[發(fā)明專利]風(fēng)力發(fā)電葉片及迎風(fēng)面出流切線傾角的確定方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610151528.8
• 申請日: 2016-03-16
• 公開（公告）號: CN105545584B
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張照煌;高青風(fēng);李富田;孫飛
• 申請（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué)
• 主分類號: F03D1/06
• 分類號: F03D1/06
• 代理公司: 北京超凡志成知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11371
• 代理人: 史明罡

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種風(fēng)力發(fā)電葉片及迎風(fēng)面出流切線傾角的確定方法。

背景技術(shù)

風(fēng)電機(jī)組的工作原理是通過葉片將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過輪轂、軸和齒輪箱等連接裝置把機(jī)械能傳遞給風(fēng)力發(fā)電機(jī)，最后由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能輸向電網(wǎng)供用戶使用，因此葉片是風(fēng)電機(jī)組的核心部件之一。

目前，風(fēng)力發(fā)電葉片多是沿用飛機(jī)翼型發(fā)展起來的，機(jī)組葉片的設(shè)計(jì)過程是將翼型按照一定的扭角、弦長和厚度分布沿葉片展向積疊而成，所以翼型的氣動性能好壞對風(fēng)電機(jī)組的捕風(fēng)能力有著重要的影響，直接決定了風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用效率。在過去的幾十年里，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量小、風(fēng)能利用效率低，再由于制造誤差、沙石和灰塵摩擦、昆蟲殘骸的附著、空氣和雨水的腐蝕等因素導(dǎo)致葉片前緣表面粗糙度的增加，傳統(tǒng)翼型在大攻角下隨著前緣粗糙度的增加翼型前緣處邊界層提前由層流轉(zhuǎn)捩成湍流，翼型上邊面邊界層過早發(fā)生分離，導(dǎo)致葉片最大升力系數(shù)嚴(yán)重下降。

隨著風(fēng)電機(jī)組容量的不斷增大，傳統(tǒng)翼型已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為了減少能量損失，美國、荷蘭、丹麥、瑞典等國家早在20世紀(jì)八十年代就開始進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的翼型開發(fā)。目前國外的葉片普遍采用了風(fēng)力機(jī)專用翼型，不僅提高了風(fēng)電機(jī)組的效率，而且降低了葉片加工成本、減小了噪音，翼型良好的失速特性更加有利于風(fēng)電機(jī)組的控制。國內(nèi)的新翼型設(shè)計(jì)研究起步較晚，缺乏新翼型的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和氣動數(shù)據(jù)，嚴(yán)重的影響了國內(nèi)葉片的設(shè)計(jì)水平。

中國是風(fēng)能資源豐富的國家，根據(jù)中國氣象科學(xué)研究院估算的數(shù)據(jù)，我國在10m低空范圍的可開發(fā)利用的風(fēng)力資源約為10億kW，其中陸上約為2.53億kW，如果擴(kuò)展到50-60m以上的高度，風(fēng)力資源將至少再擴(kuò)大一倍。而且國內(nèi)風(fēng)力資源主要集中在三北地區(qū)和東部沿海地帶，給大規(guī)模的開發(fā)和利用提供了良好的條件。中國近幾十年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2006～2008年連續(xù)3年內(nèi)總裝機(jī)容量增長率都保持在100％以上，如此迅速的發(fā)展也帶來了一些技術(shù)上亟待解決的問題。

目前對空氣流(風(fēng))主動作用于葉片而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的研究尚處于探索階段，中國的風(fēng)資源相對歐洲和美國地區(qū)質(zhì)量相對較差，大部分地區(qū)年平均風(fēng)速較低，而國內(nèi)的風(fēng)電場中廣泛安裝著國外進(jìn)口的機(jī)組，存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪啟動風(fēng)速大、額定運(yùn)行風(fēng)速高、風(fēng)能利用率低等問題，使這些進(jìn)口的風(fēng)力機(jī)在中國都出現(xiàn)了風(fēng)能利用系數(shù)低于設(shè)計(jì)值、年發(fā)電量低于國外測試水平的現(xiàn)象。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電葉片及迎風(fēng)面出流切線傾角的確定方法，充分發(fā)揮空氣動力，以提高風(fēng)力發(fā)電葉片將流動空氣的能量轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動能量的能力，提高風(fēng)能利用率。

本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電葉片，包括迎風(fēng)面與背風(fēng)面，設(shè)迎風(fēng)面出流切線傾角為且其中，V_a1為入流風(fēng)速，V_e2為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度，N為風(fēng)力發(fā)電葉片的數(shù)量，l為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)處的風(fēng)力發(fā)電葉片寬度，r為迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)所在圓的半徑。

進(jìn)一步的，所述迎風(fēng)面出流切線傾角為所述風(fēng)力發(fā)電葉片的某一橫截面末端的迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)切線方向與該迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度反方向之間的夾角。

進(jìn)一步的，所述入流風(fēng)速V_a1的方向垂直于所述風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)平面。

進(jìn)一步的，所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度V_e2由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率計(jì)算得出。

本發(fā)明提供的所述風(fēng)力發(fā)電葉片的迎風(fēng)面出流切線傾角的確定方法，包括以下步驟：

建立迎風(fēng)面出流切線傾角入流風(fēng)速V_a1、迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對出流速度V_a2、迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度(牽連速度)V_e2以及迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的相對出流速度V_r2之間的關(guān)系；其中，所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對出流速度V_a2與入流風(fēng)速V_a1矢量差的矢量平行于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面，從而使空氣對風(fēng)力發(fā)電葉片的推力與風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)方向一致；

建立所述迎風(fēng)面出流切線傾角關(guān)于所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度V_e2及所述入流風(fēng)速V_a1的方程；由于所述迎風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度V_e2能夠由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率計(jì)算得出，所述入流風(fēng)速V_a1為額定值，即可求得迎風(fēng)面出流切線傾角