1、风力发电机叶片及结构的改变一、 背景随着能源与环境的压力增加,清洁可再生的新能源近年受到普遍重视。在各类绿色能源中,风能是前景潜力巨大的可再生能源之一。正因为如此近年来,新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下,中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起,已经成为全球风电最为活跃的场所。风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。图一 图二二、 出现的问题虽然风力发电也号称是清洁能源,能起到很好的环保作用,但是随着越来越多的大型风电场的建立,一些由风力发电机引发的问题也凸显出来。比如,水平轴风轮的转速比较高,在高速下,叶片切割气流将产生很大的气动噪音。其中,风力发
2、电机在风大的时候,需要停转,以免叶片高速旋转离心力过大把叶片甩断。但是,如果在大风时也能够运转,就能多发电。三、问题的解决1) 定义技术冲突一方面,现在的风力发电机为了防止因为叶片旋转得太快,通过刹车装置使叶片停止转动。但是,由于长期的摩擦,风力发电机的刹车系统会出现故障,叶片出现失控,就会继续快速旋转,严重会导致叶片抛出,造成风机灾难性事故。另一方面,就算在大风时螺旋桨停止运行,也可能因为风大的原因,螺旋桨发生折断;也因为停止运行的原因,发电机将停止工作,风电机的作用没有得到充分的发挥,间接浪费资源,不利于经济效益的提高。希望改善的参数:强度导致恶化的参数:运动物体的重量2) 查询冲突矩阵
3、恶化的工程参数改善的通用工程参数1运动物体的重量2静止物体的量3运动物体的长度1运动物体的重量15,8,29,342静止物体重量3运动物体的长度8,15,29,34.14强度1,8,40,1540,26,27,11,15,8,35查询技术冲突解决矩阵,根据14号强度和1号运动物体的重量技术参数,得到以下四条发明原理:1号发明原理分割8号发明原理重量补偿40号发明原理复合材料15号发明原理动态特性3)应用发明原理方案一 根据40号发明原理。大型风力发电机叶片一般用玻璃钢手工制作。叶片旋转得太快导致离心力大,并且叶片强度不够,很容易使叶片被抛出。可采用高强度的复合材料。经考虑可以采用碳纤维材料,碳
4、纤维材料是一种力学性能优异的新材料,它的比重不到钢的1/4,其中碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般3500mpa以上,是钢的79倍,比玻璃钢的强度高得多,密度比玻璃钢低,比性能高,无蠕变,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好。风力发电机所处的环境比较恶劣,而这种材料正好可以满足这方面的需要。 方案二1、 根据1号发明原理和15号发明原理。传统的叶片和轮毂是固定的连接,叶片相对于轮毂不能转动,导致在风速越大的情况加下,叶片受到的力就越大。如果不采取一定的减速措施,叶片会越转越快。如果在风速变大到一定条件下,叶片相对于风速的面积能够
5、自动减小,则叶片受到的力就会减小,从而叶片就不会转得过快,并且叶片会继续旋转。结构如图一 图三 图为卷簧,将卷簧外圈的铁钩与发电机的轮毂固连,内圈铁钩与叶片相连,且卷簧有较大的刚度,当卷簧与叶片连接时,需要一定的预紧。当风速在一定范围时,叶片在卷簧的作用下不会旋转,此时叶片随着风速的增加而加快旋转,此时可以尽可能多的使用风能。当风速到达一定并超过速度时,作用在叶片的力将增大,叶片将会发生一定角度的偏转,叶片正对风的面积将减少,作用在叶片的力将会减少,叶片的转速将不会增加很多。随着风的速度进一步增大,叶片正对风的面积将会进一步减少并最终直到到达一定的稳定值,此时叶片的转速也会达到一定的稳定值。方
6、案三 根据1号发明原理和15号发明原理。美国F-111A采用普通悬臂式后掠机翼,如图二。由于传统的固定式机翼不适合高速飞行,在突破音障时产生非常大的阻力,消耗的能量相应加大,而且容易使飞机在空中解体;另一方面三角翼不适合低速飞行。利用此原理,我们也可以将风力发电机的叶片结构做成这种类似的结构。如图三所示。 图四 图五1为叶片,3为空气阻尼器,2为转轴。当风速在一定范围时,叶片将不会往后倾,叶片随着风速的增加而转速增大。随着风速进一步增加超过空气阻尼器提供的设定值,叶片就会向后倾,从而减少与风的正作用面积,由于叶片向后倾,使得叶片根部受到的拉力减小,可以有效防止因离心力叶片被甩出去。当风速进一步
7、增大时,叶片转速会进一步增加,离心力会增加,但是另一方面,叶片向后倾的程度也会增加,使得叶片受到的离心力会减少。最终使得叶片在一个平衡的位置。随着风速的增加,叶片转速将达到一个临界值,叶片的倾斜也会达到一个临界值,最终使得叶片根部受到的拉应力趋于一个临界值。四、 方案评价方案一采用碳纤维材料做叶片,可以很好的保证强度。对于比较小的风力发电机没有必要选用碳纤维材料,因为叶片产生的离心力较小,用一般的玻璃钢足以承受,并且经济。但对于比较大的风力发电机,当叶片高速旋转时,叶片根部将产生很大的拉力,此时一般的玻璃钢将不能承受这么大的拉力而发生断裂,此时可以用碳纤维材料代替。但是另一方面,碳纤维材料的价
8、格比玻璃钢的价格高得多,特别是对于比较大的零件,此时碳纤维材料的价格更是高出玻璃钢几十倍乃至上百倍,所以从经济方面考虑很不划算。方案二 采用卷簧作为叶片在一定范围转动的零件,其结构简单,可靠性比较高。但是,在安装卷簧时。一方面,卷簧的预紧力不好控制,当为了保证预紧力一样时,叶片转过的角度很有可能不能保证一致,使得风力发电机在运行时不稳定,会产生振动,影响整个系统的运行安全;但是为了保证叶片的转角一致,卷簧的预紧力也很有可能不一样,在实际运行过程中,叶片在同样大的风力作用下,叶片转过的角度会有所差异,这样也会造成每个叶片受到的作用力不一样,也会使整个系统产生振动。另一方面,叶片的根部与轮毂在这种
9、情况下的连接强度会受到很大的影响,很有可能在高速情况下因离心力过大而脱离轮毂。造成严重的事故,此方案不是很好。方案三 此方案与方案二原理有相似之处,同样是通过减少与风的作用面积达到减速的目的,但是前者是通过叶片的旋转减少面积,后者是通过倾斜叶片的方法减少风的扫描面积。此方案叶片的根部可以较好的与轮毂相连,可以保证叶片的连接强度。另外叶片向后倾,使得叶片比较靠近发电机主轴,从而可以减小作用在叶片根部的拉力。是一个比较好的方案。五、补充说明现在使用的风力发电机大多是水平轴风力发电机但是,这种发电机有很多问题。一、此种发电机的叶片的面积比较小,风的作用面积小,使风能的利用率比较小;二、一般的风力发电
10、机不能转向,而在实际环境中风向是经常变化的,水平轴风轮的迎风面不可能始终对着风,这就引起了“对分损失”。即使有一些发电机采用一些控制装置使螺旋桨垂直风速,但是增加了整个结构的复杂性。三、水平轴风轮的转速比较高,高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音。四、水平轴的发电机都置于几十米的高空,这个发电机的安装和维护检修带来了很多的不便。垂直风轮结构简单,如图四所示,能360度受风,受风面积比较大,且垂直轴风轮的转速比水平轴的小,这样可以使在产生同样多电能的情况下,垂直风轮的转轴与叶片的连接部分受到的离心拉力会小一些,并且在这样的低转速基本不产生气功噪音。垂直轴的发电机可以放在风轮的下面或地面,这样安装维护。 然而,从现在的使用情况来看,水平轴发电机使用得更广,这主要是因为在早期,人们普遍认为垂直轴发电机的风能利用率低于水平轴风力发电机。但随着科技的发展和人类认识水平的不断提高,人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不能大于1,仅仅适合于阻力型风轮,而升力型风轮的尖速比甚至可以达到6,其风能利用率也不低于水平轴。近年来,越来越多的机构和个人开始研究垂直轴风力发电机,并取得了长足的发展。图六阻力发电机 图七升力发电机