一种风速及颗粒浓度调节装置及方法与流程

本发明属于风力发电机，涉及一种风速及颗粒浓度调节装置及方法。

背景技术：

1、我国北方风力资源丰富，但部分沙尘天气下风中携带的沙粒冲击风机叶片壁面会造成冲蚀磨损失效，影响风力发电机安全稳定运行，同时造成风电场站维护、技改成本增加。影响沙尘冲蚀磨损速率的主要因素有风速与颗粒浓度，冲蚀磨损速率与一次风的风速成正比、与颗粒浓度的三次方成正比。因此，叶片入口沙尘颗粒浓度是影响冲蚀磨损速率的关键因素。《挟沙风作用下风力机叶片涂层冲蚀磨损研究进展》(新能源进展-2014)一文对内蒙古西部风中携带沙粒造成叶片图层冲蚀磨损的研究进行了综述，并重点讨论了叶片涂层优化改进等被动防护方法。

2、但是对叶片主动防护，即降低叶片入口沙尘颗粒浓度，相关研究存在不足。此外，低风速下风力发电机未达到最低启动风速会处于停运状态，一定区间内较低风速发电量较少。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种风速及颗粒浓度调节装置及方法，从而解决现有技术中叶片入口沙尘颗粒对叶片造成的冲蚀磨损，同时本发明还解决了低风速下风力发电机未达到最低启动风速导致停运，造成的发电量较低的技术问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种风速及颗粒浓度调节装置，包括控制系统，以及与所述控制系统均通讯的若干调节系统以及数据监测系统；所述数据监测系统用于监测风力发电机叶片的轴向入口处的风速、粉尘浓度以及风力发电机的运行数据；

4、若干所述调节系统设置在风力发电机叶片轴向入口处；若干所述调节系统沿所述风力发电机叶片的径向分布设置，并依次靠近所述风力发电机；所述调节系统与风力发电机叶片轴向的夹角可调节。

5、优选的，所述数据监测系统包括与所述控制系统均通讯的第一监测单元、第二监测单元以及风力发电机运行数据监测单元；

6、所述第一监测单元设置在调节系统的迎风面上，用于监测调节系统迎风面上的风速以及粉尘浓度；

7、所述第二监测单元设置在调节系统的背风面上，用于监测调节系统背风面上的风速以及粉尘浓度。

8、优选的，若干所述调节系统均包括连杆，以及与所述连杆均连接的若干调节片，所述连杆上还设有角度调节装置；所述角度调节装置与所述控制系统通讯设置；所述调节片与风力发电机叶片轴向的夹角可调节。

9、优选的，一个所述调节系统上，所述调节片的数量不小于三个。

10、优选的，若干所述调节系统在风力发电机叶片上的正投影覆盖所述风力发电机叶片。

11、优选的，当若干所述调节系统与风力发电机叶片轴向的夹角为90°时，任意两个相邻的调节系统之间的接触设置。

12、优选的，当若干所述调节系统与风力发电机叶片轴向的夹角为0°时，任意两个相邻的调节系统之间的间隙为一个调节系统的宽度。

13、优选的，若干所述调节系统中，最靠近风力发电机的调节系统至风力发电机叶片的距离为0.05～0.5倍风机叶片的当量直径。

14、优选的，若干调节系统以所述风力发电机叶片的中心轴为对称轴，呈喇叭状对称设置在风力发电机叶片的轴向入口处，且喇叭状的小口径处靠近所述风力发电机。

15、一种风力发电机叶片入口风速及颗粒浓度调节方法，采用上述的调节装置，具体为：

16、控制系统获取风力发电机叶片的轴向入口处的检测数据以及风力发电机的运行数据，并通过获取的监测数据调节若干所述调节系统与风力发电机轴向的夹角，以控制风力发电机叶片入口风速及沙尘浓度。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

18、本发明公开一种风速及颗粒浓度调节装置，通过数据监测系统获取风力发电机叶片的轴向入口处的风速及沙尘浓度数据，并获取风力发电机的运行数据，根据获取的数据，并利用控制系统调节若干调节系统与风力发电机叶片轴向的夹角，以调控风力发电机叶片轴向入口处的风速以及粉尘浓度。该装置能够有效地根据环境条件和风力发电机的运行状态来动态调整叶片入口的风速和沙尘浓度，从而提高风力发电机的运行效率和安全性。该装置中数据监测系统用于实时监测风力发电机叶片的轴向入口处的风速和粉尘浓度以及风力发电机的各项运行数据，如转速、功率输出、叶片角度等，这些数据将作为控制系统调节叶片角度的参考依据。调节系统能够改变与风力发电机叶片轴向的夹角，从而调节叶片入口的风速和沙尘浓度。控制系统基于上述监测单元提供的数据，通过算法分析和计算，自动调整调节系统的角度或位置，以达到优化风力发电机运行条件的目的。该装置中监测单元持续监测风速、粉尘浓度以及风力发电机的运行数据，控制系统接收这些数据，并通过预设的算法进行分析和计算，算法会考虑风速、风向、沙尘浓度、风力发电机的当前运行状态(如转速、功率输出)以及长期运行策略(如最大化发电效率、最小化沙尘磨损等)，根据分析结果，控制系统向调节系统发送指令，调整调节板或调节翼的角度或位置，以改变叶片入口的风速和沙尘浓度。本发明通过优化叶片入口条件，使风力发电机能够在更广泛的风速范围内高效运行，减少沙尘对风力发电机叶片的磨损，延长叶片使用寿命，装置能够自动适应不同的环境条件和风力发电机运行状态，实现智能化管理，通过减少沙尘对风力发电机的损害，降低因沙尘引起的故障和停机风险，由于叶片磨损减少和故障率降低，相应的维护成本也会减少，该装置特别适用于沙尘暴频繁、风速变化大的地区，对于提高风力发电机的运行效率和安全性具有重要意义。

19、进一步的，所述数据监测系统包括与所述控制系统均通讯的第一监测单元、第二监测单元以及风力发电机运行数据监测单元；所述第一监测单元设置在调节系统的迎风面上，用于监测调节系统迎风面上的风速以及粉尘浓度；所述第二监测单元设置在调节系统的背风面上，用于监测调节系统背风面上的风速以及粉尘浓度，通过同时在迎风面和背风面设置监测单元，可以更加全面地捕捉到通过调节系统的风速变化，这种双面监测能够减少单一位置监测可能带来的误差，提高风速数据的准确性和可靠性。粉尘浓度不仅受风速影响，还与其在风场中的分布和扩散有关，迎风面和背风面的粉尘浓度监测能够提供粉尘在不同位置上的浓度差异，为控制系统提供更丰富的数据支持，以制定更精准的调节策略。控制系统可以根据第一监测单元和第二监测单元提供的数据，进行更加综合和深入的分析，例如，通过比较迎风面和背风面的风速差异，可以评估调节系统的阻风效果和风速分布特性；通过粉尘浓度的对比，可以了解粉尘在通过调节系统时的衰减情况。基于双面监测数据的分析结果，控制系统可以实时调整调节系统的角度或位置，以实现更精确的风速和粉尘浓度控制。这种动态调节策略有助于风力发电机在不同环境条件下保持最佳运行状态。双面监测的设置使得数据监测系统能够更全面地感知环境变化，从而提高了整个调节装置对环境的适应能力，无论是风速的突然变化还是沙尘暴的侵袭，系统都能迅速作出反应，确保风力发电机的稳定运行。通过增加监测点的数量和分布范围，可以提高数据监测系统的冗余度和可靠性，即使某一监测单元出现故障或数据异常，控制系统仍可以根据其他监测单元的数据进行决策和调节，确保系统的连续性和稳定性。双面监测数据为控制系统提供了更加丰富和全面的数据源，支持更高级的数据分析和预测模型，通过挖掘数据之间的关联性和趋势性，可以实现对风力发电机运行状态的更精准预测和优化控制。

20、进一步的，通过连杆连接的若干调节片，可以实现对风力发电机叶片入口风速和沙尘浓度的灵活调节，这种设计允许调节片在连杆的引导下协同动作，从而更加精确地控制叶片入口的条件。角度调节装置的设置使得调节片与风力发电机叶片轴向的夹角可以快速而准确地调整，这一装置与控制系统通讯设置，使得控制系统可以根据实时监测数据迅速作出反应，优化调节效果。由于调节片的夹角可调节，该装置能够适应不同风速和沙尘浓度的环境，在风速变化大或沙尘暴频繁的地区，这种设置能够显著提高风力发电机的运行效率和安全性。通过精细调节叶片入口的风速和沙尘浓度，可以减少沙尘对风力发电机叶片的磨损，从而延长叶片的使用寿命，降低维护成本。通过调整调节片的夹角，可以优化风力发电机叶片的受力状态，使风力发电机在更广泛的风速范围内保持高效运行。这不仅提高了发电效率，还有助于提高能源利用率。由于调节系统可以根据环境条件进行实时调整，这有助于减少因环境变化导致的风力发电机运行波动，提升整个系统的稳定性。

21、进一步的，一个所述调节系统上，所述调节片的数量不小于三个，随着调节片数量的增加，每片调节片所承担的角度变化范围会相应减小，从而允许更精细的调节，这有助于提高系统对风速和沙尘浓度的控制精度，使得风力发电机能够更好地适应复杂多变的环境条件。多个调节片均匀分布在连杆上，可以形成一个更加稳定的结构，这种结构在受到风力作用时能够更好地保持形状和位置，减少因风力作用而导致的变形或位移，从而确保调节系统的稳定性和可靠性。多个调节片的设置可以使得风场分布更加均匀，当风经过调节系统时，不同的调节片可以各自承担一部分风力的作用，减少单一调节片受到的压力，从而避免因风力过大而导致的损坏，同时，均匀分布的风场也有助于提高风力发电机的发电效率。在不同风速和风向条件下，通过调整不同位置的调节片的角度，可以实现对风场分布的灵活控制。这种灵活性使得调节系统能够更好地适应复杂多变的环境条件，提高风力发电机的运行效率和安全性。如果某个调节片出现故障或损坏，可以单独进行更换或维修，而不需要对整个调节系统进行更换，这种模块化设计降低了维护成本，提高了系统的可维护性。

22、进一步的，若干所述调节系统在风力发电机叶片上的正投影覆盖所述风力发电机叶片，由于调节系统完全覆盖风力发电机叶片，因此可以实现对整个叶片表面的风速和沙尘浓度的精细调节，这有助于确保风力发电机在最佳条件下运行，全面优化风能捕获效率。在不同风速和风向条件下，通过调节系统的全面覆盖，可以更加精确地控制叶片表面的风场分布，这使得风力发电机能够更好地适应复杂多变的环境条件，提高系统的稳定性和可靠性。调节系统的全面覆盖使得风力发电机叶片能够在更广泛的风速范围内保持高效运行，在风速较低时，通过减小调节片的角度，可以减少风能损失；在风速较高时，通过增大角度，可以充分利用风能，提高发电效率。在沙尘浓度较高的环境中，调节系统的全面覆盖可以有效减少沙尘对风力发电机叶片的磨损，通过调整调节片的角度，可以阻挡部分沙尘进入叶片，从而延长叶片的使用寿命。由于调节系统完全覆盖叶片，控制系统可以更加直接地控制整个叶片表面的风速和沙尘浓度，这有助于简化控制系统的设计，提高系统的响应速度和调节精度。

23、进一步的，当若干所述调节系统与风力发电机叶片轴向的夹角为90°时，任意两个相邻的调节系统之间的接触设置，在夹角为90°时，调节系统与叶片平行，此时调节片处于完全关闭状态，任意两个相邻的调节系统之间的接触设置，形成一个完全闭合的稳定结构，这种结构稳定性有助于抵抗强风或沙尘暴等极端天气条件下的外力冲击，减少因振动或形变导致的损坏风险。调节系统之间的紧密接触可以减少因空气流动而产生的噪音，特别是在高风速条件下。这对于降低风力发电机运行时的噪音污染、提高周边环境的舒适度具有重要意义。垂直且稳定的调节系统配置有助于抑制风力发电机在运行过程中产生的振动。通过减少振动，可以降低机械部件的磨损和故障率，延长风力发电机的使用寿命。

24、进一步的，当若干所述调节系统与风力发电机叶片轴向的夹角为0°时，任意两个相邻的调节系统之间的间隙为一个调节系统的宽度，当调节系统与风力发电机叶片轴向的夹角为0°时，调节片与叶片表面垂直，调节系统处于完全打开状态，一个调节系统宽度的间隙设计能够显著减少沙尘、水分等杂质进入叶片内部的可能性。这对于在沙尘暴频发或多雨地区运行的风力发电机尤为重要，能够减少沙尘对叶片的磨损，延长其使用寿命，并防止水分侵入对发电机内部造成损害。虽然调节系统紧密排列，但一个调节系统宽度的间隙仍然允许工作人员在必要时进入调节系统之间进行检查、维修或更换，这种设计确保了设备的可维护性，方便工作人员进行日常维护和保养工作。

25、进一步的，若干所述调节系统中，最靠近风力发电机的调节系统距离风力发电机叶片的距离为0.05～0.5倍风机叶片的当量直径，当调节系统距离叶片较近时(如0.05倍当量直径)，其可以更快地响应风速和风向的变化，从而更准确地调整叶片的角度，优化风能捕获效率，这种近距离的设置确保了调节系统能够迅速捕捉到风力的细微变化，并作出相应调整，以提高风力发电机的发电效率。在调节系统与叶片之间保持适当的距离(如0.05～0.5倍当量直径)，可以减少因调节系统本身造成的风能损失，过近的距离可能会增加调节系统的阻力，导致部分风能被消耗在调节系统上，而不是被转化为电能，而适当的距离可以确保风能够顺畅地流过调节系统，减少能量损失。适当的距离设置还可以提高系统的安全性，在极端天气条件下，如强风或风暴，过近的距离可能会增加调节系统受到损坏的风险，而保持一定的距离可以为调节系统提供一定的缓冲空间，减少因风力过大而导致的损坏或故障。通过将距离设置为叶片当量直径的0.05～0.5倍，这种设置可以适应不同尺寸的风机叶片，无论叶片大小如何，调节系统都可以根据这一比例进行适当调整，确保其与叶片之间保持适当的距离。这种灵活性使得该设置能够广泛应用于各种规模的风力发电机中。保持适当的距离还可以简化调节系统的安装和维护过程，在安装时，工作人员可以根据叶片的尺寸和当量直径快速确定调节系统的位置，并进行准确安装，在维护时，适当的距离也便于工作人员进入调节系统之间进行检查、维修或更换部件等操作。

26、进一步的，若干调节系统以所述风力发电机叶片的中心轴为对称轴，呈喇叭状对称设置在风力发电机叶片的轴向入口处，且喇叭状的小口径处靠近所述风力发电机，喇叭状的设计使得调节系统在风力发电机叶片的入口处形成了一个逐渐收缩的风道，这种设计有利于集中和引导风流，使风流能够更直接、更高效地进入风力发电机的叶片，通过减小入口处的口径，风流的速度会增加，进而增加叶片捕获的风能密度，优化风能捕获效率。呈喇叭状对称设置的调节系统能够减少风流在进入叶片前的紊乱现象，风流在经过喇叭状入口时，会逐渐收缩并加速，从而减少湍流和涡旋的产生，这有助于降低风流对叶片的冲击力，减少叶片的振动和磨损，提高风力发电机的运行稳定性。由于风能捕获的优化和风流紊乱的减少，风力发电机的发电效率会得到显著提升，调节系统的喇叭状设计使得风流在进入叶片时更加集中和稳定，从而提高了叶片的旋转速度和发电功率。此外，通过减少风流对叶片的负面影响，还可以降低风力发电机的维护成本和故障率。喇叭状的设计使得调节系统能够适应不同风速下的工作环境，在低风速条件下，调节系统可以通过收缩口径来集中风流，提高风能捕获效率，在高风速条件下，调节系统可以通过调整叶片角度和口径大小来限制风流进入量，防止风力发电机过载或损坏。以风力发电机叶片的中心轴为对称轴的对称设计使得调节系统在结构上更加稳定，这种设计能够减少因风力作用而产生的偏转和振动，提高风力发电机的整体结构稳定性，同时，对称设计还有助于保持调节系统之间的平衡和协调，提高整个系统的运行效率。