一種風力發電機組葉片增效系統設計的製作方法

2023-06-29 19:19:26 1

本發明涉及風力發電技術領域，尤其涉及到風力發電機葉片的設計。

背景技術：

從目前已有的技術來看提高風力發電機的發電效率有兩類不同的方法。一類方法是優化葉片形狀以及葉片橫截面；另外一類方法是影響葉片表面的氣流邊界層吸附來改善氣流的流動。本專利的發明致力於後者，截止目前為止在該領域還沒有特別有效的提高風力發電機發電效率的方法。本專利主要的任務是發明一種風力發電機的葉片技術以及相應的控制方法來提高整體系統的收益，本專利發明力致達到下面幾個方面：緊湊的設計，儘量小的材料需求和生產成本，運行過程中產生儘量小的噪聲，載荷的增加微小。儘可能讓風機的啟動速度降低，同時要保證風力發電機最大功率不改變。本專利發明能夠讓風力發電機在風速小的時候的發電量收益有顯著的提高。性能和收益的提高主要保證在中低載荷區域進行。

技術實現要素：

本專利涉及到葉片下表面1；葉片前緣2；葉片後緣3；根箱(根部外置後緣)從距葉根1.2米處到葉片的最大寬度處的葉片後緣區域4；吸風區域(吸氣孔)5；小翼6；齒狀排氣區域7；翼刀8；氣流導管9，氣流導管用來把氣流從氣流吸入區5導到前緣緣腔體7；吸風槽，在吸風槽上打孔吸入氣流10；

氣流經過葉片上表面首先會由於葉片表面的曲率影響而加速，經過最大曲率位置後(到達下遊)，氣流速度會由於下遊壓力變大而變慢，邊界層動能會有損失，從而造成邊界層厚度的增加和邊界層和葉片上表面的分離。氣流從邊界層的分離點開始離開葉片表面，後果是葉片的升力下降而阻力上升。

影響邊界層的目的就是為了避免氣流從葉片上表面的分離。邊界層必須要能夠儘量多的依附在葉片上面，邊界層的分離點要儘量靠近葉片後緣，從而提高風力發電機的發電效率。

本專利主要採取兩種方式來影響邊界層：氣流吸入和氣流排放。氣流吸入發生根箱打孔的區域，在該區域邊界層通過氣流吸入來緊貼在葉片表面。氣流排放是把通過葉片旋轉加速的氣流排放到希望受到影響的邊界層區。排放的氣流會為邊界層帶來能量，從而儘可能長時間的保持邊界層的穩定。

本專利主要的任務是發明一種風力發電機的葉片技術以及相應的氣流傳輸控制方法來提高整體系統的收益，本專利涉及力致達到下面幾個方面：緊湊的設計，儘量小的材料需求，儘量小的生產成本，運行過程中產生儘量小的噪聲以及儘量小的載荷增加。本專利的另外一個任務是讓風力發電機在小風速區的發電量收益有顯著的提高。儘可能讓風機的啟動速度降低，同時要保證風力發電機最大功率要維持在之前的設計標準。性能和收益的提高主要保證在中低載荷區域進行。本專利著重考慮改善葉片根部的氣流流動來保證氣流儘量長時間的緊貼在葉片表面，同時讓它們的能量儘可能被利用，

本專利技術至少需要在葉片根部構造一個新的平面形狀的葉片後緣(見圖2葉片根部的標識4)，該新的葉片後緣附近即是氣流吸入區。打孔具體位置和數量根據實際情況決定。該氣流吸入區對於改善風力發電機的性能和效率提高起到非常大的作用。構造該氣流吸入區所需要的材料也非常少。相對於傳統的風力發電機葉片圓形的葉片根部，該設計造成的載荷提高微乎其微，因此並不需要在根部做結構上的強化。構造的新的葉片後緣可以一直擴展到葉片根部和輪轂連接的地方。該設計可以讓風機在風速很小的時候就開始運轉，從而讓更多的風能轉化成電能。設計會造成葉片根部區域葉片寬度的增加，但是仍然不會超過更改設計之前葉片根部的最大深度。還需在葉片根部密封葉片前緣與前緣緣腹板之間的區域，在葉片尖部密封整個尖部區域，目的是形成葉片前緣密封腔體。

該設計的一個特別大的優勢是葉片根部的寬度並沒有增加多少，葉片的運輸難度和方法可以和傳統的葉片是一樣的。該設計使用的材料和製造葉片材料相同。

本設計也可以在葉片根部採用Wortmann翼型來構造平面的葉片根部後緣區，這樣可以改善葉片根部的氣流流動。特別推薦的Wortmann翼型FX77-W-500，FX77-W-400，FX77-W-343.

允許的話可以在葉片根部的前緣也按Wortmann翼型來構造新的前緣，從而進一步改善葉片根部的氣流流動。這樣的設計會進一步優化風力發電機的性能，因為這樣的設計會保證氣流在葉片根部很大區域 內都是層狀流動，而不會因為發生湍流而造成能量損失。

氣流在根箱上表面的吸入位置，首選靠根箱後緣。這樣的話會相對更早的影響氣流的邊界層，並讓氣體儘可能時間長的附在葉片表面上流動，可以有效地讓葉片根部上表面的氣流完全貼緊在該區域。在根箱上表面的氣流吸入可以和根箱後緣的氣流吸入結合起來，這樣的話效率會提得更多。

本專利發明需要在葉尖構造小翼及排氣區，如圖4。小翼和葉片內部相通，空氣從小翼的者後緣位置排出。排氣口的位置應該設計成NACA-Hutze的形狀(內部空間大，出口相對細)。如果排氣口太大的話，排出來的氣體和它們的能量就沒什麼作用。小翼還有一個特別的作用就是減少翼尖渦流。該渦流普遍存在於傳統設計的葉片的尖端。

氣體可以通過設置在排氣區域的孔洞和/或槽來排出，外輪廓為齒狀，該形狀對於降低噪聲非常有用。特別是齒狀輪廓和內部的孔洞結合起來會非常有效的較少來自氣流的噪聲，從而可以減少對環境的噪音汙染。齒狀輪廓可以對排出的氣體起到調勻的作用。即使小翼設計得很小，也可以起到非常好的排氣作用。而且齒狀輪廓非常容易製造，採用切割或者研磨工藝都可以實現。排出的空氣排出會讓葉片表面的空氣以及邊界層加速，從而為邊界層帶來額外的能量。

翼刀來改善風力發電機的性能，翼刀可以影響氣流，減少葉片根部的尾流湍流，減少升力損失。

在上述所有改善風能發電機性能的方案中提到的安裝部件都可以後續安裝。為了能夠讓傳統設計的葉片性能進行有效的改善，至少下面三個組件是必要的：1)，葉片根部的平面形狀的後緣，該部件可以基於正常的圓形截面形狀的葉片加以改造。2)，葉尖的氣流排放區。這些部件可以採用傳統的連接方法安裝在葉片上。這些方法包括層壓法，螺栓連接，粘合或者類似的連接方法。

附圖說明

圖1，傳統的葉片設計示意圖。

圖2，本專利的葉片設計發明示意圖。

圖3，本專利的氣流導管示意圖。

圖4，本專利的葉尖小翼示意圖。

圖5，本專利的葉片前緣密封腔體示意圖。

圖6，本專利的吸風槽示意圖。

附圖標記列表

1 葉片下表面

2 葉片前緣

3 葉片後緣

4 根箱(根部外置後緣)

5 吸風區域(吸氣孔)

6 小翼

7 齒狀排氣區域

8 翼刀

9 導氣管

10 吸風槽。