CN109519341A - 一种风力机叶片及其风力机 - Google Patents

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王叶民
张春燕
张春雨
陈杰平
方树平
许自立
李忠芳
柳伟续
缑瑞宾
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Abstract

本发明实施例提供了一种风力机叶片。该风力机叶片包括：传感器，所述传感器布设在所述风力机叶片表面，用于产生随外部风速变化产生的不同的电荷；若干个分布式气动控制面板，所述分布式气动控制面板设置在所述风力机叶片的一端，用于改变所述风力机叶片的气动性能；控制器，所述控制器与所述传感器连接，根据所述电荷确定外部风速并据此调整所述分布式气动控制面板的倾斜角度。

Description

一种风力机叶片及其风力机
技术领域
本发明涉及风力发电技术领域，尤其涉及一种风力机叶片及其风力机。
背景技术
随着全球科技的进步，风力机也得到了不同程度的发展，除了目前在尺寸上的变化，风力机的效率也不断地增加。
初期的风力发电机额定功率几十千兆，风轮的直径达到几十米，到目前为止，E-126风力机是目前已经投入运用的最大功率的风力发电机，其风轮直径达到100多米，额定功率也大大的提高了，极大的满足了社会的需要。
目前中国和欧洲已经有6MW机组投入使用，并取得很好的成果。丹麦RISQJ风能实验室的PeterFuglsang以风力机总的发电量的成本为研究方向，对叶片的疲劳强度、极端载荷和年发电量做了仔细的思考，对某1.5MW失速型风力机叶片进行了结构的优化，优化模型的运用，使得风力机总的发电量的成本降低[2]。土耳其学者AsafVarola等提出在叶片上安放转向风板，使得叶片的旋转速度提高，进而风力机的输出功率获得大幅的上升。
随着技术指标和要求的不断提升，如何提供性能更好的风力机是人们迫切需要解决的问题。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种风力机叶片及其风力机，旨在提供一种更好的风力机叶片构型。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：一种风力机叶片。所述风力机叶片包括：
传感器，所述传感器布设在所述风力机叶片表面，用于产生随外部风速变化产生的不同的电荷；
若干个分布式气动控制面板，所述分布式气动控制面板设置在所述风力机叶片的一端，用于改变所述风力机叶片的气动性能；
控制器，所述控制器与所述传感器连接，根据所述电荷确定外部风速并据此调整所述分布式气动控制面板的倾斜角度。
所述的风力机叶片，其中，所述分布式气动控制面板的安装于在所述风力机叶片半径的90％，风力机叶片后缘的下表面。
所述的风力机叶片，其中，所述分布式启动控制面板的安装角度为60°至90°。
所述的风力机叶片，其中，所述传感器为铺设在所述风力机叶片上的压电材料，跟随外部风速的变化而产生不同的表面电荷。
所述的风力机叶片，其中，所述风力机叶片由玻璃钢材料制成；所述压电材料以间隔45°的平衡对称布设形式，铺放在上下两层玻璃钢材料中间。
所述的风力机叶片，其中，所述分布式气动控制面板设置为三个，所述控制器通过驱动器调整所述分布式气动控制面板的角度。
一种风力机，其中，包括三个如上所述的风力机叶片，设计额定功率为3MW。
所述风力机，其中，所述风力机叶片的叶尖速比为6。
所述风力机，其中，所述风力机叶片的翼型为NACA4412翼型。
所述的风力机，其中，所述风力机叶片的半径与弦长的关系如下所示：在半径6.5m处，弦长为11.55；在半径13m处，弦长为13.1m；在半径19.5m处，弦长为10.87m；在半径26m处，弦长为8.43；在半径32.5m处，弦长为6.80m；在半径39m处，弦长为13.1m；在半径45.5m处，弦长为4.96m；在半径52m处，弦长为4.41m；在半径58.5m处，弦长为3.9m；在半径65m处，弦长为3.55m。
有益效果：本发明提供的风力机叶片采用智能化设计，通过传感器检测风速等外部环境变化相应的控制分布式气动控制面板的角度，从而改变风力机叶片的气动性能，使其能够适应环境的改变，主动提高风力机的效率，保持风力机能够稳定的在额定功率下运行。
附图说明
图1为本发明实施例的风力机叶片的结构示意图。
图2为本发明实施例的控制系统的功能框图。
具体实施方式
本发明提供一种风力机叶片。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明实施例中提供的风力机叶片可以安装应用在大型风力机上。在通常情况下，需要根据实际情况的需要来设计风力机的额定功率和额定风速。其通常与叶轮的直径以及风力机的气动性能等相关。以下详细说明相关的设计参数：
1、叶尖速比：是指风力机叶片尖端速度与额定速度之比，其计算公式为:
λ＝u/V＝2πRn/60V(高速风轮，λ取大值；反之取小。)
其中，u—叶片顶端的线速度，m/s；V—风速，m/s；n—风轮转速，r/min；R—风轮转动半径，m。
叶尖速比的值不是随意设定的，对于不同型号的风力机叶片，它叶尖速的比值是不相同的。
2、安装角：是指风力机叶片的弦线与旋转平面所夹的角。
3、攻角(迎角)：是指风力机叶片上弦线与相对风速的夹角。
根据不同的翼型选择最佳的攻角，从而取得更多的资源。但是攻角如果达到一定的值气动性能会明显的下降从而达到失速的状态。
4、雷诺数：
雷诺数的表达式为Re＝Fg/Fm，从中可以看出，惯性力Fg与粘性力Fm的比值就称为雷诺数。用符号Re表示。如公式1：
Re＝V 0L/V (1)
其中，V 0——流体的平均速度；L——特征长度；V——流体的运动粘度；
根据以上算式可以理解的是，雷诺数主要取决于V0、L以及v。而目前规定，雷诺数较小时，流体做层流运动,当雷诺数过大时，流体做湍流运动。
所谓的层流便是它的流线为平整的曲线，并且它的运动有一定的规律；而湍流就是在三维空间中做随机运动，它的流线交织在一起。雷诺数影响着风力机叶片的升力和阻力特征。
在本发明实施例中，风力机的额定功率为3MW，设定的额定风速为10m/s。以此为前提，确定和计算上述一个或者多个相应的设计参数。
一、根据已知的功率，通过如下算式设计风轮直径：
其中，P—额定功率；V1—额定风速；Cp—功率系数,由经验得到的系数为0.4；n1、n2—分别为发电机和传动链的效率，取n1*n2＝0.9。最终计算得到D＝130m。
二、在本发明实施例中，风力机采用3叶片设计。使用3个叶片的风力机效率更高，稳定性也更好。
再次，为了使得效率进一步的得到提高，经过查表后，将风力机叶片的叶尖速比设置为6。
根据算式λ＝2πrn/60v，计算确定风力机叶片在不同位置的叶尖速比值如下表所示：
三、选择500000条件下翼型特征参数(此参数固定不变)作为翼型设计根据，选用的翼型为NAC4412。
四、通过如下算式计算风力机叶片中不同位置的弦长：
Ci＝Ccri/(CLB)
其中，ri-不同位置对应的半径大小；Cc-叶片形状参数；CL-升力系数；B-叶片数。计算确定叶片中不同位置的弦长如下表格所示：
半径与叶片形状参数的关系
根据选定的雷诺数500000以及翼型NAC4412，得出风力机叶片的平均迎角α＝6°，升力系数CL＝1.1，代入算式后计算获得半径与弦长的关系如下：
如表格中显示的，在6.5m和13m处的弦长过大。因此，可以进一步的进行优化，获得如下表格所示的优化后的半径弦长关系：
五、通过如下算式计算叶片的安装角：
其中，θi—叶片在不同半径处的实际的安装角大小，φi—叶片ri处所对应叶片相对迎风角。
其中φ由公式：cotφ＝3λ/2来计算得到如下表格：
半径与相对迎风角之间的关系
而其中的αm由前面的查表得到αm＝60，再将这些数据带入上述算式可以计算得到如下表：
半径与安装角之间的关系
六、根据本发明实施例中选定的雷诺数500000、计算得到的弦长和攻角、Profili软件带有的翼型库提取相应翼型(NAC4412)，在CREO中进行建模，获得相应的风力机叶片的三维模型。
基于该CREO三维模型进行有限元分析。最终可以确定当外界风速达到一定，风力机叶片将产生迎宾安，内应力最大为250dyn/mm2，最大位移0.57m,适合风力机叶片的实际应用情况。
图1为本发明实施例提供的风力机叶片的示意图。如图1所示，所述风力机叶片包括：传感器11，若干个分布式气动控制面板12以及控制器13。
其中，所述传感器11布设在所述风力机叶片表面，用于产生随外部风速变化产生的不同的电荷。所述分布式气动控制面板12设置在所述风力机叶片的一端，用于改变所述风力机叶片的气动性能。
气动控制面板12的数量可以根据实际情况的需要而设置，例如如图1所示的，设置三个气动控制面板12。
所述控制器13则与所述传感器11连接，根据所述电荷确定外部风速并据此调整所述分布式气动控制面板的倾斜角度。每个气动控制面板12设置有相对应的制动器。所述控制器与制动器连接，通过所述制动器调整所述分布式气动控制面板的角度以改变风力机叶片的气动性能。
通过上述主动式的气动控制面板，可以使风力机叶片快速的适应环境变化，从而提高风力机的效率，保证风力机的正常运行。
具体的，通过对风力机气动性能的研究和实验后，可以选择将所述分布式气动控制面板安装于在所述风力机叶片半径的90％，风力机叶片后缘下表面的位置。另外，所述分布式启动控制面板的安装角度为60°至90°，安装高度在2％-3％之间。
在一些实施例中，所述传感器和所述制动器都可以由压电材料制成。例如，所述传感器可以是等距铺设在所述风力机叶片上的压电材料。该压电材料会跟随外部风速的变化而产生不同的表面电荷并传递至控制器中。控制器据此检测确定外部的风速变化。
具体的，所述风力机叶片由玻璃钢材料制成。对于压电材料而言，如果外力不在弹性主轴的方向，将会出现各种不同的附加应变(例如剪应变或者线应变)。为了抵消这样的附加应变，所述压电材料可以间隔45°的平衡对称布设形式，亦即按照[+45°/-45°/-45°/+45°]铺放在上下两层玻璃钢材料中间。
通过这样的方式，当外界环境变化时，风力机叶片自身将发生变形，从而给压电材料施加一定的电压并改变叶片的振动参数，使得叶片转速下降，抑制震动，达到预期的风力机效率。
本发明实施例提供了一种控制系统。该控制系统由上述控制器运行，当风速在额定风速以下时，令风机保持原先工作状态。并且在当风速大于额定风速时，通过调节电压的大小来控制作为制动器的压电材料从而改变分布式气动控制面转动的角度，改变襟翼角度从而使得发电机总是保持额定的功率。
以下详细描述使用protues仿真的仿真结果。在proteus的transducers中，有距离传感器，温度传感器，湿度传感器，光敏电阻以及压力传感器。，在本发明实施例中，如上所述的，等间距铺设的压电材料同时作为传感器和制动器使用。
但是在proteus中，压电材料只能作为传感器。因此，在仿真中用电机代替作为制动器的压电材料，电机的正反转代替压电材料的偏转。考虑到我国风力机主要集中在西北、华北、东北以及海上岛屿。
从整体上分析，这些地区不仅昼夜温差大，一年四季的温度差也很悬殊。因此在proteus中选择温度传感器来控制电机的偏转。由于在风力机叶片尾部的3个分布式启动控制面板都是独立控制的。因此，在仿真时选择一个控制面板做出仿真。
考虑到风力机工作的地区环境比较恶劣，夏季温度高，冬季温度低。风力机的正常工作温度为10℃～45℃，在此温度范围外，叶片的气动性能就会受到影响，需要通过分布式气动控制面板的偏转来改善气动性能。
控制系统的设计目标为：当环境温度大于等于45℃时，电动机缓慢正转一定角度；当环境温度小于等于10℃时，电动机缓慢反转一定角度；当环境温度回到10℃～45℃之间时电动机停止转动。
图2为本发明实施例提供的控制系统的示意图。如图2所示，包括用于采集温度的温度传感器21、显示温度的显示器22、单片机23以及直流电动机24。采集温度输入到单片机中。单片机根据温度进行划分并通过PWM信号的方式，通过电机驱动25对直流电动机24进行控制，从而满足设计目标的要求。同时，显示器LM016L也会显示此时的温度。
综上所述，本发明实施例提供的智能风力机叶片选择在风力机叶片上等间距的铺设压电材料。当作为传感器的压电材料产生表面电荷时，产生相应的电压从而不断的控制分布式气动控制面的角度，使得在风力机可以在额定风速以外时，一直保持着额定功率。最后使用proteus仿真，运用温度传感器控制电机正反转，从而实现分布式启动控制面板的偏转。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种风力机叶片，其特征在于，包括：
传感器，所述传感器布设在所述风力机叶片表面，用于产生随外部风速变化产生的不同的电荷；
若干个分布式气动控制面板，所述分布式气动控制面板设置在所述风力机叶片的一端，用于改变所述风力机叶片的气动性能；
控制器，所述控制器与所述传感器连接，根据所述电荷确定外部风速并据此调整所述分布式气动控制面板的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于，所述分布式气动控制面板的安装于在所述风力机叶片半径的90％，风力机叶片后缘的下表面。
3.根据权利要求2所述的风力机叶片，其特征在于，所述分布式启动控制面板的安装角度为60°至90°。
4.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于，所述传感器为铺设在所述风力机叶片上的压电材料，跟随外部风速的变化而产生不同的表面电荷。
5.根据权利要求4所述的风力机叶片，其特征在于，所述风力机叶片由玻璃钢材料制成；所述压电材料以间隔45°的平衡对称布设形式，铺放在上下两层玻璃钢材料中间。
6.根据权利要求1所述的风力机叶片，其特征在于，所述分布式气动控制面板设置为三个，所述控制器通过驱动器调整所述分布式气动控制面板的角度。
7.一种风力机，其特征在于，包括三个如权利要求1-6任一所述的风力机叶片，设计额定功率为3MW。
8.根据权利要求7所述风力机，其特征在于，所述风力机叶片的叶尖速比为6。
9.根据权利要求7所述风力机，其特征在于，所述风力机叶片的翼型为NACA4412翼型。
10.根据权利要求7所述的风力机，其特征在于，所述风力机叶片的半径与弦长的关系如下所示：
在半径6.5m处，弦长为11.55；在半径13m处，弦长为13.1m；在半径19.5m处，弦长为10.87m；在半径26m处，弦长为8.43；在半径32.5m处，弦长为6.80m；在半径39m处，弦长为13.1m；在半径45.5m处，弦长为4.96m；在半径52m处，弦长为4.41m；在半径58.5m处，弦长为3.9m；在半径65m处，弦长为3.55m。
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