要的物質(zhì)基礎，也是人類賴以生存的基本條件，國民經(jīng)濟發(fā)展的速度和人民生活水平的提高都有賴于提供能源的多少。傳統(tǒng)化石能源的逐步耗竭，以及對環(huán)境的污染，使能源危機已明顯逼近。
[0003]風能被稱為“未來的能源”，它與傳統(tǒng)能源如煤、石油和原子能不同，既不會對環(huán)境造成污染，也不會枯竭。在生活水平逐漸上升的發(fā)展中國家，風能是一種安裝簡便而有效的能源，而且常常是可向偏遠地區(qū)供電的唯一方式。在工業(yè)化國家，風能不失為一種兼顧能量增容和環(huán)保要求的新型能源。
[0004]與大多數(shù)能源的成本在上漲不同，隨著技術(shù)的進步，風能的成本卻下降，風能的經(jīng)濟性在不斷提高。比如，丹麥的一座大風力發(fā)電站的發(fā)電成本近10多年來降低了約三分之二。本發(fā)明正是針對降低風電成本、保障風力機安全穩(wěn)定運行而提出的。
[0005]風力機在運行過程中，環(huán)境中的風速和風向是經(jīng)常變化的，因此風力機經(jīng)常在非設計點運行，進而會出現(xiàn)風力機轉(zhuǎn)速過高的情況，而風力機轉(zhuǎn)速過高會帶來強度、振動等一系列問題，會造成風力機葉片的損壞，為了保證風力機的安全運行，在風力機轉(zhuǎn)速過高時，必須啟動剎車裝置，使風力機轉(zhuǎn)速降至安全區(qū)域。
[0006]現(xiàn)有的風力機剎車系統(tǒng)都是基于機械的方式，如通過啟動剎車片或者改變?nèi)~片的角度等機械方式來實現(xiàn)風力機剎車。然而，剎車片是磨損器件，利用剎車片會導致風力機的成本上升。此外，改變?nèi)~片的角度需要采用運動部件，該運動部件在增加風力機負載的同時，會造成風力機葉片的機械強度受到影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]為解決上述的一個或多個問題，本發(fā)明提供了一種風力機剎車的裝置及系統(tǒng)，以在控制風力機的成本的前提下，安全的實現(xiàn)風力機的剎車。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種風力機剎車的裝置。該風力機剎車裝置包括:絕緣介質(zhì)層，附著于風力機葉片的絕緣材料層上；裸露電極，固設于絕緣介質(zhì)層的外側(cè)，風力機葉片上來流方向的下游，裸露在周圍的空氣中；掩埋電極，嵌設于絕緣介質(zhì)層與風力機葉片的絕緣材料層之間，風力機葉片上來流方向的上游，與裸露電極交錯布置；高壓交流電源，其高壓端與裸露電極相連接，其接地端與掩埋電極相連接，用于在裸露電極和掩埋電極之間施加等離子體激勵電壓。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種包括上述風力機剎車裝置的風力機剎車系統(tǒng)，還包括:轉(zhuǎn)速傳感器，設置于風力機葉片上，用于測量風力機的轉(zhuǎn)速；控制器，與轉(zhuǎn)速傳感器相連接，用于從轉(zhuǎn)速傳感器獲得轉(zhuǎn)速信號，當風力機的轉(zhuǎn)速高于第一預設值時，向風力機剎車裝置的高壓就留電源發(fā)送開啟信號；當風力機的轉(zhuǎn)速低于第二預設值時，向風力機剎車裝置的高壓電源發(fā)送關(guān)閉信號。
[0012](三)有益效果
[0013]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明風力機剎車的裝置及系統(tǒng)具有以下有益效果:
[0014](1)采用等離子體電激勵，本身不會損耗，并且不會對葉片產(chǎn)生任何磨損，從而不會增加風力機的成本；
[0015](2)結(jié)構(gòu)簡單，不增加風力機葉片上的運動部件，不會影響葉片外形和強度；
[0016](3)由控制器來控制風力機剎車裝置的開啟與關(guān)閉，響應迅速；
[0017](4)通過控制高壓交流電源的電壓和頻率，可以靈活設置等離子體激勵的強度與功耗。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例的風力機剎車裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為風力機葉片加裝本發(fā)明實施例風力機剎車裝置后的來流方向與等離子體誘導流方向的示意圖；
[0020]圖3為施加等尚子體激勵如風力機葉片周圍空氣流動的不意圖；
[0021]圖4為采用本實施例風力機剎車裝置施加等離子體激勵作用后風力機葉片發(fā)生流動分離示意圖；
[0022]圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的風力機剎車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0024]需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應了解，參數(shù)無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內(nèi)近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明。
[0025]本發(fā)明從流體機械氣動熱力學和等離子體物理學的角度出發(fā)，在風力機葉片固定位置布置等離子體激勵器，施加適當強度和頻率的等離子體激勵，從而擴大風力機葉片上的流動分離區(qū)域，減小風力機葉片的升力，增大風力機葉片的阻力，進而降低風力機的轉(zhuǎn)速。
[0026]在本發(fā)明的一個示例性實施例中，提供了一種風力機剎車裝置。如圖1所示，該裝置設置于風力機葉片的一側(cè)上，包括:絕緣介質(zhì)層，附著于風力機葉片的絕緣材料層上；裸露電極，固設于絕緣介質(zhì)層的外側(cè)，葉片上來流方向的下游，裸露在周圍的空氣中；掩埋電極，嵌設于絕緣介質(zhì)層與風力機葉片的絕緣材料層之間，葉片上來流方向的上游，與裸露電極交錯布置；高壓交流電源，其高壓端與裸露電極相連接，其接地端與掩埋電極相連接，用于在裸露電極和掩埋電極之間施加等離子體激勵電壓。
[0027]本實施例中，絕緣介質(zhì)層的厚度介于0.001至IOOmm之間，其材料可以為聚四氟乙
烯、陶瓷或石英玻璃。
[0028]本實施例中，掩埋電極和裸露電極的電極寬度為0.1-lOOmm，其形狀可以為長方形、正方向、橢圓形、圓形或梯形等，其材料可以為鎢、鑰、鋼或銅等。掩埋電極和裸露電極采取交錯布置方式，裸露電極與掩埋電極之間的水平間距D介于O至20mm之間，如圖2所示。裸露電極與掩埋電極之間的間距越大，需要施加的激勵電壓越高。
[0029]本實施例中，高壓交流電源提供的等離子體激勵電壓峰值為lkV-100kV。激勵電壓越高，等離子體激勵的效果越好。但是如果激勵電壓過高，則會增加額外的功耗，并且容易燒毀絕緣材料。
[0030]本實施例中，氣流分尚之后，該分尚會有震蕩的頻率，施加等尚子體的頻率與該震蕩頻率相同時，效果最好。但該氣流震蕩的頻率是隨著外界環(huán)境，如葉片的轉(zhuǎn)速而變化的。一般情況下，高壓交流電源提供的等離子體激勵的頻率為lHz-lOOOkHz。優(yōu)選地，等離子體的頻率為IOOHz-1OkHz
[0031]在采用Imm厚的聚四氟乙烯作為絕緣材料，裸露電極與掩埋電極之間的間距為2mm的情況下，激勵電壓的峰值優(yōu)選為14kV，等離子體激勵頻率為1kHz。激勵器的功耗為900瓦/米。
[0032]圖2為風力機葉片加裝本發(fā)明實施例風力機剎車裝置后的來流方向與等離子體誘導流方向的示意圖。請參照圖2，在高壓交流電源高壓交流電的作用下，掩埋電極上方生成弱電離的低溫等離子體，通過離子與中性氣體分子的碰撞向邊界層輸送能量，使周圍空氣形成靜流量為零的水平方向射流，加速附面層內(nèi)的氣流流動。由于掩埋電極布置在來流方向的上游、裸露電極布置在來流方向的下游，這樣可以保證等離子體誘導流動方向與來流方向相反，從而避免風力機轉(zhuǎn)速過高，保障風力機安全穩(wěn)定運行。
[0033]圖3為施加等尚子體激勵如風力機葉片周圍空氣流動的不意圖。請參照圖3,氣流繞過風力機葉片，附著在風力機葉片的吸力面和壓力面上，沒有發(fā)生流動分離，葉片壓力面和吸力面上的壓力差就是葉片的升力，此外葉片還會受到氣流的阻力，葉片所受的升力和阻力的合力就是驅(qū)動風力機旋轉(zhuǎn)的動力。
[0034]圖4為采用本實施例風力機剎車裝置施加等離子體激勵作用后風力機葉片發(fā)生流動分離示意圖。請參照圖4，在等離子體激勵作用下，氣流不再附著在風力機葉片上，在葉片的吸力面和壓力面上發(fā)生了流動分離，這樣就破壞了葉片原有的氣動外形，會增大葉片阻力、減小葉片升力,進而降低風力機的轉(zhuǎn)速。
[0035]在本發(fā)明的另一個示例性實施例中，還提供了一種包括上述風力機剎車裝置的系統(tǒng)。如圖5所示,該風力機剎車系統(tǒng)包括:
[0036]風力機剎車裝置，接通高壓電后產(chǎn)生等離子體，加速附近空氣；
[0037]轉(zhuǎn)速傳感器，設置于風力機的葉片上，用于測量風力機的轉(zhuǎn)速，獲得轉(zhuǎn)速信號；
[0038]控制器，與轉(zhuǎn)速傳感器相連接，用于從轉(zhuǎn)速傳感器獲得轉(zhuǎn)速信號，當風力機的轉(zhuǎn)速高于第一預設值時，向風力機剎車裝置的高壓電源發(fā)送開啟信號；當風力機的轉(zhuǎn)速低于第二預設值時，向風力機剎車裝置的高壓電源發(fā)送關(guān)閉信號。
[0039]風力機剎車裝置的數(shù)目可以為1-1000組，可以按照風力機葉片的形狀靈活的進行設置。在風力機葉片吸力面和壓力面上可以分別布置壓力機剎車裝置，可以在吸力面和壓力面同時降低風力機的轉(zhuǎn)速。如圖4所示，在風力機葉片吸力面和壓力面上可以分別布置4組風力機剎車裝置。
[0040]上述的第一預設值和第二預設值可以相等，也可以第一預設值大于第二預設值。根據(jù)不同的風力機，可以設置不同的第一預設值和第二預設值。例如，在一般場景下，第一預設值設置為10011)111，第二預設值設置為6011)111。
[0041]本發(fā)明在實現(xiàn)風力機剎車方面與現(xiàn)在運行的技術(shù)有很大的區(qū)別:基于等離子體激勵的風力機剎車方法是一種電激勵方法，等離子體激勵以等離子體為載體，對流場施加一種可控的擾動，從而實現(xiàn)避免風力機轉(zhuǎn)速過高，保障風力機安全運行。
[0042]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種風力機剎車裝置，其特征在于，包括: 絕緣介質(zhì)層，附著于風力機葉片的絕緣材料層上； 裸露電極，固設于所述絕緣介質(zhì)層的外側(cè)，風力機葉片上來流方向的下游，裸露在周圍的空氣中； 掩埋電極，嵌設于所述絕緣介質(zhì)層與所述風力機葉片的絕緣材料層之間，風力機葉片上來流方向的上游，與裸露電極交錯布置； 高壓交流電源，其高壓端與所述裸露電極相連接，其接地端與所述掩埋電極相連接，用于在所述裸露電極和所述掩埋電極之間施加等離子體激勵電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風力機剎車裝置，其特征在于，所述裸露電極與掩埋電極之間的水平間距介于O至20mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力機剎車裝置，其特征在于，所述掩埋電極和裸露電極的形狀為長方形、正方向、橢圓形、圓形或梯形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風力機剎車裝置，其特征在于，所述掩埋電極和裸露電極的形狀為長方形，該長方形電極的寬度為0.l-100mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的風力機剎車裝置，其特征在于，所述裸露電極與掩埋電極的材料為鶴、鑰、鋼或銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的風力機剎車裝置，其特征在于，所述絕緣介質(zhì)層的厚度介于0.001至IOOmm之間，其材料為聚四氟乙烯、陶瓷或石英玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的風力機剎車裝置，其特征在于，所述高壓交流電源提供的電壓峰值介于IkV至IOOkV之間；其頻率介于IHz至IOOOkHz之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的風力機剎車裝置，其特征在于，包括若干組的所述裸露電極和掩埋電極。
9.一種包括權(quán)利要求1至8中任一項所述的風力機剎車裝置的風力機剎車系統(tǒng)，其特征在于，還包括: 轉(zhuǎn)速傳感器，設置于風力機葉片上，用于測量風力機的轉(zhuǎn)速； 控制器，與所述轉(zhuǎn)速傳感器相連接，用于從轉(zhuǎn)速傳感器獲得轉(zhuǎn)速信號，當風力機的轉(zhuǎn)速高于第一預設值時，向風力機剎車裝置的高壓就留電源發(fā)送開啟信號；當風力機的轉(zhuǎn)速低于第二預設值時，向風力機剎車裝置的高壓電源發(fā)送關(guān)閉信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的風力機剎車系統(tǒng)，其特征在于，所述第一預設值大于第二預設值。
【文檔編號】F03D11/00GK103835888SQ201210472968
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月20日
【發(fā)明者】李鋼, 朱俊強, 徐燕驥, 聶超群, 楊凌元 申請人:中國科學院工程熱物理研究所