CN102720643B - 风力发电自适应风叶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风力发电自适应风叶，属于风力发电技术领域。本发明提供的自适应风叶由硬风叶和柔性蝙蝠裙两部分组成，其中，柔性蝙蝠裙连接在硬风叶的后沿上。本发明提供的风叶经对比吹风实例试验验证，输出功率比样机全面提高，风速越小提高幅度越大。在直径、叶片数、风速相同条件下，在样机(广州世佳AN-FD400W)换上本发明的蝙蝠裙风叶后，功率提高百分比如下：二级风(3.3米/秒)以下为80％(降低发电成本44％)；三级风(微风5.4米/秒)以下为32％；四级风(7.9米/秒)以下为18％，均有试验数据可查。这是初步结果，将进一步提高到接近风能利用系数极限59.3％的水平。
Description
技术领域
本发明属于风力发电技术领域，涉及航空、舰船螺旋桨等相关技术领域，具体涉及一种风力发电自适应风叶。
背景技术
使用煤炭和石油能源不但污染环境而且即将枯竭；风能是大自然赐予的永远可免费使用的绿色能源。目前普遍认为风力发电是最佳的可替代绿色能源，但是也存在成本高、发电所需的平均风速大、风场难找、难以大量推广使用的问题。因此目前亟须研发提高发电效率、提高风机风能利用系数、降低风力发电的成本和降低发电平均风速、能在小风广泛的地域使用的风力发电机。
现有风力发电机的缺点是：“小风”不转；“中风”发不多少电(风能和风速立方成正比)；“大风”很少见；即使装机额定功率(对应风速13-14米/秒，6级风)很大，但年发电量很小；年发电量和年平均风速密切相关，全国大部分地区年平均风速小于标准风场风速6米/秒。现有的刚性风叶风力发电机，减小起动风速与增大风能利用系数是一对矛盾，二者不可兼得。小风机为了降低起动风速，却损失了中、大风时风能利用系数，损失了大风能量。大功率风机风叶扭转角是按风速8米/秒设计的，此时风能利用系数较大，却损失了小风风能利用系数，效率较低。大功率风机采用风叶整体变大矩方法虽然减小了起动风速，但只是空转，由于气流方向与风叶扭转角严重失谐，刚刚发电的切入风速仍然较大，浪费了小风风能。而实际中每年小风出现的频度很高，累计能量是很大的。
北京每年约有3-4天刮六级风(10.8-13.8米/秒)，累计小时数占全年总小时数比例很小。北京、广州年平均风速约2.1-2.3米/秒。现风机设计点是8米/秒，不符合中国实际。用本发明研发的风叶和现有同直径风机风叶互换，经与样机对比测试实现了：起动、切入风速小；风能利用系数全面提高，而且风速越小增加的越多，提高了年发电量，降低了发电成本。
见参考文献【1】，《风力机空气动力学》(第二版)，中国电力出版社，2009年6月北京第一次印刷，文中给出轴向诱导因子α的物理内涵。
发明专利申请号为200810105693.5的专利申请，公开了一种风力发电用自适应风轮，本发明在此基础上经过样机研发，性能对比试验，取得很好的效果。
发明内容
本发明针对现有风机技术中存在的问题，提供了一种风力发电自适应(蝙蝠裙)风叶，主要应用于风力发电设备中，提高风力发电效率，降低风机发电成本。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的自适应风叶由硬风叶和柔性蝙蝠裙两部分组成，其中，柔性蝙蝠裙连接在硬风叶的后沿上。硬风叶部分是刚性的，并优化设计了硬风叶的翼型，用于承受弯力、保持翼型形状等；硬风叶的后沿连接蝙蝠裙，蝙蝠裙是柔性的，能有效提高风能利用系数。
本发明提供的风叶经对比吹风试验验证，输出功率比样机全面提高，风速越小提高幅度越大。在直径、叶片数、风速相同条件下，在样机(广州世佳AN-FD400W)换上本发明的蝙蝠裙风叶后，功率提高百分比如下：二级风(3.3米/秒)以下为80％，降低发电成本44％；三级风(微风5.4米/秒)以下为32％，降低发电成本24％；四级风以下(7.9米/秒)为18％，降低发电成本15％，均有试验数据可查。该风叶即充分利用了经常有的小风和中等风速的风，偶尔遇到大风效率也有提高；年发电量大，发电成本大幅降低；使用地域广，便于大量推广使用。
附图说明
下面附图为实施实例附图，仅用于说明本发明中的一个实施例子，但不用于限定本发明的技术方案：
图1为本发明提供的风力发电自适应风叶的一个实例的俯视图和侧视图的示意图；
图2为本发明提供的风力发电自适应风叶的一个实例的硬风叶部分立体外形示意图；
图3为本发明提供的风力发电自适应风叶的一个实例的硬风叶靠叶根四个截面的翼型示意图；
图4为本发明提供的风力发电自适应风叶的一个实例的硬风叶靠叶尖四个截面的翼型示意图。
图中：
1.叶尖；2.叶根；3.凹槽；4.后沿；5.迎风面；6.背风面。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种风力发电自适应风叶及其设计方法，如图1所示，本发明提供的风力发电自适应风叶，由硬风叶和柔性蝙蝠裙两部分组成，其中，柔性蝙蝠裙连接在硬风叶的后沿4上。蝙蝠裙与硬风叶之间的连接关系可以是：在硬风叶的后沿4将压板压住蝙蝠裙后用螺钉连接，或者直接将硬风叶的后沿与蝙蝠裙粘接，或者将蝙蝠裙插入硬风叶后沿4的迎风面5与背风面6之间的缝中，然后螺钉连接或粘接。见图2所示的硬风叶，对于小风机是采用实心结构，通过浇铸方式制造，大风机可以采用中空结构，以减轻重量。结合附图3所示的硬风叶的翼型的左侧为迎风面5，由两段圆弧组成，两段圆弧之间圆滑连接。右侧背风面6也由两段圆弧组成，两段圆弧之间也是圆滑连接。图3中左侧的三个翼型结构是图2中的硬风叶的根部的截面示意图，在硬风叶根部设置有深度1～5mm的凹槽3，长度占整个叶片的长度的30～100％，凹槽3结构用于连接蝙蝠裙，即所述的柔性蝙蝠裙可以在硬风叶根部后沿4，也可以在硬风叶全部后沿4设置。所述的蝙蝠裙只连接在硬风叶的迎风面5。图3中第四个截面是没有凹槽位置的硬风叶截面(翼型)示意图。如图4所示，风叶截面从左到右截面面积逐渐缩小。
所述的蝙蝠裙结构如图1所示，图1中左侧为风叶叶根2，右侧为叶尖1，下侧为风叶后沿4，蝙蝠裙整体呈三角弧形状，蝙蝠裙靠近叶尖1的部分窄，靠近叶根2的部分宽。蝙蝠裙宽度(即从风叶后沿到蝙蝠裙下沿，或者附图1中从硬风叶下侧到蝙蝠裙最下端)是叶尖翼型弦长的1～4.5倍。蝙蝠裙的两段圆弧边的圆弧半径分别为：靠近叶尖1的一段圆弧边的半径为3～6.5倍的蝙蝠裙宽度。靠近叶根2部分圆弧半径为以叶片转动圆心O为圆心，半径为硬风叶长度的20～35％。
所述的柔性蝙蝠裙可以用弹簧钢片、铝合金片、PC片及其他柔性片状物制成。硬风叶部分是刚性的，并优化设计了硬风叶的翼型，用于承受弯力、保持翼型形状等；硬风叶的后沿连接蝙蝠裙，蝙蝠裙是柔性的，能有效提高风能利用系数。
上述提供的风力发电自适应风叶的设计方法包括如下步骤：
第一步，先确定风机刚向电网供电或向电瓶充电的电压，再确定风轮供电的切入转速N；所述的风轮是指包含本发明的自适应风叶和轮毂组成的转动机构。
第二步，根据第一步中的切入转速N，确定自适应风叶不同半径处切向速度与风速比λi，i为自然数，i≥8；
第三步，由第二步中的切向速度与风速比λi确定叶片不同半径处气流进气角
其中，i为自然数，i≥8，a是风速轴向诱导因子；a＝0～0.333，具体数值，由风叶翼型设计、表面光滑程度、蝙蝠裙的效率等因素决定。
第四步，由气流攻角α和气流进气角计算风叶扭转角Qi：
所述的气流攻角α为经验值，一般先确定风机刚开始发电的气流攻角，取值范围是0～7度范围内；i为自然数，i≥8。
第五步，柔性蝙蝠裙的长度、宽度、厚度、材料的确定，以起动风速时略有向后摆动为宜。最好用吹风试验验证风能利用系数Cp值。
所述的切入转速是指风机刚开始发电的转速。
将本发明提供的自适应(蝙蝠裙)风叶换装到AN-FD400W上，风能利用系数Cp已有较大提高，经进一步优化试验还会进一步提高，逐步接近风能利用系数Cp极限值59.3％，接近蝙蝠翼的效率。该发明的设计方法完全可以应用在中、大型风机研发上。本发明原理也可用于飞机和船舶相关流体部件设计上。
Claims (6)
1.风力发电自适应风叶，其特征在于：由硬风叶和柔性蝙蝠裙两部分组成，其中，柔性蝙蝠裙连接在硬风叶的后沿上；在硬风叶根部设置有凹槽，凹槽的深度为1～5mm，凹槽长度占整个硬风叶长度的30～100%，凹槽结构用于连接蝙蝠裙；所述的蝙蝠裙连接在硬风叶的迎风面；所述的蝙蝠裙整体呈三角弧形状，蝙蝠裙靠近翼尖的部分窄，靠近翼根的部分宽，蝙蝠裙宽度是叶尖翼弦长度的1～4.5倍；蝙蝠裙的两段圆弧边的圆弧半径分别为：靠近翼尖的一段圆弧边的半径为3～6.5倍的蝙蝠裙宽度；靠近翼根部分圆弧半径为以叶片转动圆心为圆心，半径为硬风叶长度的20～35%。
2.根据权利要求1所述的风力发电自适应风叶，其特征在于：蝙蝠裙与硬风叶之间的连接关系是先将压板压住蝙蝠裙在硬风叶的后沿后用螺钉连接，或者直接将硬风叶的后沿与蝙蝠裙粘接，或者将蝙蝠裙插入硬风叶后沿的迎风面与背风面之间的缝中，然后螺钉连接或粘接。
3.根据权利要求1所述的风力发电自适应风叶，其特征在于：所述的硬风叶采用实心结构或者中空结构。
4.根据权利要求1所述的风力发电自适应风叶，其特征在于：所述的硬风叶的翼型的迎风面和背风面分别由两段圆弧组成，两段圆弧之间分别圆滑连接。
5.根据权利要求1所述的风力发电自适应风叶，其特征在于：所述的柔性蝙蝠裙用弹簧钢片、铝合金片或PC片制成。
6.权利要求1所述的风力发电自适应风叶的设计方法，其特征在于如下步骤：
第一步，先确定风机刚向电网供电或向电瓶充电的电压，再确定风轮供电的切入转速Ｎ；
第二步，根据第一步中的切入转速N，确定自适应风叶不同半径处切向速度与风速比λi，i为自然数，i≥8；
第三步，由第二步中的切向速度与风速比λi确定叶片不同半径处气流进气角
其中，i为自然数，i≥8，a是风速轴向诱导因子；a＝0～0.333；
第四步，由气流攻角α和气流进气角
计算风叶扭转角Qi：
所述的气流攻角α为经验值，取值范围是0～7度；i为自然数，i≥8；
第五步，以起动风速时略有向后摆动为准，确定柔性蝙蝠裙的长度、宽度、厚度和材料。
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