技術簡介：
本專利提出一種可調節表面積的輕質風力發電機葉片系統，解決傳統葉片在不同風速下效率低、結構笨重的問題。通過內框架與可折疊外蒙皮層結合，配合線性致動器和傳感器動態調整葉片面積，同時采用伸縮桅桿和支架結構實現葉片的徑向移動，提升風能捕獲效率與結構適應性。
關鍵詞：可調節葉片,輕質結構,風力發電
具有輕質可調葉片的風力發電機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及(本發明涉及)風力發電機，并且更確切地說，涉及使用輕質葉片的風力發電機系統。
【背景技術】
[0002]眾所周知的是，山丘、山谷、樹木和建筑物會影響風的速度、風的方向和湍流。大多數風力系統是在開闊的鄉野地區中操作，這些鄉野地區具有很少或不具有障礙并且具有很少的附近鄰居。系統包括具有大型轂組件的大型機艙。典型包括二至三個長實心葉片的轂組件被安裝在塔架的端部上，該端部將這些轂組件保持在高于地面的足夠高度處以便接觸“干凈的”或低湍流的風。
[0003]在現有技術中出現的大型風力系統典型地使用高RPM、低轉矩同步發電機，以便在可持續風在狹窄的速度范圍內時產生電力。由于此類發電機需要高輸入軸速度，齒輪箱被放置在轂組件與發電機之間。當風的速度低于所希望的速度范圍時，轂組件與發電機斷開連接。當風速高于所希望的速度范圍時，葉片被旋轉或卷起(furled)以便允許更大百分比的風流入葉片之間并且由此減少旋轉。在高速風下，動態制動可以用于減少或停止旋轉。
[0004]另一方面，高轉矩、低RPM、異步發電機以更低的RPM產生電力。由異步發電機產生的電量通過發電機軸的RPM和施加到軸上的轉矩的量來確定。軸的RPM和轉矩部分通過轂組件上的葉片的數目和每個葉片的表面積來確定。
[0005]掃掠面積是風力發電機的葉片在旋轉時產生的圓的面積。掃掠面積越大，可以從風捕獲的能量越大，并且可以產生的電能越多。
[0006 ]由風力發電機系統上的葉片產生的功率是軸RPM速度和轉矩的乘積。為傳輸功率，旋轉軸能夠以高速度和低轉矩，或以低速度和高轉矩操作。當轂組件上的葉片的數目和長度增加時，轂的RPM減小并且轉矩增加。相反，當葉片的長度減小時，轂的RPM增加并且轉矩減小。
[0007]水平對準的風力渦輪機的掃掠面積通過等式:JIXr2來確定。當掃掠面積被均勻地劃分成同心環時，外環的掃掠面積大于內環的掃掠面積。由于風在速度(V)下的功率(P)由等式P= (1/2) X(JI)X (空氣密度)X (V)確定，使用具有固定長度的葉片的渦輪發電機最適合于具有恒定的中級風的位置。大多數位置暴露于不規律的不定風。
[0008]還需要的是一種使用輕質葉片的風力發電機系統，這些輕質葉片縱向調節它們的長度以便增加或減少掃掠面積，從而使得該風力發電機系統能夠在低風條件下更有效地操作，并且在強風條件下保護風力發電機。
[0009]也需要一種使用輕質葉片的風力發電機系統，這些輕質葉片也可改變它們的表面積。
【發明內容】
[0010]一種風力發電機系統，該風力發電機系統具有多個輕質的、表面積可調節的翼面/帆形葉片。每個葉片是具有一個窄內緣和一個寬外緣的三角形或楔形形狀。每個葉片包括連接到從一個轂組件徑向延伸的一個剛性桅桿上的一個內框架。每個葉片包括一個彎曲外蒙皮層，該彎曲外蒙皮層在該內框架上延伸并且被配置成具有一個大彎曲前緣和一個薄后緣的翼面形狀。該外蒙皮層沿其前緣固定，并且沿其后緣可去除地附接到一個輕質內框架上。聯接到該外蒙皮層上的是一個第一線性致動器，當被激活時，該第一線性致動器使得該外蒙皮層折疊或展開，從而改變葉片的表面積。該內框架可以包括一個第二線性致動器和一個伸縮式桅桿，該葉片在該伸縮式桅桿上滑動以便增加或減少這些葉片的掃掠面積。風傳感器或電傳感器聯接到該桅桿和可縮回纜線上，以便自動控制掃掠面積和表面積。
[0011]該風力發電機包括連接到使用多個輕質、高效率、混合翼面/帆形葉片的一個轂組件上的一個風力發電機。該轂組件包括三至八個、各自附接到一個徑向延伸葉片上的葉片安裝表面。這些葉片是楔形的，并且圍繞該轂組件徑向地均勻分布，并且被配置成在這些葉片之間產生多個間隙。每個葉片具有一個翼面輪廓，該翼面輪廓具有一個彎曲外蒙皮層，該彎曲外蒙皮層類似于翼面具有一個大彎曲前緣和一個平坦后緣。每個葉片的外區段具有比內區段更大的表面積。該外蒙皮層沿其前緣牢固地附接到一個輕質內框架上。該外蒙皮層的后緣對于該輕質內框架的相對邊緣是可松開的。每個葉片包括一個橫向對準的內基座蓋和一個橫向對準的外端蓋。安裝在該外端蓋上的是任選的百葉窗板。每個葉片被定向，所以它們的外蒙皮層面向順風方向，并且迎角略微偏離葉片中心以便以與帆類似的方式“罩住”或捕獲風。每個葉片還被定向成具有略微偏離葉片的旋轉路徑或掃掠面積的一個迎角。每個葉片被定向在相同的方向上，因此所有葉片在它們的前緣方向上旋轉。
[0012]每個葉片是三角形的和楔形的，具有固定的長度和寬度。每個葉片的外區段具有比內區段更大的表面積。每個葉片具有一個翼面輪廓并且被定向，這樣使得該大彎曲表面面向旋轉方向。每個葉片還被定向成具有略微偏離葉片的旋轉路徑的一個迎角。
[0013]在操作過程中，該轂組件和葉片被定位在風中，所以風流到每個葉片上外蒙皮層的內表面上。大部分風隨后在該內表面上側向地流動，并且之后沿葉片的后緣離開。因為每個葉片具有一個翼面形狀并且以圓形形式行進，空氣分子在該外蒙皮層的外表面上行進，從而減少阻力。
[0014]每個葉片充當圍繞轂以圓形形式行進的一個翼面，并且充當用于捕獲垂直于葉片的橫向軸線流動的風的能量的一個帆。在使用過程中，風流到葉片的外蒙皮的內表面上。由于蒙皮的前緣被固定到該內框架上并且向內彎曲，并且由于蒙皮的外緣被與葉片的縱向軸線垂直對準的一個端蓋覆蓋，因此由葉片捕獲的風沿葉片的后緣流出。
[0015]每個葉片包括一個輕質內框架，該輕質內框架包括一個縱向對齊的桅桿、附接到該桅桿上的間隔開的多個固定彎曲肋狀物。這些肋狀物與該桅桿垂直對準并且從該桅桿向后延伸。每個葉片還可以包括鄰近該桅桿設置的一個剛性引導護罩。在使用過程中，一個薄外蒙皮在該桅桿和這些肋狀物上延伸。該外蒙皮是由薄的、耐用的柔性纖維、聚乙烯或聚氯乙烯薄膜制成的。該外蒙皮可以是透明的、染色的，或包括一個表面上顯示的廣告標記。
[0016]每個葉片包括聯接到該外蒙皮層上的一個第一線性致動器。在使用過程中，該第一線性致動器被選擇性地控制以便在該內框架上折疊或展開該外蒙皮層，并且因此改變葉片的表面積。該第一線性致動器聯接到風速傳感器、電輸出傳感器或一個可編程邏輯控制器上。
[0017]在一個實施例中，該桅桿在長度上是伸縮可調節的，葉片在該桅桿上滑動以便改變掃掠面積。在一個實施例中，一個第二線性致動器連接到該桅桿上，這使得該桅桿從轂伸出并且以更大半徑對葉片進行重新定位。該第二線性致動器也可以聯接到風速傳感器、電輸出傳感器或一個可編程邏輯控制器上以便自動調節掃掠面積。
[0018]當這些葉片暴露于微風至中級強風時，這些風速傳感器或電輸出傳感器自動激活該第一線性致動器，以便展開(擴展)或折疊(縮回)該外蒙皮層，從而調節葉片的總表面積。如果這些葉片暴露于過大強風，那么這些傳感器就激活聯接到該桅桿上的該第二線性激活器以使這些葉片縮回。在特大強風中，這些葉片的后緣被設計成從該內框架自動松開和釋放，并且預防對葉片和轂組件的損壞。
[0019]如上所述，該端蓋還可以包括在較低風速下自動閉合的一個或多個百葉窗板。這些百葉窗板聯接到電機和風速傳感器上，這些電機和風速傳感器在中級風到強風的突然陣風過程中自動打開這些百葉窗板，以便允許由葉片捕獲的風部分地或完全地在葉片端部上流動，從而預防后緣的自動釋放。
【附圖說明】
[0020]圖1為一個水平軸線風力發電機系統的正視圖，該水平軸線風力發電機系統使用附接到一個轂組件上的六個輕質的、高轉矩混合翼面-帆形葉片。
[0021]圖2為圖1所示的發電機系統的側面正視圖。
[0022 ]圖3為圖1和圖2所示的發電機系統的俯視平面圖。
[0023]圖4為使用三個混合翼面-帆形葉片的另一種水平軸線風力發電機系統的正視圖。
[0024]圖5為圖4所不的發電機系統的側面正視圖。
[0025]圖6為圖4和圖5所示的發電機系統的俯視平面圖。
[0026]圖7為使用八個混合翼面-帆形葉片的另一