風(fēng)力發(fā)電葉片及背風(fēng)面出流切線傾角的確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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)電葉片及背風(fēng)面出流切 線傾角的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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。
[0003] 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(zhǎng)和厚度分布沿葉片展向積疊而成，所以翼型的氣動(dòng)性能好壞對(duì)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。
[0004] 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(guó)、荷蘭、丹麥、瑞典等國(guó)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(guó)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(guó)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(dòng)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重的影響了國(guó)內(nèi) 葉片的設(shè)計(jì)水平。
[0005] 中國(guó)是風(fēng)能資源豐富的國(guó)家，根據(jù)中國(guó)氣象科學(xué)研究院估算的數(shù)據(jù)，我國(guó)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(guó)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(guó)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(zhǎng)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。
[0006] 目前對(duì)空氣流(風(fēng))主動(dòng)作用于葉片而使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的研究尚處于探索階段，中國(guó)的 風(fēng)資源相對(duì)歐洲和美國(guó)地區(qū)質(zhì)量相對(duì)較差，大部分地區(qū)年平均風(fēng)速較低，而國(guó)內(nèi)的風(fēng)電場(chǎng) 中廣泛安裝著國(guó)外進(jìn)口的機(jī)組，存在風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪啟動(dòng)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(guó)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(guó)外測(cè)試水平的現(xiàn)象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)力發(fā)電葉片及背風(fēng)面出流切線傾角的確定方法，充 分發(fā)揮空氣動(dòng)力，以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片將流動(dòng)空氣的能量轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)能量的能力， 提高了風(fēng)能利用率。
[0008] 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)背風(fēng)面出流切線傾角為 Ψ > J
其中，Val為入流風(fēng)速，Ve2為背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線 速度（即牽連速度），N為風(fēng)力發(fā)電葉片的數(shù)量，1為背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)處的風(fēng)力發(fā)電葉片寬度，r 為背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)所在圓的半徑。
[0009] 進(jìn)一步的，所述背風(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背 風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)切線方向與該背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度反方向之間的夾角。
[0010] 進(jìn)一步的，所述入流風(fēng)速Val的方向垂直于所述風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)平面。
[0011] 進(jìn)一步的，所述背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度(牽連速度)Ve2由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功 率計(jì)算得出。
[0012] 本發(fā)明提供的所述風(fēng)力發(fā)電葉片的背風(fēng)面出流切線傾角的確定方法，包括以下步 驟：
[0013] 建立背風(fēng)面出流切線傾角h背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對(duì)出流速度Va2、背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的 旋轉(zhuǎn)線速度(牽連速度)V e2以及背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的相對(duì)出流速度Vr2之間的關(guān)系;其中，所述背 風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對(duì)出流速度V a2的方向垂直于所述風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)平面，以消除風(fēng)力發(fā) 電葉片背風(fēng)面的空氣對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的阻礙作用；
[0014] 建立背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對(duì)出流速度Va2與入流風(fēng)速Val之間的關(guān)系；
[0015] 建立所述背風(fēng)面出流切線傾角0關(guān)于所述背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度Ve2及所述 入流風(fēng)速Val的方程；由于所述背風(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Val為額定值，即可求得背風(fēng)面出流切線傾角供。
[0016] 進(jìn)一步的，根據(jù)所述風(fēng)力發(fā)電葉片與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，可知所述背風(fēng)面出風(fēng) 點(diǎn)的絕對(duì)出流速度Va2為該點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度V e2與相對(duì)出流速度Vr2的矢量和，根據(jù)矢量運(yùn)算 關(guān)系得至L
[0017] 進(jìn)一步的，所述背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的絕對(duì)出流速度Va2與所述入流風(fēng)速Val之間的關(guān)系 根據(jù)流量連續(xù)性方程建立，即2Ji rdrVal = (2Jir-Nl) drVa2，其中，N為風(fēng)力發(fā)電葉片的數(shù)量，1 為背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)處的風(fēng)力發(fā)電葉片寬度，r為背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)所在圓的半徑。
[0018] 進(jìn)一步的，建立所述背風(fēng)面出流切線傾角口關(guān)于所述背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度 Ve2及所述入流風(fēng)速Val的方程：
[0019] 進(jìn)一步的，所述背風(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背 風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)切線方向與該背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)線速度反方向之間的夾角。
[0020] 進(jìn)一步的，所述入流風(fēng)速Val的方向垂直于所述風(fēng)力發(fā)電葉片的旋轉(zhuǎn)平面。
[0021] 本發(fā)明的有益效果為：
[0022] 葉片背風(fēng)面空氣對(duì)風(fēng)力發(fā)電葉片的作用力沿風(fēng)力發(fā)電葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線方向，使其 基本不對(duì)其風(fēng)力發(fā)電葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生阻力及阻力矩，空氣動(dòng)力得到了充分發(fā)揮，從而提高 了風(fēng)力發(fā)電葉片將流動(dòng)空氣的能量轉(zhuǎn)化為葉片轉(zhuǎn)動(dòng)能量的能力，提高了風(fēng)能利用率。
[0023] 本發(fā)明所述的風(fēng)力發(fā)電葉片的啟動(dòng)速度較小，可以廣泛用于中國(guó)大部分年平均風(fēng) 速在5m/s~7.5m/s的低風(fēng)速區(qū)域。
【附圖說明】
[0024] 為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體 實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的 附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0025]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的主視圖；
[0026] 圖2為風(fēng)力發(fā)電葉片半徑為r的橫截面的背風(fēng)面出風(fēng)點(diǎn)的轉(zhuǎn)速及空氣流速分解示 意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0028] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語"中心"、"上"、"下"、"左"、"右"、"豎直"、 "水平"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了 便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、 以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語"第一"、"第二"、 "第三"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。
[0029]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可 以是機(jī)械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本 發(fā)明中的具體含義。
[0030] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的主視圖；圖2為風(fēng)力發(fā)電葉片半徑為 r的橫截