本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

風(fēng)能是當(dāng)前最有發(fā)展前景的一種新型能源，它是取之不盡用之不竭的能源，還是一種潔凈、無污染、可再生的綠色能源。我國地域廣闊，海岸線長、風(fēng)力資源十分豐富。全國平均風(fēng)能密度大約為100W/m²，風(fēng)能總量為3226GW，其中可供開發(fā)利用的陸上風(fēng)能總量大約為253GW，加上海上風(fēng)力資源，我國可利用風(fēng)力資源近1000GW。在我國東南沿海及附近島嶼、內(nèi)蒙和河西走廊，以及我國東北、西北、華北、海南及西青藏高原等部分地區(qū)，每年的年平均風(fēng)速在3m/s以上時(shí)間近4000h，一些地區(qū)的年平均風(fēng)速在6～7m/s以上，對于風(fēng)力發(fā)電來說，具有很大的開發(fā)價(jià)值和廣闊的利用空間。當(dāng)前國內(nèi)外各大型風(fēng)電場均采用大直徑水平軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行風(fēng)能電能的轉(zhuǎn)換。

然而，一方面，由于風(fēng)資源具有不確定性和多變性，在風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，風(fēng)速有可能不斷變化，風(fēng)力機(jī)無法工作在最佳工作工況點(diǎn)，尤其是當(dāng)風(fēng)速變低時(shí)，來流攻角變小，風(fēng)力機(jī)葉片上易出現(xiàn)流動(dòng)分離現(xiàn)象，葉片上的升力變小阻力增大，不能獲得最大的轉(zhuǎn)矩，只能低負(fù)荷運(yùn)行，或者風(fēng)速過低導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)不能啟動(dòng)運(yùn)行，造成風(fēng)電設(shè)備年運(yùn)行小時(shí)數(shù)低。雖然部分風(fēng)力機(jī)帶有葉片角度調(diào)整裝置，但造價(jià)昂貴，頻繁調(diào)整控制復(fù)雜且成本高。另一方面，目前風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速一般為12m/s，最小設(shè)計(jì)風(fēng)速為5m/s左右，當(dāng)風(fēng)速低于5m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)不能正常工作，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無法有效輸出電力，造成低風(fēng)速資源的浪費(fèi)。所以，亟需開發(fā)新型風(fēng)力機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)葉片增升減阻，拓展高效工作工況范圍，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速下有效運(yùn)轉(zhuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用局部柔性葉片，提高了風(fēng)力機(jī)葉片升阻比，增大了風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，拓寬了風(fēng)力機(jī)葉片有效工作工況范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)低風(fēng)速下風(fēng)能的有效利用。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，包括發(fā)電機(jī)、變速箱及風(fēng)力機(jī)，風(fēng)力機(jī)包括若干葉片以及水平方向安裝的轉(zhuǎn)軸，若干葉片周向等距離安裝在轉(zhuǎn)軸上；在葉片上至少設(shè)有一個(gè)空腔，且空腔的開口處覆蓋柔性膜。

本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，

空腔為設(shè)置在葉片內(nèi)的凹槽，或者設(shè)置在葉片表面上的突出體，該突出體為空腔結(jié)構(gòu)。

空腔位于葉片壓力面的前緣處，和/或，位于葉片吸力面的前緣處。

空腔位于葉片吸力面的后緣處，且空腔距離前緣的距離沿葉片徑向方向增大。

在空腔內(nèi)至少設(shè)有一個(gè)能夠使柔性膜強(qiáng)迫振動(dòng)的激振裝置；

激振裝置包括激振器、固定裝置及彈簧，激振器固定安裝在空腔底部，彈簧的一端通過固定裝置連接在激振器上，彈簧的另一端固定在柔性膜的中心，通過激振器帶動(dòng)彈簧動(dòng)作，彈簧動(dòng)作帶動(dòng)柔性膜進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)。

空腔內(nèi)還設(shè)有用于支撐柔性膜，且能夠充、放氣的氣囊。

空腔的長度為葉片長度的1/3～2/3。

柔性膜為聚酯纖維薄片。

柔性膜為壓電材料制成的柔性膜。

空腔內(nèi)至少設(shè)有一個(gè)壓電材料控制裝置，壓電材料控制裝置包括壓電傳感器、壓電控制單元，壓電傳感器用于測量柔性膜的振動(dòng)頻率和位移，壓電控制單元用于輸出控制柔性膜的電流信號。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，采用局部柔性葉片，提高了風(fēng)力機(jī)葉片升阻比，增大了風(fēng)力機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，拓寬了風(fēng)力機(jī)葉片有效工作工況范圍，能夠?qū)崿F(xiàn)低風(fēng)速下風(fēng)能的有效利用，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。采用本發(fā)明中葉形的風(fēng)力機(jī)葉片升力系數(shù)相對于剛性結(jié)構(gòu)葉形最高提高67％，阻力系數(shù)的降低最高可達(dá)89％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的風(fēng)力機(jī)葉片的剖面示意圖；

圖3為實(shí)施例1中設(shè)有空腔和柔性膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的風(fēng)力機(jī)葉片的剖面示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例3的風(fēng)力機(jī)葉片的剖面示意圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例5的風(fēng)力機(jī)葉片的剖面示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例6的風(fēng)力機(jī)葉片的剖面示意圖；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例7的風(fēng)力機(jī)葉片的剖面示意圖；

圖9為本發(fā)明實(shí)施例8的風(fēng)力機(jī)葉片的剖面示意圖。

圖中，1.柔性膜，2.彈簧，3.激振器，4.固定裝置，5.氣囊，6.空腔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括風(fēng)力機(jī)、變速箱、發(fā)電機(jī)，風(fēng)力機(jī)葉片包括轉(zhuǎn)軸、至少兩個(gè)葉片，轉(zhuǎn)軸為水平方向安裝，葉片環(huán)向等距安裝在轉(zhuǎn)軸上，葉片前緣壓力面沿葉片徑向設(shè)有一個(gè)長度約為葉片徑向長度1/2的空腔6，圖2為帶空腔的風(fēng)力機(jī)葉片截面圖，圖3為設(shè)有空腔和柔性膜結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)葉片示意圖，空腔6的開口用與空腔開口形狀相同的柔性膜1覆蓋，柔性膜1邊緣與空腔6開口邊緣緊密固定。

空腔6為設(shè)置在葉片內(nèi)的凹槽，或者設(shè)置在葉片表面上的突出體，該突出體為空腔結(jié)構(gòu)。

研究表明，風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)生的升力主要來源于葉片的前段，尤其是靠近葉片前緣1/3的地方，而風(fēng)力機(jī)葉片前緣剪切對于不同的外部擾動(dòng)具有豐富的響應(yīng)譜。通過對這一區(qū)域施加適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)，能夠極大的改變流場結(jié)構(gòu)。

本實(shí)施例中開設(shè)空腔處葉形弦長為800mm，空腔前緣與葉片前緣重合，空腔后緣距風(fēng)力機(jī)葉形前緣距離為120mm。柔性膜采用聚酯纖維材料。當(dāng)有風(fēng)力作用時(shí)，來流對柔性膜產(chǎn)生激勵(lì)，從而使柔性膜產(chǎn)生自激振動(dòng)，進(jìn)一步，柔性膜的振動(dòng)又反過來對葉型前緣附近的來流產(chǎn)生影響。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，在Ma數(shù)為0.01～0.1范圍內(nèi)，采用該結(jié)構(gòu)葉形的風(fēng)力機(jī)葉片升力系數(shù)相對于剛性結(jié)構(gòu)葉形最高提高了67％，阻力系數(shù)的降低最高可達(dá)89％。

實(shí)施例2

如圖4所示，與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于空腔6內(nèi)部還固定設(shè)有一個(gè)激振器3，激振器3上的固定裝置(如曲軸)4與彈簧2一端連接，彈簧2另一端固定連接在柔性膜1上，通過激振器3使彈簧2產(chǎn)生一定頻率的拉伸和壓縮，進(jìn)而使柔性膜1也以該頻率振動(dòng)。激振器3頻率從0Hz～200Hz可調(diào)，從而柔性膜1的頻率也可調(diào)，以適應(yīng)流場，進(jìn)一步優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，在Ma數(shù)為0.01～0.1范圍內(nèi)，采用該結(jié)構(gòu)葉形的風(fēng)力機(jī)葉片升力系數(shù)相對于剛性結(jié)構(gòu)葉形提高了42％，阻力系數(shù)的降低最高可達(dá)56％。

實(shí)施例3

如圖5所示，與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于空腔6內(nèi)部還設(shè)有一個(gè)體積與空腔相適應(yīng)的氣囊5，該氣囊5一方面能起到柔性支撐柔性膜1的作用，另一方面可改善柔性膜1振動(dòng)性能。進(jìn)一步，該氣囊5可充放氣，通過對氣囊5充氣和放氣達(dá)到改變?nèi)~片葉型的作用。

實(shí)施例4

與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于空腔6處覆蓋壓電材料柔性膜1，柔性膜1上設(shè)有壓電傳感器，并在空腔6內(nèi)設(shè)置壓電控制單元，壓電傳感器采集柔性膜1的振動(dòng)位移和頻率，并將位移和頻率數(shù)據(jù)傳送給壓電控制單元，由壓電控制單元產(chǎn)生電流信號對壓電材料柔性膜1進(jìn)行主動(dòng)控制。

實(shí)施例5

如圖6所示，與實(shí)施例1基本相同，不同之處在于空腔6和柔性膜1設(shè)在葉片前緣的壓力面處。

實(shí)施例6

如圖7所示，與以上各實(shí)施例不同的是，葉片前緣的吸力面和壓力面處均設(shè)有空腔6和柔性膜1。

實(shí)施例7

如圖8所示，在葉形徑向方向，設(shè)置3個(gè)依次相鄰的獨(dú)立空腔6，各個(gè)空腔6上覆蓋有柔性膜1。多個(gè)相鄰空腔6的設(shè)置使得柔性膜1在大尺寸時(shí)的強(qiáng)度問題得以優(yōu)化，更加適用于大型風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用。

實(shí)施例8

如圖9所示，在葉形徑向方向，設(shè)置1個(gè)獨(dú)立空腔6，空腔6上覆蓋有柔性膜1。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明，風(fēng)力機(jī)葉片吸力面流動(dòng)分離點(diǎn)距葉片前緣的距離沿徑向增大，所以將空腔6和柔性膜1的位置設(shè)置與流動(dòng)分離點(diǎn)的位置吻合，通過自激或者外部激勵(lì)的方式使流動(dòng)分離延遲或消除，從而擴(kuò)寬風(fēng)力機(jī)葉片有效工作工況范圍。

風(fēng)力機(jī)的效率和工況主要取決了葉片的性能，而影響葉片性能的關(guān)鍵因素是流動(dòng)分離的發(fā)生。通過延遲甚至消除流動(dòng)分離，能夠有效增加葉片升力，減小葉片阻力，進(jìn)而提高風(fēng)力機(jī)效率，拓寬風(fēng)力機(jī)工況范圍。本發(fā)明通過在葉片表面適當(dāng)位置設(shè)置柔性膜1來實(shí)現(xiàn)這一目的。在風(fēng)力機(jī)工作時(shí)，由于來流空氣或者其他激振源的激勵(lì)，葉片表面柔性膜1發(fā)生振動(dòng)，通過振動(dòng)促進(jìn)邊界層與主流的動(dòng)量交換，將主流區(qū)域的能量遷移至邊界層區(qū)域，籍此提高邊界層的空氣流速，降低邊界層的壓力，延遲甚至消除流動(dòng)的分離。