風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)專利技術(shù)綜述

王萌，張濤

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300300）

1 風(fēng)能的特點(diǎn)及利用基本情況

能源是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的命脈，一直受到世界各國的廣泛關(guān)注[1]。風(fēng)能是在太陽輻射下空氣流動(dòng)所形成的，是一種清潔、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境友好的能源，可再生、無污染而且儲量巨大[2]。在人類利用風(fēng)能的歷史中，出現(xiàn)過各種各樣的風(fēng)力機(jī)。按照風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸的布置方式來分，可以分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)[3]。

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸與氣流方向和地面平行，其主要的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)輪可以架設(shè)到離地面較高的地方，從而減少了地面擾動(dòng)對風(fēng)輪動(dòng)態(tài)特性的影響；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或者氣流方向，可以吸收來自任意方向風(fēng)的能量，在風(fēng)向改變的時(shí)候無需對風(fēng)，不需要調(diào)向機(jī)構(gòu)[4]。

2 葉片結(jié)構(gòu)的主要影響因素及發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外主要的葉片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)有以下5種。

2.1 針對葉片前緣作出的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

葉片前緣是葉片的前端，一般為圓或近似圓弧，以減小形狀阻力。目前，針對葉片前緣的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，主要是在葉片前緣增加輔助葉片，比如專利文獻(xiàn)CN102562433A中提到的，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片包括主轉(zhuǎn)子葉片和設(shè)置在主轉(zhuǎn)子葉片吸入側(cè)的輔助葉片。該輔助葉片的上游邊緣位于主轉(zhuǎn)子葉片的前緣下游，以此來獲得葉片更好的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

2.2 針對葉片后緣作出的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前，針對葉片后緣的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要有以下2個(gè)方面。

2.2.1 鈍尾緣

在常規(guī)的葉片外形中，葉片大多是尖尾緣，這種結(jié)構(gòu)在尾緣部分容易形成氣流的擾動(dòng)，使得葉片捕獲風(fēng)能的能力降低。隨著對葉片翼型的改善，鈍尾緣成為一種改進(jìn)趨勢，相比于尖尾緣，相同攻角下繞翼型的環(huán)量增加，升力系數(shù)提高，升阻比也得到了提高，極大地改善了葉片的氣動(dòng)性能，比如專利文獻(xiàn)CN104696167A和CN102459880A。

2.2.2 延伸后緣

在葉片的設(shè)計(jì)中，葉片后緣的噪聲一直是影響葉片性能的因素，為此，人們考慮在葉片后緣增加延長裝置。該延伸裝置可以是剛性，也可以是柔性，柔性的延伸裝置可以根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)節(jié)其擺動(dòng)的幅度，以更好地適應(yīng)風(fēng)速的變化帶來的葉片后緣處擾流的變化，比如專利文獻(xiàn)CN104234927A。

2.3 針對葉片葉尖作出的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在葉片的葉尖添加翼稍裝置，即葉尖小翼，其可降低轉(zhuǎn)子葉片葉尖處產(chǎn)生的翼展向氣流，從而減少轉(zhuǎn)子葉片上的誘導(dǎo)阻力。葉片小翼安裝在轉(zhuǎn)子葉片上還可以減小風(fēng)力機(jī)的整體直徑，從而減小負(fù)載和葉片產(chǎn)生的噪聲。上述技術(shù)在專利文獻(xiàn)CN102465829A中可以得到證實(shí)。

2.4 針對葉片表面作出的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在葉片與氣流方向有攻角時(shí)，隨攻角增加升力會增大，阻力也會增加，如果攻角增加到一定程度，繞過吸力面的氣流無法連貫，形成分離，同時(shí)受外層氣流的帶動(dòng)，向后緣流動(dòng)，就會形成一個(gè)封閉的渦流，這樣的渦流導(dǎo)致葉片壓力面和吸力面的壓力差減小，發(fā)電系統(tǒng)的效率將大幅降低。為解決葉片表面渦流產(chǎn)生所帶來的問題，對葉片表面的形狀進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠有效防止或延緩葉片的渦流分離。

2.4.1 葉片表面增加固定的凸起

為了有效改善葉片表面渦流所帶來的風(fēng)力發(fā)電效率降低的問題，目前采用直接在葉片表面增加固定的凸起來解決。該凸起的形狀根據(jù)需要選擇，經(jīng)過實(shí)踐與反復(fù)改進(jìn)，專利文獻(xiàn)CN104279129A進(jìn)一步設(shè)置該固定凸起為具有內(nèi)圓角的凸起形狀。

2.4.2 葉片表面增加可調(diào)節(jié)的擾流板

固定的凸起固然可以起到改善葉片渦流的作用，然而，風(fēng)是在時(shí)刻變化的，固定的凸起并不能時(shí)刻適應(yīng)風(fēng)速的變化，因此，專利文獻(xiàn)CN102953926A提供了一種可以調(diào)節(jié)的擾流板，同樣擾流板安裝在葉片上，并且根據(jù)葉片的負(fù)載能力情況，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整擾流板組件，進(jìn)而使葉片的調(diào)整將更加適應(yīng)風(fēng)速和風(fēng)況的變化，改善葉片渦流問題。

2.4.3 對擾流板的開合的控制

為了適應(yīng)風(fēng)速的變化帶來的葉片渦流的變化，可調(diào)節(jié)的擾流板是目前較好的解決方法，而為了在收到控制器的指令后能夠盡快地作出調(diào)節(jié)反應(yīng)，對擾流板控制的致動(dòng)器的選擇也是研究的方向之一。

2.4.4 葉片表面開孔

另一種改善葉片表面渦流的方法是在葉片表面開孔，使得葉片表面與內(nèi)部形成一個(gè)通道，用來緩解葉片表面的渦流。比如專利文獻(xiàn)CN102635494A中公開的，葉片包括一個(gè)吹掃管道，吹掃管道被限定在尖端中并且構(gòu)造成用于從內(nèi)部排出空氣，使得空氣降低尖端處的噪聲，并改善葉片表面的渦流。

2.5 分裂葉片

為使葉片能夠盡可能地捕獲較多的風(fēng)能，最直接的方法是增加葉片的長度。因此，在對葉片的改進(jìn)中，還有一種方法就是如專利文獻(xiàn)CN101400891A中所述，將葉片后緣改為多個(gè)小翼，其沿主葉片后緣方向逐漸增加且形狀逐漸減小，這些元件之間可以通過穩(wěn)定的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)相互固定，這樣不僅降低了運(yùn)輸難度，同時(shí)還能提高葉片的氣動(dòng)性能。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)研究的展望

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是人們捕獲風(fēng)能最主要的途徑，而葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的捕獲風(fēng)能的裝置，對其不斷地探索、改進(jìn)將極大地有助于提高風(fēng)力發(fā)電的效率。經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片形成了基本的葉片形狀，并且針對基本形狀中產(chǎn)生的問題進(jìn)行了一系列的研究和改進(jìn)?；谀壳皩θ~片的改進(jìn)，有很多是在葉片上增加部件，而葉片大型化、輕便化是提高風(fēng)能捕獲效率的最根本要求，在未來風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)的改進(jìn)中，這些要求也是必然要考慮的因素。同時(shí)，期望這方面的技術(shù)能夠獲得相關(guān)企業(yè)的廣泛關(guān)注，使得相關(guān)技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品，形成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)體系。

［1］王毅，朱曉榮，趙書強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真［M］.北京：中國水利水電出版社，2015.

［2］蘇紹禹.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、制造及風(fēng)電場設(shè)計(jì)、施工［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［3］蓋曉玲，田德，王海寬，等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)的發(fā)展概況與趨勢［J］.農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2006（04）：53-56.

［4］潘藝，周鵬展，王進(jìn).風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片技術(shù)發(fā)展概述［J］.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（03）：48-51.