專利名稱：風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及航空、艦船螺旋槳等相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉。
背景技術(shù)：
使用煤炭和石油能源不但污染環(huán)境而且即將枯竭；風(fēng)能是大自然賜予的永遠可免費使用的綠色能源。目前普遍認為風(fēng)力發(fā)電是最佳的可替代綠色能源，但是也存在成本高、發(fā)電所需的平均風(fēng)速大、風(fēng)場難找、難以大量推廣使用的問題。因此目前亟須研發(fā)提高發(fā)電 效率、提高風(fēng)機風(fēng)能利用系數(shù)、降低風(fēng)力發(fā)電的成本和降低發(fā)電平均風(fēng)速、能在小風(fēng)廣泛的地域使用的風(fēng)力發(fā)電機?，F(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機的缺點是“小風(fēng)”不轉(zhuǎn)；“中風(fēng)”發(fā)不多少電(風(fēng)能和風(fēng)速立方成正比)；“大風(fēng)”很少見；即使裝機額定功率(對應(yīng)風(fēng)速13-14米/秒，6級風(fēng))很大，但年發(fā)電量很??；年發(fā)電量和年平均風(fēng)速密切相關(guān)，全國大部分地區(qū)年平均風(fēng)速小于標準風(fēng)場風(fēng)速6米/秒?，F(xiàn)有的剛性風(fēng)葉風(fēng)力發(fā)電機，減小起動風(fēng)速與增大風(fēng)能利用系數(shù)是一對矛盾，二者不可兼得。小風(fēng)機為了降低起動風(fēng)速，卻損失了中、大風(fēng)時風(fēng)能利用系數(shù)，損失了大風(fēng)能量。大功率風(fēng)機風(fēng)葉扭轉(zhuǎn)角是按風(fēng)速8米/秒設(shè)計的，此時風(fēng)能利用系數(shù)較大，卻損失了小風(fēng)風(fēng)能利用系數(shù)，效率較低。大功率風(fēng)機采用風(fēng)葉整體變大矩方法雖然減小了起動風(fēng)速，但只是空轉(zhuǎn)，由于氣流方向與風(fēng)葉扭轉(zhuǎn)角嚴重失諧，剛剛發(fā)電的切入風(fēng)速仍然較大，浪費了小風(fēng)風(fēng)能。而實際中每年小風(fēng)出現(xiàn)的頻度很高，累計能量是很大的。北京每年約有3-4天刮六級風(fēng)(10. 8-13. 8米/秒)，累計小時數(shù)占全年總小時數(shù)比例很小。北京、廣州年平均風(fēng)速約2. 1-2. 3米/秒?，F(xiàn)風(fēng)機設(shè)計點是8米/秒，不符合中國實際。用本發(fā)明研發(fā)的風(fēng)葉和現(xiàn)有同直徑風(fēng)機風(fēng)葉互換，經(jīng)與樣機對比測試實現(xiàn)了 起動、切入風(fēng)速??；風(fēng)能利用系數(shù)全面提高，而且風(fēng)速越小增加的越多，提高了年發(fā)電量，降低了發(fā)電成本。見參考文獻I，《風(fēng)力機空氣動力學(xué)》(第二版)，中國電力出版社，2009年6月北京第一次印刷，文中給出軸向誘導(dǎo)因子α的物理內(nèi)涵。發(fā)明專利申請?zhí)枮?00810105693. 5的專利申請，公開了一種風(fēng)力發(fā)電用自適應(yīng)風(fēng)輪，本發(fā)明在此基礎(chǔ)上經(jīng)過樣機研發(fā)，性能對比試驗，取得很好的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有風(fēng)機技術(shù)中存在的問題，提供了一種風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)(蝙蝠裙)風(fēng)葉，主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中，提高風(fēng)力發(fā)電效率，降低風(fēng)機發(fā)電成本。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的自適應(yīng)風(fēng)葉由硬風(fēng)葉和柔性蝙蝠裙兩部分組成，其中，柔性蝙蝠裙連接在硬風(fēng)葉的后沿上。硬風(fēng)葉部分是剛性的，并優(yōu)化設(shè)計了硬風(fēng)葉的翼型，用于承受彎力、保持翼型形狀等；硬風(fēng)葉的后沿連接蝙蝠裙，蝙蝠裙是柔性的，能有效提高風(fēng)能利用系數(shù)。本發(fā)明提供的風(fēng)葉經(jīng)對比吹風(fēng)試驗驗證，輸出功率比樣機全面提高，風(fēng)速越小提高幅度越大。在直徑、葉片數(shù)、風(fēng)速相同條件下，在樣機(廣州世佳AN-FD400W)換上本發(fā)明的蝙蝠裙風(fēng)葉后，功率提高百分比如下二級風(fēng)(3. 3米/秒)以下為80%，降低發(fā)電成本44% ;三級風(fēng)(微風(fēng)5.4米/秒)以下為32%，降低發(fā)電成本24% ;四級風(fēng)以下(7. 9米/秒)為18%，降低發(fā)電成本15%，均有試驗數(shù)據(jù)可查。該風(fēng)葉即充分利用了經(jīng)常有的小風(fēng)和中等風(fēng)速的風(fēng)，偶爾遇到大風(fēng)效率也有提高；年發(fā)電量大，發(fā)電成本大幅降低；使用地域廣，便于大量推廣使用。


·下面附圖為實施實例附圖，僅用于說明本發(fā)明中的一個實施例子，但不用于限定本發(fā)明的技術(shù)方案圖I為本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉的一個實例的俯視圖和側(cè)視圖的示意圖；圖2為本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉的一個實例的硬風(fēng)葉部分立體外形示意圖；圖3為本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉的一個實例的硬風(fēng)葉靠葉根四個截面的翼型不意圖；圖4為本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉的一個實例的硬風(fēng)葉靠葉尖四個截面的翼型示意圖。圖中I.葉尖；2.葉根；3.凹槽；4.后沿；5.迎風(fēng)面；6.背風(fēng)面。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提供一種風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉及其設(shè)計方法，如圖I所示，本發(fā)明提供的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，由硬風(fēng)葉和柔性蝙蝠裙兩部分組成，其中，柔性蝙蝠裙連接在硬風(fēng)葉的后沿4上。蝙蝠裙與硬風(fēng)葉之間的連接關(guān)系可以是在硬風(fēng)葉的后沿4將壓板壓住蝙蝠裙后用螺釘連接，或者直接將硬風(fēng)葉的后沿與蝙蝠裙粘接，或者將蝙蝠裙插入硬風(fēng)葉后沿4的迎風(fēng)面5與背風(fēng)面6之間的縫中，然后螺釘連接或粘接。見圖2所示的硬風(fēng)葉，對于小風(fēng)機是采用實心結(jié)構(gòu)，通過澆鑄方式制造，大風(fēng)機可以采用中空結(jié)構(gòu)，以減輕重量。結(jié)合附圖3所示的硬風(fēng)葉的翼型的左側(cè)為迎風(fēng)面5，由兩段圓弧組成，兩段圓弧之間圓滑連接。右側(cè)背風(fēng)面6也由兩段圓弧組成，兩段圓弧之間也是圓滑連接。圖3中左側(cè)的三個翼型結(jié)構(gòu)是圖2中的硬風(fēng)葉的根部的截面不意圖，在硬風(fēng)葉根部設(shè)置有深度I 5mm的凹槽3,長度占整個葉片的長度的30 100%，凹槽3結(jié)構(gòu)用于連接蝙蝠裙，即所述的柔性蝙蝠裙可以在硬風(fēng)葉根部后沿4，也可以在硬風(fēng)葉全部后沿4設(shè)置。所述的蝙蝠裙只連接在硬風(fēng)葉的迎風(fēng)面
5。圖3中第四個截面是沒有凹槽位置的硬風(fēng)葉截面(翼型)示意圖。如圖4所示，風(fēng)葉截面從左到右截面面積逐漸縮小。所述的蝙蝠裙結(jié)構(gòu)如圖I所示，圖I中左側(cè)為風(fēng)葉葉根2，右側(cè)為葉尖1，下側(cè)為風(fēng)葉后沿4，蝙蝠裙整體呈三角弧形狀，蝙蝠裙靠近葉尖I的部分窄，靠近葉根2的部分寬。蝙蝠裙寬度(即從風(fēng)葉后沿到蝙蝠裙下沿，或者附圖I中從硬風(fēng)葉下側(cè)到蝙蝠裙最下端)是葉尖翼型弦長的I 4. 5倍。蝙蝠裙的兩段圓弧邊的圓弧半徑分別為靠近葉尖I的一段圓弧邊的半徑為3 6. 5倍的蝙蝠裙寬度?？拷~根2部分圓弧半徑為以葉片轉(zhuǎn)動圓心O為圓心，半徑為硬風(fēng)葉長度的20 35%。所述的柔性蝙蝠裙可以用彈簧鋼片、鋁合金片、PC片及其他柔性片狀物制成。硬風(fēng)葉部分是剛性的，并優(yōu)化設(shè)計了硬風(fēng)葉的翼型，用于承受彎力、保持翼型形狀等；硬風(fēng)葉的后沿連接蝙蝠裙，蝙蝠裙是柔性的，能有效提高風(fēng)能利用系數(shù)。上述提供的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉的設(shè)計方法包括如下步驟第一步，先確定風(fēng)機剛向電網(wǎng)供電或向電瓶充電的電壓，再確定風(fēng)輪供電的切入轉(zhuǎn)速N ;所述的風(fēng)輪是指包含本發(fā)明的自適應(yīng)風(fēng)葉和輪轂組成的轉(zhuǎn)動機構(gòu)。 第二步，根據(jù)第一步中的切入轉(zhuǎn)速N，確定自適應(yīng)風(fēng)葉不同半徑處切向速度與風(fēng)速比入i，i為自然數(shù)，i^8；第三步，由第二步中的切向速度與風(fēng)速比λ i確定葉片不同半徑處氣流進氣角(R1 :9i=arctan[(l -α)/λι],其中，i為自然數(shù)，i彡8，a是風(fēng)速軸向誘導(dǎo)因子；a = O O. 333，具體數(shù)值，由風(fēng)葉翼型設(shè)計、表面光滑程度、蝙蝠裙的效率等因素決定。第四步，由氣流攻角α和氣流進氣角奶計算風(fēng)葉扭轉(zhuǎn)角Qi
Qi=9i-a所述的氣流攻角α為經(jīng)驗值，一般先確定風(fēng)機剛開始發(fā)電的氣流攻角，取值范圍是O 7度范圍內(nèi)；i為自然數(shù)，i >8。第五步，柔性蝙蝠裙的長度、寬度、厚度、材料的確定，以起動風(fēng)速時略有向后擺動為宜。最好用吹風(fēng)試驗驗證風(fēng)能利用系數(shù)Cp值。所述的切入轉(zhuǎn)速是指風(fēng)機剛開始發(fā)電的轉(zhuǎn)速。將本發(fā)明提供的自適應(yīng)(蝙蝠裙)風(fēng)葉換裝到AN-FD400W上，風(fēng)能利用系數(shù)Cp已有較大提高，經(jīng)進一步優(yōu)化試驗還會進一步提高，逐步接近風(fēng)能利用系數(shù)Cp極限值59.3%，接近蝙蝠翼的效率。該發(fā)明的設(shè)計方法完全可以應(yīng)用在中、大型風(fēng)機研發(fā)上。本發(fā)明原理也可用于飛機和船舶相關(guān)流體部件設(shè)計上。
權(quán)利要求
1.風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于由硬風(fēng)葉和柔性蝙蝠裙兩部分組成，其中，柔性蝙蝠裙連接在硬風(fēng)葉的后沿上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于蝙蝠裙與硬風(fēng)葉之間的連接關(guān)系是先將壓板壓住蝙蝠裙在硬風(fēng)葉的后沿后用螺釘連接，或者直接將硬風(fēng)葉的后沿與蝙蝠裙粘接，或者將蝙蝠裙插入硬風(fēng)葉后沿的迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間的縫中，然后螺釘連接或粘接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于所述的硬風(fēng)葉采用實心結(jié)構(gòu)或者中空結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于所述的硬風(fēng)葉的翼型的迎風(fēng)面和背風(fēng)面分別由兩段圓弧組成，兩段圓弧之間分別圓滑連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于在硬風(fēng)葉根部設(shè)置有凹槽，長度占整個硬風(fēng)葉長度的30 100%，凹槽結(jié)構(gòu)用于連接蝙蝠裙。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于所述的凹槽的深度為I 5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于所述的蝙蝠裙連接在硬風(fēng)葉的迎風(fēng)面。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于所述的蝙蝠裙整體呈三角弧形狀，蝙蝠裙靠近翼尖的部分窄，靠近翼根的部分寬，蝙蝠裙寬度是葉尖翼弦長度的I 4. 5倍；蝙蝠裙的兩段圓弧邊的圓弧半徑分別為靠近翼尖的一段圓弧邊的半徑為3 6.5倍的蝙蝠裙寬度；靠近翼根部分圓弧半徑為以葉片轉(zhuǎn)動圓心為圓心，半徑為硬風(fēng)葉長度的20 35%。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，其特征在于所述的柔性蝙蝠裙用彈簧鋼片、鋁合金片、PC片或其它柔性片狀物制成。
10.權(quán)利要求I所述的風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉的設(shè)計方法，其特征在于如下步驟 第一步，先確定風(fēng)機剛向電網(wǎng)供電或向電瓶充電的電壓，再確定風(fēng)輪供電的切入轉(zhuǎn)速N； 第二步，根據(jù)第一步中的切入轉(zhuǎn)速N，確定自適應(yīng)風(fēng)葉不同半徑處切向速度與風(fēng)速比入i，i為自然數(shù)，i≥8 ; 第三步，由第二步中的切向速度與風(fēng)速比Ai確定葉片不同半徑處氣流進氣角(R1 9i=arctan[(l -α)/λι], 其中，i為自然數(shù)，i≥8，a是風(fēng)速軸向誘導(dǎo)因子；a = O O. 333 ； 第四步，由氣流攻角α和氣流進氣角奶計算風(fēng)葉扭轉(zhuǎn)角Qi Qi=9i-a 所述的氣流攻角a為經(jīng)驗值，取值范圍是O 7度；i為自然數(shù)，i≥8； 第五步，以起動風(fēng)速時略有向后擺動為準，柔性蝙蝠裙的長度、寬度、厚度和材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風(fēng)力發(fā)電自適應(yīng)風(fēng)葉，屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供的自適應(yīng)風(fēng)葉由硬風(fēng)葉和柔性蝙蝠裙兩部分組成，其中，柔性蝙蝠裙連接在硬風(fēng)葉的后沿上。本發(fā)明提供的風(fēng)葉經(jīng)對比吹風(fēng)實例試驗驗證，輸出功率比樣機全面提高，風(fēng)速越小提高幅度越大。在直徑、葉片數(shù)、風(fēng)速相同條件下，在樣機(廣州世佳AN-FD400W)換上本發(fā)明的蝙蝠裙風(fēng)葉后，功率提高百分比如下二級風(fēng)(3.3米/秒)以下為80％(降低發(fā)電成本44％)；三級風(fēng)(微風(fēng)5.4米/秒)以下為32％；四級風(fēng)(7.9米/秒)以下為18％，均有試驗數(shù)據(jù)可查。這是初步結(jié)果，將進一步提高到接近風(fēng)能利用系數(shù)極限59.3％的水平。
文檔編號F03D11/00GK102720643SQ20121008895
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者何立武 申請人:何立武