[發明專利]一種模塊化的可充抽氣的大型風力發電機葉片結構

有效

• 申請號: 201110285831.4
• 申請日: 2011-09-23
• 公開（公告）號: CN102297077A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發明（設計）人: 曾攀
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F03D1/06
• 分類號: F03D1/06;F03D7/02
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明涉及模塊化的可充抽氣的大型風力發電機葉片結構，屬于風力發電設備領域。

背景技術

當今的大部分能源來源是化石燃料：煤、石油以及天然氣，以現在的使用速度，已知的剩余煤礦礦藏將在約200年后被用完，而石油和天然氣將在不到100年內使用殆盡。化石燃料在使用時會造成大量的環境污染，其中包括導致全球變暖的溫室氣體。風能是最具商業潛力、最具活力的可再生能源之一，使用清潔，成本較低，而且取用不盡。風力發電具有裝機容量增長空間大，成本下降快，安全、能源永不耗竭等優勢。風力發電在為經濟增長提供穩定電力供應的同時，可以有效緩解空氣污染、水污染和全球變暖問題。在各類新能源開發中，風力發電是技術相對成熟、并具有大規模開發和商業開發條件的發電方式，風力發電可以減少化石燃料發電產生的大量的污染物和碳排放，大規模推廣風電可以為節能減排做出積極貢獻。在全球能源危機和環境危機日益嚴重的背景下，風能資源開始受到普遍關注。風力發電規模化發展給風力發電裝備制造業提供了廣闊的市場空間和前景。據估計，全球潛在風力發電能力超過70萬億千瓦，比地球上可開發利用的水能總量還要大10倍。隨著未來常規能源成本持續上升，風電優勢更為明顯，發展會更快，估計未來多年內風電裝機容量年均增速將高達20％。根據全球風能委員會的報告，目前德國、西班牙、美國、印度、丹麥、意大利、英國、荷蘭、中國、日本和葡萄牙等國的風電裝機容量相對較多。國際綠色和平組織和世界風能協會發布的全球產業藍皮書認為，到2020年全世界風能裝機容量將達到12.6億千瓦，屆時風電電量達3.1萬億千瓦時，風電將占世界電力供應的12％(同時，這種清潔能源將減少約110億噸的二氧化碳排放)。

可以看出，包括太陽能、風能、生物質能等在內的可再生能源的利用進入了一個嶄新的發展時期，風能被認為是最有希望與傳統能源在發電成本上相抗衡的清潔能源。英國、丹麥等歐洲國家風電機組的平均單機功率已經達到2.5兆瓦，中國平均為1.6兆瓦。海上風機的安裝成本較高，因此大型機組更有成本優勢，丹麥Vestas的6MW風機即將投入使用，美國Clipper公司開發了10MW樣機，下一代海上風電兆瓦級機組將達到6MW至10MW。

近年來中國風電行業呈現爆發性增長，從2005年的年裝機容量不到1000MW，到2009年年裝機容量超過14000MW，五年時間增長了14倍，“十二五”期間(2011-2015年)中國的新增風電裝機容量將達到40000MW，中國已成為全球矚目的風電大國。

從19世紀末到20世紀初的風力發電，都是小規模的直流發電，直到20世紀前半期，才開始實現風力發電機組的大型化，并通過提高空氣動力性能來增大輸出功率。到了20世紀90年代末期，已經大規模采用1MW-1.5MW的風力發電機組。進入21世紀，風力發電機組的功率及風輪直徑更加趨于大型化，風輪直徑達到60-80m、輸出功率達2MW的風力發電機組成為主導機組，同時，海上風力發電機組也更加大型化。

當今，風力發電的最新技術及發展趨勢呈現出大型化、變速運行、變槳距及無齒輪箱等發展趨勢，即

一、在大型化方面，現在兆瓦級的風電機組已具備了商業化價值，其單機容量可達2～3MW，目前最大的風電機組的海上單機容量可達5MW，風輪葉片長度也大于30m，發電機組的重量也較重，必然在運輸及安裝上帶來較大的困難，風電機組在大風時的結構安全性也面臨較大的風險。

二、在變速運行方面，即與恒速運行的風力發電機組相比，變速運行的風機具有發電量大、對風速變化的適應性好、生產成本低、效率高等優點，但對于大型風機，由于葉片較長及較重，針對其慣性的控制將是一個難點。

三、在變槳距設計及操作方面，目前定槳距在向變槳距方向發展，變槳距調節的優點是機組起動性能好、輸出功率穩定、機組結構受力小、停機方便安全，但變槳距的機構較為復雜，也增加了變槳裝置的故障幾率，控制程序比較復雜。結合變槳距技術的應用以及電力電子技術的發展，大多風電機組開發制造廠商開始使用變速恒頻技術，并開發出了變槳變速風電機組，使得在風能轉換上有了進一步完善和提高

四、在無齒輪箱(直驅式)方面，即采用無齒輪箱的直驅方式，可以有效地提高系統的效率以及運行可靠性，但需要發展低轉速的發電機技術。

五、在葉片技術方面，風力發電機組葉片的翼型從當初采用飛機機翼的翼型，發展為最近使用的專門針對風力發電機的翼型，并且在低雷諾茲數范圍內得到更高的升阻比，與飛機使用的翼型相比，翼型變厚，葉片的強度及剛度也大大地提高。