本申请要求于 2010 年 1 月 8 日提交中国专利局、 申请号为 201010002923.2、 发明名称为"一种新型的风轮和风力发电机组"� ��中国专利申 请的优先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。 技术领域 本发明涉及风力发电设备制造技术领域， 更具体地说， 涉及一种新型的风 轮和风力发电机组。 背景技术 风力发电机组是将风能转换为电能的装置，风 轮是通过叶片旋转，从空中 吸收风能并转换为机械能的装置，风力发电机 组是由风轮和发电机组成的，风 轮由叶片、轮毂和加固件等组成，它由叶片受 风力旋转带动发电机转动而发电。

在大自然中， 目前可经济开发的风资源年平均风速约为 5.5m/s ~ 10m/s, 风的风速、 风频一般遵从威布尔分布（Weibell )或瑞利分布（Roily ), 如年平 均风速为 7.5m/s, 在一年内， 风速小于 4m/s的时间约占 8%, 4 ~ 13m/s风速 的时间约占 78%, 13 ~ 25m/s风速的时间约占 10%, 风速大于 20m/s的时间约 占 4%。 可见， 在一年中， 风速大多在 4 ~ 13m/s, 因此最大限度利用高风频、 中等风速区间的风（约小于 13m/s ), 是风电机组的经济性的关键。

从经济性考虑， 目前风力发电机组的额度风速与年平均风速之 比约为 1.4 ~ 2倍， IEC II风区与 IECIII风区的额度风速之差为 1.4 ~ 2.0m/s, 额度风速 约为 13m/s。

随着风力发电技术以及风资源利用的不断发展 ，最经济及最大限度地利用 风资源是目前最大的技术问题。如何使额度风 速下的有效风多发电而风机的强 度变化较小 （成本不变）， 是目前业界面临的主要问题。

发明内容

在风力发电系统中， 从空中吸收的功 P = l/2 ^ CpAV3 (其中 ^为空气密度 kg/m3 , P为从空中吸收的能量 kW, Cp为风能利用系数， A为风轮扫风面积， V为风速 m/s ), 增大叶片旋转长度即可增加风轮扫风面积， 以此同比提高风 机的输出功率。 有鉴于此， 本发明提供了一种风轮和风力发电机组， 以实现最经济及最大 限度地利用风资源， 使额度风速下的有效风多发电。

为实现上述目的， 本发明提供如下技术方案：

一种新型的风力发电机组， 包括： 风轮、 发电机和主控制器， 所述风轮具 体为： 齿轮箱、 叶片和变桨轴承， 变径变桨驱动器和设置在所述叶片上的叶片 伸缩机构，

所述主控制器用于接收叶片位置信号、风速信 号、传动链转速信号和发电 机功率信号， 并根据接收的信号进行判断，且向所述变径变 桨驱动器发送执行 信号；

所述变径变桨驱动器用于接收来自所述主控制 器发来的执行信号，并根据 执行信号控制齿轮箱或伸缩机构运动。

优选的， 上述风力发电机组， 所述叶片伸缩机构设置在所述变桨轴承和所 述叶片根部之间。

优选的， 上述风力发电机组， 所述叶片伸缩机构为液压机构。

优选的， 上述风力发电机组， 所述叶片伸缩机构伸到最长和降到最短时的 差值为 3米。

一种新型的风轮， 包括叶片和驱动机构， 所述叶片上设置有伸缩机构。 优选的， 上述风轮， 所述叶片伸缩机构设置在所述变桨轴承和所述 叶片根 部之间。

优选的， 上述风轮， 所述叶片伸缩机构为液压机构。

优选的， 上述风轮， 所述驱动机构为变径变桨驱动器。

优选的， 上述风轮， 所述叶片伸缩机构伸到最长和降到最短时的差 值为 3 米。

从上述的技术方案可以看出， 本发明实施例中通过在叶片上设置伸缩机 构， 使得在风速较小时， 可以伸长叶片到最大风轮直径状态以增大扫风 面积， 提高同风速下从空中吸收风能的能力而多发电 ； 在风速过大时， 可以缩短叶片 到最小风轮直径状态， 以保证风力发电机不至于被强风损坏。 附图说明 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作筒单 地介绍，显而易见地， 下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲， 在不付 出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1为本发明实施例提供的风力发电机组的风轮� �径和变桨控制流程图； 图 2 为为本发明实施例提供的风力发电机组最大和 最小风轮直径状态的 功率曲线示意图；

图 3本发明实施例提供的叶片结构示意图；

图 4 为本发明实施例提供的风力发电机组在风轮最 小状态下的结构示意 图；

图 5 为本发明实施例提供的风力发电机组在风轮最 大状态下的结构示意 图。 具体实施方式 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明 实施例中的技术方案进行清 楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种风轮和风力发电机组，以实 现最经济及最大限度地利用 风资源， 使额度风速下的有效风多发电。

请参阅图 1 , 图 1为本发明实施例提供的风力发电机组的风轮� �径和变桨 控制流程图。

本发明风力发电机组是由风轮、发电机和主控 制器等组成的，风轮由叶片、 变径变桨驱动器、 齿轮箱、 变桨轴承、 轮毂和加固件等组成， 它由叶片受风力 旋转带动发电机转动而发电。

本发明实施例的原理： 是通过主控制器采集的叶片位置、 传动链转速、 发 电机功率、风速等信号， 向变径变桨驱动器发出改变风轮直径或变桨角 度的信 号， 变径变桨驱动器控制叶片伸缩机构（能够控制 叶片伸缩的机构很多， 如涡 轮蜗杆机构， 液压机构等， 本发明优选采用液压机构）或叶片变桨机构（ 即齿 轮箱， 通过齿轮的传动改变叶片的角度）动作（其中 叶片伸缩机构和齿轮箱各 有马达进行驱动）， 使风轮处于相应风轮直径状态或相应变桨角度 ， 达到从空 中吸收大部分风能而增加发电量的目的。

在额度风速（额度风速约为 13m/s ) 以下而经常出现的中等风速区间内， 保持变桨角度为 0度。 通过采集的叶片位置、 传动链转速、 发电机功率、 风速 等信号， 主控制器向变径变桨驱动器发出增加风轮直径 的信号， 变径变桨驱动 器控制叶片伸缩机构动作，使风轮处于最大风 轮直径状态， 达到从空中吸收大 部分风能而增加发电量的目的。

同时， 在额度风速以上的较高风速区间内， 优先采用变径的方式。 通过采 集的叶片位置、 传动链转速、 风速及发电机功率等信号， 主控制器向变径变桨 驱动器发出减小风轮直径信号，变径变桨驱动 器控制叶片伸缩机构动作使风轮 处于最小风轮直径状态，再利用现有的变桨距 技术，在最小风轮直径状态下变 桨， 避免产生对风机不利载荷的增加， 以此保持风机的经济性和安全性， 也可 采用变径和变桨同时进行的方式。

请参阅图 2, 图 4和图 5, 图 2为为本发明实施例提供的风力发电机组最 大和最小风轮直径状态的功率曲线示意图，图 4为本发明实施例提供的风力发 电机组在风轮最小状态下的结构示意图，图 5为本发明实施例提供的风力发电 机组在风轮最大状态下的结构示意图。

其中， 曲线 1为最大风轮直径状态的功率曲线， 曲线 2为最小风轮直径状 态的功率曲线， _£1 为最大风轮直径所对应的额度风速， V _e2 为最小风轮直径所 对应的额度风速， 1为叶片， 2为叶片伸缩机构。

当风速小于额度风速 V _el 时， 曲线 1始终处于曲线之上， 即风轮直径为最 大时， 能够保证风力发电机组的功率为最大； 当风速等于额度风速 v _el , 采用 风轮直径为最大， 能够保证输出满发功率（即最大的功率， 功率达到 100% ); 当风速大于额度风速 v _e2 时， 风轮采用最小直径即可保证输出满发功率。

最大风轮直径状态和最小风轮直径状态的风轮 直径可根据实际需要自己 选择，本发明实施例优选的采用最大风轮直径 状态和最小风轮直径状态的风轮 直径差约 6m。

如风场是 IEC II类风区 （年平均风速≤8.5m/s ), 选择相适应风区的叶片和 叶片长度， 在叶片上设置叶片伸缩机构， 在额定风速 V _el 下时， 伸长叶片到 最大风轮直径状态以增大扫风面积，通过变速 运行，提高同风速下从空中吸收 风能的能力而多发电； 风速处于最大和最小风轮直径所对应的额度风 速 _£1 和

V _e2 之间时， 在变径变桨驱动器的作用下， 通过改变风轮直径和恒速运行， 保 证输出满发功率， 当风速到达额度风速 v _e2 时， 缩短叶片到最小风轮直径状态 以减少风轮扫风面积，通过恒速运行保证输出 满发功率； 当风速超过额定风速 V _e2 时，保持最小风轮直径状态，通过变桨和 恒速运行，保证输出满发功率， 减 少风载荷， 保证风电机组合理的成本。

请参阅图 3 , 图 3为本发明实施例提供的叶片结构示意图， 其中 1为叶片 伸缩机构， 2为叶片变桨机构。

叶片伸缩机构 1一般位于风力发电机组中的变桨轴承与叶片� �部之间，叶 片伸缩机构 1 和叶片在叶片轴线上围绕变桨轴承同步旋转， 叶片伸缩机构 1 根据控制信号指令，实现叶片的缩短或伸长， 从而实现风轮直径的变大或变小， 以此达到变径的目的， 叶片伸缩机构也可位于叶片中部和叶片尖部之 间。

本发明实施例通过在叶片上设置伸缩机构，使 得在风速较小时， 可以伸长 叶片到最大风轮直径状态以增大扫风面积，提 高同风速下从空中吸收风能的能 力而多发电； 在风速过大时， 可以缩短叶片到最小风轮直径状态， 以保证风力 发电机组不至于被强风损坏。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述， 每个实施例重点说明的都是 与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相 同相似部分互相参见即可。对所 公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术 人员能够实现或使用本发明。对 这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人 员来说将是显而易见的，本文中 所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神 或范围的情况下，在其它实施例 中实现。 因此， 本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例 ， 而是要符合与 本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的 范围。

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