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調槳長的萬向風車
調槳長的萬向風車已申請發明專利，申請號：201210393482.2
現誠尋合作者，有對調槳長的萬向風車感興趣的朋友（企業優先）請用郵件或來信聯繫。
郵箱地址：bdlhz618@163.com。非誠勿擾。
通信地址：河北省保定市百花西路工人新村13-3-203
調槳長的萬向風車其說明書如下：
調槳長的萬向風車
技術領域
本發明涉及一種風力應用設備領域
背景技術
本發明是在發明專利萬向風車（專利號：ZL200310100459.0）的基礎上，經過進一步的深入分析和大量的實驗研究、樣機測試、結構改進而從新提出的發明專利。
風能是自然界中清潔的可再生能源。地球上可利用的風能資源為200億kW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風能為2.53億kW，海上可利用的風能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風能是10m高度層的2倍。我國的風能資源非常豐富，新疆、內蒙、甘肅一帶風能最大，強度約200~300瓦/米2，平均4000~5000小時/年（參見《中國大百科全書》—風力機）。
幾個世紀以來，風力發電一直受到人們的關注。第一次世界大戰後，應用風力來發電曾出現高潮，丹麥、荷蘭應用最早也最廣。後來由於中東油田的發現，使風力發電事業的發展緩慢下來，直到20世紀70年代，由於能源短缺和環境污染，風力發電才又出現高潮。
要利用風力發電，就必須先把風能轉化為機械能，然後用發電機再把機械能轉換為電能。把風能轉化為機械能，就要利用風車，風車是風力發電過程中的關鍵設備。鑒於風車的種類繁多，分類方法也有多種。按葉片數量分為：單葉片，雙葉片，三葉片，四葉片和多葉片；按主軸與地面的相對位置分為：水準軸、垂直軸(立軸)；按槳葉工作原理分為：升力型、阻力型。目前大量使用的風力發電設備以三葉片水準軸升力型（一般稱螺旋槳風車）居多。
螺旋槳風車從一開始出現就處在不斷的改進當中，然而，雖經多次改進，卻仍然存在著許多問題和缺欠，輸出不穩，入網困難，設備效率低，設備容易損壞，安全、維修、運輸……都存在不少問題，嚴重的影響著風電的發展。
我們知道，風能是極不穩定的能源，風速、風力、風向都在隨時隨地的不斷的變化著，這不僅給風能的轉化帶來很大困難，並且給後續的接受應用，也造成了很大的不利條件。使得風電消納難、棄風問題嚴重、風能利用率低等現象，成為我國風電發展過程中存在的重點問題，目前還未得到有效解決；
常規風力發電機為了入網和運行安全，一般採用調槳距的方法來調整風車的功率輸出或轉速，但這種控制是很不理想的，甚至根本達不到預期目的。由調節槳距，到調節槳葉攻角，再到功率係數，再到輸出功率，這一控制過程，既不可靠，也不穩定，根本達不到穩定風車的功率輸出或者轉速的目的，也不會對風車的安全性在技術方面起多大保證作用。近些年來有一些人想借鑒水準軸風力機通過改變葉片的槳矩角來改變葉片的升力與阻力，從而獲得較高的風能利用率這一成功經驗，設想將變槳矩技術與垂直軸風力機很好的結合起來，提高垂直軸風力機的啟動性能和風能利用率，開發一種新型高效的垂直軸風力機，但根據升力型垂直軸風力機的工作原理可知，葉片在旋轉一周的過程中，葉片上每一點的線速度的方向都在不斷的進行週期變化，使得葉片攻角也同樣在週期變化，是個變化值，而攻角的變化範圍與翼型的升力、阻力係數曲線有很大的關係，這就使得實現上述設想非常困難。如果說水準軸風力發電機因其葉片在旋轉一周的過程中，葉片上每一點的線速度的方向還都是確定的，用調槳距的方法來改變葉片的升力與阻力，從而獲得較高的風能利用率，還可以取得一些效果；而升力型垂直軸風力機用這種方法，取得一些效果就可能非常困難。
大量中小型水準軸風力機根本不進行槳距調節，這就使風力發電機發出的電力，忽大忽小，忽有忽無，成了所謂的“垃圾”風電，給後續接收的電網和用戶在接收上造成十分不利的條件。
常規風力發電機還有一個致命的弱點，就是能達到發電機額定輸出功率（額定風速一般定為10米/秒）的時刻很少，大部分時間工作在遠低於額定輸出功率的情況下。之所以出現這種現象，是由於風力發電機的工作狀態與外界風力的大小緊密相關，完全不能主動控制，這就造成了發電設備的極大浪費，使風電成本居高不下。其安全性也只是拼材料、拼設備而達到的，很少有可靠的技術保證。
本發明調槳長的萬向風車是根據流體力學原理和空氣動力學原理，對原發明萬向風車進行了多次實驗研究和改進後，力求克服現有技術中廣泛應用的螺旋槳風車和達裏厄（Darrieus）風車的許多缺欠，開發出更高效，更安全，更經濟，更易被電網接收的風力發電技術設備，將所謂的“垃圾”風能轉換為平穩的電力輸出，為保護環境，開發新能源，為節能減排做出新貢獻！調槳長的萬向風車用葉槳頭來調節葉槳的傾斜度（α）、偏心度（β）、安裝攻角（γ），從而使其啟動性能更好，效率更佳；採用調槳長來穩定功率輸出並保證運行安全，從而大大擴大了風力應用範圍。
發明內容
一、調漿長萬向風車結構
風車由支架、葉槳、葉槳頭、轉軸、槳長控制系統等幾部分組成。2∼4個葉槳均勻分佈在轉軸周圍，葉槳通過葉槳頭斜向固定在支架上，形成V字形結構，葉槳橫截面的翼型為帶彎度的機翼型。支架中間固定風車轉軸，轉軸與支架旋轉平面垂直。葉槳可通過葉槳頭上的三個相應轉軸調節葉槳的傾斜度（α）、偏心度（β）、安裝攻角（γ）。葉槳做成2∼3節，並像無線電接收機拉杆天線一樣嵌套在一起，葉槳內部設有滑道和滾輪，使葉槳能輕鬆自如的在外力作用下伸長和縮短。
葉槳的展向相對於風車轉軸有一定傾斜角度，葉槳展向軸線與水準方向的夾角定義為葉槳傾斜度（α），用角度表示。
調節葉槳傾斜度的大小，會影響風車性能，並且這種影響不是單一的而是多方面的，甚至是互相矛盾的。減小傾斜度將使風車的轉動慣量增加，根據轉動定律：剛體的角加速度與它的和外力矩成正比，與剛體的轉動慣量成反比，所以風車的轉速會變慢，也使風車不易啟動；調節葉槳傾斜度的大小，也會影響葉槳的攻角，從而改變升力的大小，影像風車的風能利用係數。但減小葉槳傾斜度，會增大風車的掃風面積，增加風車捕獲的風能，這又有利於風車的啟動，增大功率係數。所以，調節必須斟酌情況，謹慎進行。
葉槳的壓力線與轉軸之間的偏離距離與其最大偏離距離的比值定義為偏心度（β），用百分數表示。偏心度（β）的大小與葉槳攻角和葉槳受到風力作用時產生的啟動轉矩有關，偏心度（β）大，產生的啟動轉矩就大。但偏心度增大會增大風車的旋轉阻力，減小功率係數。
翼型弦線與氣流方向的夾角定義為葉槳攻角，它與飛機機翼的迎角相當。請注意，這裏的氣流方向是指葉片圓周運動的線速度向量與風速向量合成的氣流速度（即相對風速）的方向，顯然，這個方向是隨風速的變化和風車轉速的變化而不斷變化的。風車靜止時翼型弦線與水準方向的夾角定義為安裝攻角（γ），用角度表示。所以，葉槳攻角是由安裝攻角（γ）和隨風速的變化而不斷變化的可變攻角兩部分組成的。適當改變安裝攻角（γ），可使葉槳攻角處於最佳狀態，且不超過失速攻角，使風車效率係數最佳。
風輪轉軸下方安裝變速機構和發電機。
二、工作原理
風車葉槳通過葉槳頭斜向安裝在支架上，通過葉槳頭可對葉槳傾斜度（α）、偏心度（β）、安裝攻角（γ）進行調節，這就可以使風車葉槳處在啟動力矩最大，效率最佳工作狀態。
風車在靜態時，因為葉槳斜向固定在支架上且有一定偏心度（β），其迎風面與逆風面對風產生的阻力大小不同，就產生了啟動力矩使風車旋轉。
風車旋轉起來以後，因為風車的葉槳是帶彎度的機翼型，斜向固定在支架上且有一定偏心度（β），根據空氣動力學原理，葉槳上就會產生升力。又因為葉槳是傾斜的，那麼升力就被分解成平行於旋轉平面的分力和垂直於旋轉平面的分力。平行於旋轉面的分力，就會產生使支架旋轉的力矩，從而加快風車旋轉。風車旋轉的加快，使升力增加，又促使旋轉的力矩增大，使風車旋轉的更快……，這樣就形成了正回饋，提高了風車效率。垂直於旋轉面的分力，起到了減輕軸承壓力的作用，也就減輕了風輪的旋轉阻力。
風車葉槳做成2∼3節，並像無線電接收機拉杆天線一樣嵌套在一起。葉槳內部設有滑道和滾輪，使葉槳能輕鬆自如的進行伸長和縮短，就可以採取以下控制策略：
對葉槳長度進行連續的比例積分微分輸出功率定值控制，實現恒功率輸出；
對葉槳長度進行不連續的階梯式控制，實現輸出功率的階梯式變化；
根據風速大小，進行程式控制，使風車在不同的風力級別有不同的葉槳長度；
手動控制或遙控，風大時縮短，風小時伸長，主要用於保證風車的運行安全，增加風能利用範圍。
這裏需要指出的是，1、如希望增加功率，需要增加葉槳的長度、寬度，也要增加風車支架和葉槳頭的大小。2、葉槳的傾斜角度（α）、偏心度（β）、攻角（γ），對風車的效率和啟動力矩，影響很大，需要精心的設計和調整，也可以加裝自動調節機構（對大型機），根據風速大小和功率係數自動調整葉槳的傾斜角度（α）、偏心度（β）。3、調槳長萬向風車做立軸風車使用時（對大、中、小型機），傾斜角度（α）為60度∼80度比較合適；調槳長萬向風車也可以作為水準軸風車使用（小型機），傾斜角度（α）為10度∼30度比較合適。
三、裝置特點
1、由於風車的葉槳截面為帶彎度的機翼形，並且與轉軸之間採用了即偏心又傾斜的V字形特殊結構，所以，當葉槳旋轉起來以後，便把所受到的風力轉換成了升力，又把升力分解成了垂直分力和水準分力，垂直於旋轉面的分力使風車重力減少，從而減小軸承的摩擦力；平行於旋轉面的分力，就會產生使支架旋轉的力矩，從而加快風車旋轉；風車旋轉的加快，使升力增加，又促使旋轉的力矩增大，使風車旋轉得更快……。這樣周而復始，就相當於將輸出信號引回到輸入端，形成了正回饋，提高了風車效率。其信號流程圖如下：
葉槳通過葉槳頭斜向安裝在支架上，形成V字形結構，使葉槳大部分重量作用在支架底盤上，而作用在葉槳上的力很少，從而提高了葉槳強度；
葉槳通過葉槳頭斜向安裝在支架上，形成V字形結構，給葉槳製造成可伸縮葉槳創造了條件，也使槳長的平方與掃風面積成正比，與輸出功率成正比，給風車的功率控制提供了良好的基礎，使控制更靈敏更有效；
葉槳通過葉槳頭斜向安裝在支架上，形成V字形結構，為多個風車錯開一定角度進行上下串聯提供了條件；多個風車串聯成樹狀，大大提高風車的啟動性能和功率輸出。
結構簡單，材料廣泛，製造成本低，效率高，維修、運輸、安裝方便。
葉槳的傾斜角度（α）、偏心度（β）、攻角（γ）均可通過葉槳頭調節，即可離線調節，也可實現線上自動調節，使風車始終處在高效率的最佳狀態。
槳長可自動調節，也可手動調節。由於槳長的平方與掃風面積成正比，與輸出功率成正比，也就是說，槳長增加一倍，輸出功率就增加四倍；如果讓輸出功率固定（例如，定為額定輸出功率），那麼，槳長增加一倍，輸入的風速就可以降低1.6倍。這就是說，如果額定功率是1K瓦的風力發電機（只有在10米/秒的風速下，才能達到一千瓦），現在只要6米/秒，就能達到一千瓦。而風速高於6米/秒時，葉片就縮短，從而可保證恒功率輸出，大大增加了風能的利用範圍，並保證風力機始終處在滿負荷運轉；當外界的風力過大時，風車的槳長縮短，也保證了風車安全。
四、應用
1、可做垂直軸風力機使用；
2、可應用於風力發電廠，進行風力發電；
3、也可做成水輪機，用於無壩電站，或潮汐發電；
4、可做成兒童玩具。
風車閉環控制系統信號流程圖：
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淘汰旧技术，采用新发明。造福全人类，世界更文明！
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發表於 2012-8-18 10:55:06
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