CN202215427U - 阻力升力复合驱动的风力发电机叶片 - Google Patents

Abstract

阻力升力复合驱动的风力发电机叶片。本叶片涉及一种同时利用阻力驱动和升力驱动的水平轴风力发电机叶片，其驱动原理完全不同于现有仅依靠升力驱动的水平轴风力发电机叶片。本叶片的特点是通过详尽的空气动力学模拟计算和风动实验总结，发现现有水平轴叶片根部线速度低，无升力驱动效应的缺陷，特意将叶片根部设计成阻力型翼型，叶尖部设计成升力型翼型，中间部分平滑过渡，构成能在一个叶片上同时实现阻力驱动和升力驱动的水平轴风力发电机叶片。本叶片所涉及的水平轴风机叶片具有启动能力强，低风速下捕获风能的效率高，高风速下风机转速不会无限制上升，甚至无需变浆调速机构，使得风力发电整机具有风能利用率高，控制简单，安全稳定等特点。

Description

阻力升力复合驱动的风力发电机叶片

　　技术领域

本实用新型涉及一种风力发电机叶片，特别是在同一叶片上同时实现阻力驱动和升力的水平轴风力发电机叶片。

　　背景技术

风力发电机主要有两种翼型，一种是阻力型翼型（见图2），它利用风推动翼型凸凹两侧时风阻大小不同而产生旋转力矩来工作；另一种是升力型翼型（见图3）， 它利用风流经翼型时，上下两面压力差不同形成升力而产生旋转力矩来工作。

目前商业运行的大型水平轴叶片，单一使用升力型翼型进行工作，其原理是利用升力进行叶片的驱动。升力型翼型做功特点是相对高风速下风能利用率较高，相对低风速下则基本不做功。在低风速风场，或低于额定风速的情况下，单一使用升力进行驱动的风力发电机风能转换效率很低，发电效率低下，经济性不好。此外，升力型风力发电机叶片在强风下转速较快较高，不得不依靠变桨系统进行调节，以避免叶片转速过快造成“飞车”等严重后果。变桨系统结构复杂，机构越复杂故障发生率越高，使得风机的维修成本增加，年发电量下降。总之，采用传统升力型风机叶片的风力发电机普遍存在启动风速较高，低风速下风能利用率低、强风下易出现“飞车”，安全稳定性差，配套设备费用高等缺点。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种阻力升力复合驱动的水平轴风力发电机叶片，其结构简单，启动能力强，低风速下捕获风能的效能高，高风速下风机转速不会无限制上升，使得风力发电整机具有风能利用率高，控制简单，安全稳定的特点。

解决本实用新型的所述技术问题而采取的技术方案是：沿叶片的长度方向根部采用阻力型翼型，尖部采用升力型翼型，两种翼型在叶片中部平滑过渡。

本实用新型所述的阻力型翼型与升力型翼型过渡的分界线设置在该区域的线速度与风机额定风速相差±5%的范围内，即根据风场的地貌条件所选定的风机的额定风速与叶片的阻力型翼型与升力型翼型过渡的分界线处的运动线速度基本相等。

本实用新型所述的风力发电机叶片材料可采用传统玻璃钢材、蜂窝结构材料、碳纤维增强复合材料以及芳纶纤维增强复合材料等。

升力型翼型做功特点是相对高风速下风能利用率较高，相对低风速下则基本不做功。而阻力型翼型恰恰相反，相对低风速下风能利用率较高，相对高风速下风能利用率较低。根据叶片旋转线速度大小可分为三个区域，尖端高速旋转区域、尾端低速旋转区域及中间过渡区域。在靠近叶根的区域，叶片自身旋转线速度较低，基本不具备升力驱动的条件，或者说叶根部升力驱动的效能几乎为零。此外，叶根部重量约占叶片整体重量的50%~60%，但捕获风能的贡献最小，仅起力学支撑作用。是目前大型水平轴叶片的最大缺陷。

本实用新型通过详尽的空气动力学模拟计算和风动实验总结，将同一叶片的叶根部设计成以阻力驱动为主的阻力型翼型，叶尖部设计成升力型翼型，使得该叶片可以同时利用阻力和升力复合驱动，显著地提高风能利用率。阻力与升力复合驱动使得采用该型叶片的风机与传统型风机相比较，具有启动风速低；低风速条件下风能转换率高；强风条件下阻力驱动功能自动变为“气旋阻力刹车”，有效地抑制叶片转速过高，无需变浆调速；安全稳定等一系列特点。

本实用新型的有益效果是：（1）采用阻力升力复合驱动的风力发电机叶片可以利用其根部的阻力型翼型实现低风速启动；（2）在风速低于额定风速时，阻力升力复合驱动的风力发电机叶片风轮较升力驱动的叶片风轮的转速高，发电量大，风能利用率高；（3）超过额定风速后，因阻升两种翼型的联合作用使得风机风轮转速不会无限制直线上升，无需通过变桨来调节转速。整机结构简单，安全可靠。（4）阻力升力复合驱动的风力发电机叶片根部脊背较厚，近似曲面三角形，力学结构稳定，叶片强度刚度好。

附图说明   

图1为本实用新型叶片翼型的结构示意图。

图2为阻力型翼型工作原理图。

图3为升力型翼型工作原理图。

图4为本实用新型叶根阻力型翼型工作原理图。

附图各标号表示：1-叶柄区；2-阻力型翼型区；3-升力型翼型区。 

具体实施方式

实施例1：采用4mm的纤维增强复合材料蜂窝板制成长度为3米，额定功率为4KW的阻力升力复合驱动的水平轴风力发电机叶片，重量约为12Kg，根部采用阻力型翼型，尖部采用升力型翼型，两种不同翼型过渡的分界线设置在离叶根端0.38米的位置，在该风机启动风速为1.5 m/s，额定风速8m/s，额定风速下的风机转速为205rpm，风能利用率达到0.48。

实施例2：采用4mm的蜂窝结构+纤维增强复合材料板制成6米，额定功率为20KW的阻力升力复合驱动风力发电机叶片，重量约为35Kg，根部采用阻力型翼型，尖部采用升力型翼型，两种不同翼型过渡的分界线设置在离叶根端0.80米的位置，该型风机启动风速为2 m/s，额定风速9m/s，额定风速下的风机转速为115rpm，风能利用率达到0.44。

实施例3：采用30~80mm的蜂窝结构+纤维增强复合材料制成长度为29米，额定功率为700KW的阻力升力复合驱动风力发电机叶片，重量约为3500Kg，根部采用阻力型翼型，尖部采用升力型翼型，两种不同翼型过渡的分界线设置在离叶根端4.8米的位置，该型风机启动风速为3.2 m/s，额定风速10m/s，额定风速下的风机转速为20rpm，风能利用率达到0.42。

实施例4：采用30~80mm的蜂窝结构+纤维增强复合材料制成长度为42.5米，额定功率为2000KW的阻力升力复合驱动风力发电机叶片，重量约为5300Kg，根部采用阻力型翼型，尖部采用升力型翼型，两种不同翼型过渡的分界线设置在离叶根端6.2米的位置，该型风机启动风速为3.5 m/s，额定风速11m/s，额定风速下的风机转速为17rpm，风能利用率达到0.4。

Claims (2)

1.一种阻力升力复合驱动的风力发电机叶片，其特征是：沿叶片的长度方向根部采用阻力型翼型，尖部采用升力型翼型，两种翼型在叶片中部平滑过渡。

2.按权利要求1所述的阻力升力复合驱动的风力发电机叶片，其特征是：阻力型翼型与升力型翼型过渡的分界线设置在该区域的线速度与风机额定风速相差±5%的范围内。

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