注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

bdlhz618的博客

创新无止境,学习永不停。新思如潮涌,一切皆可能!

 
 
 

日志

 
 
关于我

个人简历 具有深厚的专业理论知识和丰富的实践经验,勤于思考,富于创新,在长期的工作实践中,始终注重研究和探索,通过多年的艰辛努力和实验,在技术革新与发明创造方面有所突破,研制成功《风力飞行器》(201110319692.2)。《调桨长的万向风车》(201210393482.2)。

网易考拉推荐

调桨长的万向风车的最后征程  

2016-03-14 21:07:40|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

调桨长的万向风车的最后征程

调桨长的万向风车历经了十三个年头,终于在201632日取得了专利权,颁发了专利证书。有人觉得,取得专利权就意味着有了利益,专利权人应该十分高兴,应该好好庆祝一番!其实不然,取得专利权,只是整个专利研究工作中一个阶段的结束,另一个阶段的开始。取得专利权以后还有最后的实施转化工作要做,这更是一件复杂的,全新的的工作。这一工作是专利研究工作的最后征程,是攻坚克难的最后阶段。只有这一阶段顺利成功,专利得以实施,专利转化为生产力,才能取得社会效益和经济效益!

专利转化是对专利技术的一次严酷的实践检验,专利到底有没有创造性、新颖性、实用性,实质性审查员说了不算,专利证书说了不算,专利权人说了更不算,只有通过成功转化,最后取得社会效益和经济效益,才能得出最后的结论。

专利转化也是对社会环境的一次严酷的实践检验。社会的技术素质怎样?特别是企业决策者的技术素质如何?企业掌握着生产资料,如果管理者不理解,不认识你的专利技术,你的专利技术再好也实施转化不了。

以上的问题都有大量的例子,举不胜举,例如:

法国航空工程师达里厄(Darrieus)在1931年发明了升力型垂直轴风力机(简称D叶轮)。但一直没被重视,更没有被实施,直到经过了三十多年以后,在本世纪六十年代才开始引起注意。经加拿大国家空气动力实验室和美国SANDIA试验室进行大量研究,与所有垂直轴风力机相比,它的风能利用系数最高。

在我国,有多少专利都栽在了转化上?有的自称是“世界首创”,有的自诩效益提高多少倍,有的说是解决了世界难题,有的自称花了几十年时间……,可最后就是实施不了。到底是专利技术本身的问题还是社会环境的问题,谁又说得清呢?

(一)

 

调桨长的万向风车也到了最后征程,专利本身的创造性、新颖性、实用性到底怎样?下面就让我介绍如下:

第一,效率高,调桨长的万向风车另辟蹊径,采取使输出和输入之间形成正反馈,利用正反馈效应来提高风车效率,而不再拘泥于利用调整攻角(也称调桨距)的方法提高效率。这就使调桨长的万向风车的效率高于现有螺旋桨风车和达里厄风车效率。

 

人类利用风能已有数千年历史,在蒸汽机发明以前风能曾经作为重要的动力,用于船舶航行、提水饮用和灌溉、排水造田、磨面和锯木等,风力机械是动力机械的一大支柱。其后随着煤、石油、天然气的大规模开采和廉价电力的获得,各种曾经被广泛使用的风力机械,由于成本高,效率低,使用不方便等,无法与蒸汽机、内燃机和电动机等相竞争,渐渐被淘汰。到了19世纪末,开始利用风力来发电,这在解决农村电气化方面显示了重要的作用,使风力发电又出现了新机,特别是20 世纪70 年代以后利用风力来发电更进入一个蓬勃发展的阶段。特别是由于化石能源的大量应用,不仅使不可再生的化石能源不断减少,还产生了大量的温室气体,破坏了人类生存的地球环境,这就使风力发电成了世界各国经济上争相发展的重点发展项目。

风力发电就是将风能转化为机械能再转化为电能,这一转换过程必然存在效率问题,所以衡量风力发电设备的好坏,其重要的指标就是看其转化效率如何?在风力机中,风通过风轮扫掠面积时把一部分动能传给风力机,由风力机转化成机械能,然后再用发电机转化成电能。那么,把风轮接受的又通过风力机转化成机械能的风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的总动能的比值就称为风能利用系数,也称风车效率。根据贝茨理论,在理想情况下风力机的最大风能利用系数是59%,而实际上,风力机是达不到这个理想数据的。在风力发电事业不断发展的历史长河中,曾有许多风力机因为效率低而被逐渐淘汰,也有许多关于风力机的发明创新,尽管能解决不少问题,但因影响风车效率的提高而没有普及和推广,最后,只剩下了螺旋桨风车、达里厄风车等寥寥几种。当然,衡量风力机的性能好坏,衡量一项发明创新是不是达到了合理利用风能的要求,可以有好多指标,诸如:效率、成本、效益、控制、运输、维修、安装……等等,但不能不说效率是其中十分重要的性能指标,转化率高的技术和设备,就会不断发展和推广;相反,转化率低的技术和设备,就会被逐渐淘汰。所以,提高效率也就自然成了技术创新的主要奋斗目标,能不能提高效率也就成了发明创新是否成功的重要标志。

各种形式的风轮的风能利用系数是不同的,阻力型风力机的风能利用系数较低,升力型风力机的风能利用系数较高;同时,风力机的结构,风力机的运行姿态,都是影响风力机效率的重要因素,水平轴要比垂直轴效率高,阻力型垂直轴S形比平板式和风杯式效率高;螺旋桨风车的叶桨是否进行非线性扭曲,效率也不同。大型的螺旋桨风车,叶桨要进行非线性扭转,效率就比较高;中小型螺旋桨风车,叶桨不进行非线性扭转,效率就比较低。

风力发电机组除了风轮的风能利用效率外,还有机械传动系统效率,发电机效率等,这些效率的乘积就是风力发电机的全效率。

在下表中列出了各种形式的风力发电机的全效率。见下表。

 

风轮形式

全效率

说明

阻力型垂直轴风力机(平板式)

不超过12%

 

阻力型垂直轴风力机(风杯式)

  不超过7%

 

阻力型垂直轴风力机(S形)

不超过25%

 

升力型垂直轴风力机

  15%-30%

 

多叶片风轮水平轴风力机

  10%-30%

 

扭曲叶片风轮水平轴风力机(1-10KW

  15%-35%

 

扭曲叶片风轮水平轴风力机(10-100KW

  30%-45%

 

扭曲叶片风轮水平轴风力机(100KW以上)

  35%-50%

 

 

风车效率这样重要,无疑在风力机的发展过程中就应该千方百计提高风车效率,而当前在风电场上应用最广的螺旋桨风车是采用什么办法来提高效率的呢?因为升力型螺旋桨风车是利用升力使风车旋转,要想提高效率,就要想办法增大叶桨在自然风中产生的升力,而叶桨产生升力的大小与叶桨的攻角有关,参见附图1翼型的升力系数Cl、阻力系数Cd随攻角α变化曲线图。

从图中可以看出,在-5~15度之间,升力随攻角的增大几乎是线性的增加,而到了15度左右,升力又急剧减小,造成了所谓的失速现象。螺旋桨风车和其他升力型风车就是利用攻角在-5~15度之间,升力随攻角的增大线性增加这一特性来提高风车效率的,增大攻角,升力增加,效率自然也就提高了。

看一下翼型的升力系数、阻力系数随攻角变化曲线,不难发现,这一提高效率的方法有着极大的局限性。首先,攻角的变化区间很小,只有-5~15度之间的20度,且攻角绝对不能大于15度,大于15度就会失速,此时升力急剧减小,阻力大大增加,不仅效率会急剧减小,而且不及时处理还可能造成脱网、跳闸等事故;其次,为了增加风力发电机组的发电容量,现在的风车越造越大,叶桨越来越长,桨距控制系统的控制性能也就越来越差,使通过调桨距来提高风车效率更加困难。所以在一般情况下,用调桨距来提高风车效率的方法,只在大型螺旋桨风车上使用,而在中小型风车上并不使用,这就是说,在中小型升力型风车上,不对效率进行调节,一切顺其自然,这一切都显示出螺旋桨风车的效率还有着很大的提高空间。

那么,有没有更好的方法或思路来提高升力型风车的效率呢?

调桨长的万向风车就另辟蹊径,采取使输出和输入之间形成正反馈,利用正反馈效应来提高风车效率,而不再拘泥于利用调整攻角(也称调桨距)的方法提高效率。这就使调桨长的万向风车的效率高于现有螺旋桨风车、达里厄风车效率。

(二)

 

现有风电技术存在的技术问题很多,所以光有提高效率还远远不够。例如:风能是极不稳定的能源,风速、风力、风向都在随时随地的不断的变化着,这不仅给风能的转化带来很大困难,并且给后续的接受应用,也造成了很大的不利条件。使得风电消纳难、弃风问题严重、风能利用率低等现象,成为我国风电发展过程中存在的重点问题,目前还未得到有效解决;

由于风能是极不稳定的能源,风速、风力、风向都在随时随地的不断的变化着,就使发电机能达到额定输出功率(额定风速一般定为10/秒)的时刻很少,只有10%左右的时间能够达到,这样一来就使风力发电机大部分时间工作在远低于额定输出功率的情况下,这就造成了发电设备的极大浪费,使风电成本居高不下。其安全性也只是拼材料、拼设备而达到的,很少有可靠的技术保证。

为解决上述问题,调桨长的万向风车除了提高效率以外,还必须继续改革创新,创造出新的技术措施和结构部件。这就有了以下的新技术,新设备:

第二,应用伸缩翼改变风车叶桨的长度,进而改变扫风面积,使风力发电机的输出稳定,且大部分时间工作在额定输出功率上。

一种调桨长万向风车的伸缩翼由三段(或多段)翼型叶桨、滑轮、轨道、钢丝绳、卷扬机、滚珠、弹簧等组成,三段翼型叶桨相嵌套叠在一起,每段叶桨都在其叶桨内部底端通过连接杆(或链接板)连接有一段轨道,三段叶桨所连接的三段轨道通过滚轮相互滑动,当处于第一层底端的卷扬机通过钢丝绳拉动第二层轨道和叶桨升起时,升起的轨道和叶桨又通过滑轮和钢丝绳同时顶起相邻的第三层轨道和叶桨升起,以此类推,可扩展到多段,叶桨就实现了伸缩功能。

轨道间用滑轮减小摩擦并固定轨道和翼型叶桨的位置,以及确定每段之间的最小嵌套量;叶桨间用滚珠减小摩擦,并起支撑作用;

三段翼型叶桨外形基本形同,为带弯度的机翼型,为了三段叶桨能套叠在一起,最外的第一层叶桨比第二层叶桨的外部轮廓略大几毫米,第二层比第三层略大几毫米,以此类推,可扩展到多段。

由于伸缩翼是由三段翼型叶桨相嵌套叠在一起构成的,并且外形基本形同,均为带弯度的机翼型,所以整个叶桨无论在伸长和缩短时,均可以产生升力,均有正反馈作用。当风力较小,风车不能产生更多能量输出时,就使叶桨伸长,这不仅使风车扫风面积加大,捕获的风能增多,使输出功率增大,而且效率也提高。相反,在风力较大,输出功率将超过发电机额定功率时,就使叶桨缩短,减少叶桨捕获的风能,减少功率输出,防止风力发电机损坏。

伸缩翼可以根据不同的需要,不同的环境,不同的应用对象,使用不同的控制策略,诸如:自动控制、手动控制、定值控制、自适应控制、遥控等,也可以进行智能控制。

(三)

 

前面讲到,由于自然风的风速、风力、风向都在随时随地的不断变化,致使风力发电机大部分时间工作在远低于额定输出功率的情况下,造成了发电设备的极大浪费。如果风力发电机只有十分之一的时间工作在额定功率,那就造成了风力发电设备90%的浪费。为此,调桨长的万向风车应用伸缩翼改变风车叶桨的长度,进而改变扫风面积,使风力发电机的输出稳定,且大部分时间工作在额定输出功率上,这就使效益增加了十倍。

那么,应用伸缩翼这一项新技术就可以使风车效益提高十倍,是不是说如果在螺旋桨风车上也使用伸缩翼,也就可以使效益提高十倍呢?其实,专利WO 2003102414A1 VARIABLE  LENGTH  TURBINE  BLADE; P2005-188428A (可改变长度的风力机叶片,专利号WO 2003102414A1)就是将可改变长度的叶片应用在了水平轴螺旋桨风车上,可是由于水平轴螺旋桨风车的特殊构造和特殊的工作原理,即:叶片要进行非线性扭转;叶片上要承受风轮旋转时产生的离心力作用;③用调桨距的办法调节效率和转速;这一切完全不适合改变叶片长度,换句话说,螺旋桨风车的特殊构造和工作原理与可改变长度的叶片完全不匹配,所以以上专利并没有取得显著的技术进步,甚至都没有具体实施和推广。恰恰相反,调桨长的万向风车却与伸缩翼相辅相成,珠联璧合,十分匹配,必将为风电技术创造出新的愿景,开创新的时代……。由此也可以得出这样的结论,同样的技术,应用在不同的场合,可能会有完全不同的结果。

现在调桨长的万向风车已有了两项突出的实质性特点和显著的进步,是不是就很完美了,没有别的问题了呢?还不是。对本领域的技术人员来说,显而易见的会发现有一个大问题并没有解决,这就是怎样增大单机功率?螺旋桨风车单机功率已达到了5兆瓦,正在向10兆瓦目标奋斗。螺旋桨风车增加单机功率的方法只有一个,那就是增加叶片长度。5兆瓦的风车叶片长度已近百米,似乎已达最大的极限,且由于叶片加长,又带来了许多新的问题,再增大单机功率已非常困难,许多人就把希望寄托在了垂直轴风车上。那么调桨长的万向风车能达到大的单机功率吗?用什么方法达到?会不会出现新问题?

第三,用偶数层多层串联的方法增大风车单机功率;用行星齿轮使串联的风车一半正转,一半反转,防止共振和侧翻。

调桨长的万向风车的叶桨通过叶桨头斜向安装在支架上,形成V字形结构,使叶桨大部分重量作用在支架底盘上,而作用在叶桨上的力很少,不但提高了叶桨强度,而且为多个风车进行上下串联提供了条件;多个风车串联成树状,大大提高风车的启动性能和功率输出,解决了风力机向大型发展和入网困难,风力发电机匹配等问题,提高了风力发电效益。从理论上说,串联的风车个数不受限制,这就使单机功率可以达到5兆、十兆,乃至几十兆都没有问题。

多个风车串联成树状,大大提高风车的启动性能和功率输出。但是,单风轮的垂直轴风车在风力的作用下旋转时,因为一侧风速高一侧风速低,两侧风压不一致,风车就会受到侧面的推力作用,会引起风车的侧翻。特别是利用多个风车进行上下串联提高输出功率和启动力矩时,如果串联起来的风轮都向一个方向旋转,这势必更加加大了侧向的推力作用,也就更加容易引起侧翻,同时,因为垂直轴风车受到的力是周期变化的,很容易引起共振,为解决这些问题,就需要对主轴做出一定的改变,需要使串联起来的风车为偶数个,并且应该一半逆时针旋转,一半顺时针旋转,使侧推力平衡和消除共振。

为达到上述技术目的,应用行星齿轮使两个上下串联的风轮旋转方向相反,而输出轴却只向一个方向旋转,这样就使两个侧向推力相互抵消,像双螺旋桨直升机一样,解决风车的侧翻问题。

(四)

 

前面讲到,调桨长的万向风车另辟蹊径,摒弃了利用调整攻角(也称调桨距)的方法提高风车效率,而是采取使输出和输入之间形成正反馈,利用正反馈效应来提高风车效率。这不仅使调桨长的万向风车的效率高于现有螺旋桨风车、达里厄风车效率,而且也为风车使用伸缩翼调节扫风面积,提高风能利用范围,稳定功率输出,提供了条件。如果风车仍然用调节攻角(也称调桨距)的方法提高风车效率,那风车将不能使用伸缩翼。

反馈技术对于自动控制系统的技术人员来说是相当熟悉的,在传感器、仪表、自动控制系统、电子元器件中都有大量的应用。在仪表、自动控制系统中,多应用负反馈;在电子元器件和电子线路中多应用正反馈。例如:数字电路的三极管就是利用正反馈使三极管迅速达到饱和和截止来实现0,1两个状态进行二进制计数;老式的再生式无线电收音机利用再生线圈把经放大的无线电信号引回到输入端再放大,从而提高收音机的效率。电子线路的低频功率放大器中,也在许多地方应用了正反馈来提高效率;在电子元器件上,可控硅、数字集成电路中也大量的运用了正反馈……。

由此看来,负反馈能够提高系统的稳定性和精确度,所以在仪表、自动控制系统中,应用较多;正反馈能够提高效率,所以在电子线路、电子元器件上应用较多。

鉴于正反馈可以提高效率,那么对于自动控制系统的技术人员来说就有动机去想:能否将正反馈技术应用在风力发电风车上,用正反馈技术来提高风力发电的效率呢?

“反馈”就是把输出信号引回到输入端,与输入信号相加(或相减)。现假定对象是电子线路,那么正反馈信号流程方块图就如上图所示。

 

我们设:P1为输入(电压或电流信号);P2为输出(电压或电流信号);K为不加反馈时的放大倍数;图中β为正反馈系数,那么,可以得出如下的等式:

P2=P1+ P2 β)K  …………(1)   

1Kβ) P2=K P1  …………(2)     

P2/ P1=K/1Kβ)…………(3

其中P2/ P1即为电子线路的效率。

由式3可以看到,效率与K、β均有关。K为不加正反馈时的放大倍数,β为正反馈系数。从式(3)还可以看出,当K=β=1时,P2/ P1将趋于∞。

毫无疑问,我们可以用数学方法描绘出风车效率与K、β之间的关系。

为了简单直观的看一下效率与K、β之间的关系,我们假设K0,10.30.5时,β也为0.10.30.5,那么,效率应为多少。计算结果如下:

 表格中间的数据为该电子线路加了正反馈后的效率。

由此可见,效率P2/ P1K、β都有关系,K、β增大效率增大。如果设K、β均为0.5,那么加了正反馈与没加正反馈相比,效率增加了33.32%;如果设K0.3,β为0.5,则加了正反馈与没加正反馈相比,效率增加17.67%

这里需要特别注意的是,以上假设的是电子线路,在这里,信号就是电流或电压,而且要建立反馈回路也很容易,只要用一根导线把输出引回到输入端再加个加法器就可以了,而对于风车而言,情况就复杂得多了,这里不再详述。

从以上的分析,可以看出,正反馈效应对效率的提高,与反馈系数β紧密相关,反馈系数β越大越好。那么怎样使反馈系数β增大呢?

第四,在叶桨顶端加装顶端端板,充分利用端板处于叶桨的顶部,受到的风速最强的特点,使端板也产生升力,就可以提高正反馈系数β,更大的提高风车的效率。

调桨长万向风车的叶桨端板由于是一段下平上凸的翼型短节,水平固定于风车叶桨的顶端,端板就会受到水平方向的风的作用,这里水平方向的风既包括自然风也包括因风车旋转而产生的风。根据空气动力学原理,端板上就会产生垂直向上方向的升力,又因为叶桨是倾斜的,那么升力就被分解成平行于旋转平面的分力和垂直于旋转平面的分力。平行于旋转面的分力,就会产生使支架旋转的力矩,从而加快风车旋转。风车旋转的加快,使风速增加,升力增加,又促使旋转的力矩增大,这样就形成了正反馈,产生正反馈效应,提高了风车效率。垂直于旋转面的分力,起到了减轻轴承压力的作用,也就减轻了风轮的旋转阻力。所以,端板现在不光起到防止叶桨末端的凹面气体向凸面绕动产生翼尖涡的作用,还起到了增大正反馈系数β,提高风车效率的作用,且后一作用力度更强,效果更大。因为端板在叶桨的顶端,风车旋转而产生的线速度最大,风力最大,产生的升力也最大。改变顶端端板的面积、厚度、攻角、端板与转轴之间的距离,就改变了正反馈系数β的大小。          (2016-03-13

 

 

  评论这张
 
阅读(28)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017