一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置与流程

本发明涉及海上风力发电领域，尤其涉及一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置。

背景技术：

1、海上风力发电具备许多优势，一方面，海上有更稳定的风资源，风速更高且更持续，另外一方面，海上风力发电能减少用地需求，海上风电场不占用大量宝贵的土地资源，可以更灵活地规划和布局。所以说，海上风力发电具有更高的发电效率、更少的环境影响和更便利的运维管理等优点。而海上风力发电关键技术在于海上风力发电的叶片，科学合理的叶片结构，能够提高风力发电的效率，提高海上风力发电系统的稳定性，在这一细分技术领域，学术和技术上都有广泛的研究，较为前沿的现有技术有：

2、中国发明专利 cn113775471a的申请文件公开了一种桁架式模块化风电叶片，包括：叶片桁架框架，前缘壳体模块和后缘壳体模块，叶片桁架框架包括主梁，及沿主梁长度方向交错分布的若干前缘支撑桁架和若干后缘支撑桁架，位于后缘桁架的一侧设有后缘梁和后缘小工字梁；前缘壳体模块包括设置在前缘支撑桁架迎风面的ps前缘壳体，以及背风面的ss前缘壳体；后缘壳体模块包括设置在后缘支撑框架迎风面的ps后缘壳体，以及背风面的ss后缘壳体；前后缘壳体模块通过前后缘支撑桁架与主梁连接，前后缘支撑桁架与主梁成一定角度设计，将主梁承载内力传递给桁架，并释放到前、后缘，最终将力传递给叶根，形成整体的稳定结构，提高了风电叶片整体稳定性。

3、中国发明专利cn110578652a，一种叶片可自调节保护的风力发电装置，包括轴部、风力发电叶片和使上述风力发电叶片旋转活动的弹性保护装置；所述轴部设有活动连接风力发电叶片底边的固定轴，固定轴呈j字型，有长轴和短轴之分；所述弹性保护装置包括穿过风力发电叶片的连接曲环、弹簧以及防滑片，弹簧套在连接曲环上，连接曲环一端穿过风力发电叶片上的开孔，并套有防滑片来固定，另一端固定在固定轴的短轴上，当风力过大或风向突变时，风力发电叶片压缩或释放弹簧来调节自身角度保护不受损以及调节上述叶片受到风压的面积，保证稳定工作。本发明结构轻便，不易损坏，便于安装，劳动成本降低，风力资源利用率较高，制作成本低，适用范围广。

4、而如上所述的这些现有技术，只是应对风力过大等场景，具体弹簧等方式的调节没有给出更加符合技术原理的技术解决方案。

5、一般现有技术的海上风力发电叶片设计基本基于遵循叶素动量理论，具有稳定固定形状结构，兼顾各种风力之下的综合最优解决方案，没有突破这种架构而寻找发电效率更高的可能。

技术实现思路

1、为了突破背景技术所述的现状，克服背景技术所述的问题，本发明借鉴鸟翅膀初级飞羽和次级飞羽的结构，结合流体动力学的原理仿生设计，提出了一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置的技术解决方案。

2、一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，包括风速传感器、叶身、前缘、内嵌空巢、导轨板、翼板、封口板、导轨凹槽、导行柱、环形扣、步进电机总成装置；其特征在于，海上风力发电叶片的迎风面为弧形曲面，叶身内预留用于嵌入辅助叶片装置的内嵌空巢，其开口位于叶片的后缘面上。

3、定位辅助叶片装置安装在叶片上位置的步骤如下：

4、步骤1、依据叶素动量理论，当轴向诱导系数为 1/3 ，风能利用系数 cp 为贝茨极限的最大值 16/27时，预先设置一个参数α，使α等于r/r的值，r/r代表归一化的叶片展向位置，假设：叶轮不同径向位置的受力互不影响、气动力为定常、叶片数量无穷大且弦长很小，保证同一叶轮径向位置处、不同叶轮方位角的动量相同，则弦长c在叶片展向上的分布遵循以下计算公式：

5、    -1

6、m 为叶片数量，k为局部升力系数，c为弦长，r 为叶轮半径，λ为设计的叶尖速比,简称tsr，即为风轮叶片尖端线速度与风速之比。

7、步骤2、根据公式1得出：局部升力系数k在叶片展向上和r值成正比，和叶尖速比λ成近似反比，叶片局部位置升力和阻力平衡的点距离叶根长度l(r)可以做如下的近似计算：

8、l(r)=ω*cp *r/λ    -2

9、其中：ω为调节系数。

10、步骤3、将l(r)作为定位为辅助叶片装置和叶根的最近的距离；

11、所述辅助叶片装置包括：导轨板，翼板，翼板的一个最大面上设置两个导行柱，所述导行柱，分别嵌入导轨板上的两条导轨凹槽内。；

12、所述翼板板上设置可活动被连接的环形扣。

13、所述导轨板上，两条导轨凹槽中心轴线相互平行。

14、所述导轨板上安装有步进电机总成装置，步进电机总成装置通过连杆和翼板的环形扣相连接，并可以推动、拉动翼板沿导轨凹槽的路径移动。

15、所述内嵌空巢靠近前缘的一面胶粘弹性阻尼橡胶材料。

16、所述内嵌空巢的最大面与叶片的背风面（ss面）的夹角θ为45度。

17、所述导轨板的所有表面上胶黏阻尼橡胶材料。

18、所述导轨板在安装位置上，靠近海上风力发电叶片开口的一则，可向为弹性打开的封口板，在翼板内嵌状态下，封口板和海上风力发电叶片所在面为一体，翼板被推送外露时，封口板出于被推开的状态。

19、所述翼板沿导轨凹槽的路径移动，设置一个上限风速阈值a、下限风速阈值b，风速传感器测得风速v小于a时，触发启动步进电机开始辅助叶片的伸展位移，使得翼板中心点伸展位移到和导轨板中心点的距离为j，j的值为:

20、j=(a-v)*s/(a-b)    -3

21、其中，s为翼板中心点最大行程距离。

22、所述海上风力发电叶片的叶身，在叶根到叶尖方向上的垂直截面上，和前缘相交的弧线对应的直径长度为d1，和后缘相交线长为d2,d1和d2存在正比关系，d1是d2的2.6倍。

23、所述上限风速阈值a设置为8.1m/s、下限风速阈值b设置为0.8m/s。

24、与现有技术相比，本发明有益的技术效果有：

25、a、本发明的技术方案根据风速的大小决定伸展辅助叶片的程度，风速小时辅助增加叶片迎风的面积，进而增加叶轮转动发电的功率，减缓发电量因为风力的减小而急剧下降，同时也减缓了风力发电供电给电网造成的爬（下）坡的缺陷。

26、b、本发明的技术方案中，辅助叶片所利用的风能叠加到叶片利用风能上，其叶片的风能利用率能够超过 16/27的贝茨极限，大大提高了风能利用率，提高了海上风能发电装置的整体的发电效率。

技术特征：

1.一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，包括风速传感器、叶身、前缘、内嵌空巢、导轨板、翼板、封口板、导轨凹槽、导行柱、环形扣、步进电机总成装置；其特征在于，海上风力发电叶片的迎风面为弧形曲面，叶身内预留用于嵌入辅助叶片装置的内嵌空巢，其开口位于叶片的后缘面上；

2.根据权利要求1所述的一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，所述内嵌空巢靠近前缘的一面胶粘弹性阻尼橡胶材料。

3.根据权利要求1所述的一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，所述内嵌空巢的最大面与叶片的背风面（ss面）的夹角θ为45度。

4.根据权利要求1所述的一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，所述导轨板的所有表面上胶黏阻尼橡胶材料。

5.根据权利要求1所述的一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，所述导轨板在安装位置上，靠近海上风力发电叶片开口的一则，可向为弹性打开的封口板，在翼板内嵌状态下，封口板和海上风力发电叶片所在面为一体，翼板被推送外露时，封口板出于被推开的状态。

6.根据权利要求1所述的一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，所述翼板沿导轨凹槽的路径移动，设置一个上限风速阈值a、下限风速阈值b，风速传感器测得风速v小于a时，触发启动步进电机开始辅助叶片的伸展位移，使得翼板中心点伸展位移到和导轨板中心点的距离为j，j的值为:

7.根据权利要求1所述的一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，所述海上风力发电叶片的叶身，在叶根到叶尖方向上的垂直截面上，和前缘相交的弧线对应的直径长度为d1，和后缘相交线长为d2,d1和d2存在正比关系，d1是d2的2.6倍。

8.根据权利要求1所述的一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，其特征在于，所述上限风速阈值a设置为8.1m/s、下限风速阈值b设置为0.8m/s。

技术总结一种海上风力发电叶片的自动调节方法和装置，公开叶片了海上风力发电在风力小的情况下，仿生鸟翼在叶片内嵌入的辅助叶片，风速小于预先设置的阈值自动伸展，并根据风速的大小决定伸展辅助叶片的程度，自动控制叶片迎风的面积，进而增加海上发电机组的综合发电的功率，减小发电量因为风力的减小而急剧下降，同时也减缓了风力发电供电给电网造成的爬坡、下坡的缺陷。技术研发人员：沈小兵,方自彪,宋雄伟,顾宇盟,邓才荣,周修龙,董振天,王照胜,陆春霞受保护的技术使用者：惠生清洁能源科技集团股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/23