浅析复合材料风力发电机叶片

作者：李靖

来源：《科技与企业》2016年第03期

【摘要】由于自然资源的限制和对环境的保护，人类已经把目光投向风力发电领域，把风能作为新型能源。本文简述了风机的原理及叶片的作用、风机叶片设计流程简介及大型风力发电叶片的技术状况分析及其质量控制。

【关键词】复合材料；风机叶片；风力发电

1.风机的原理及叶片的作用

目前国内外的风力发电机普遍应用的是水平轴和垂直轴两大类，其中，水平轴风力发电机是旋转轴与叶片垂直，一般与地面平行的，旋转轴处于水平的风力发电机。垂直轴风力发电机则是旋转轴与叶片平行的，一般与地面垂直，旋转轴处于垂直的风力发电机。目前，大型的风力发电机大多数属于水平轴的，所以市场以水平轴升力型居多。一部典型的现代化水平轴升力型风力发电机主要包括叶片、轮毂（与叶片合称叶轮）、齿轮箱、基座、机舱罩、塔架、发电机、控制系统、制动系统、液压装置、偏航系统等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮通过主轴连接齿轮箱，经过齿轮箱（或增速机）加速后带动发电机发电。风力发电机不能将所有流经的风能转换成电能，理论上最高转换效率约为59%左右，但实际上大多数风力叶片的转换效率约在30%～50%之间，经过机电设备之后转换成电能的总输出效率约在20%～45%之间。风机叶片从风的流动获得的能量与风速的3次方成正比，与叶轮的直径平方成正比，叶轮直径决定了可撷取风能的多寡。叶片的数量的多少也会影响到风机的输出。一般来说，2叶、3叶的风机效率较高，力矩较低，适用于发电。现代风机叶片一般采用机翼翼型。

2.风机叶片设计流程简介

2.1确定总体参数。（1）确定风轮直径。通过运用给定的公式和参数来进行风轮直径的计算。（2）叶尖速比λ0和叶片数B。风轮的叶片数和叶尖的速比系数及风轮的转速有着密切的联系，风轮叶片数越多，风轮的阻力就越大，风轮的转速也就越慢。对于高速风力发电机来说，叶尖速比在5到8范围内时，风力发电机具有相对较高的风能利用系数。目前国内外的大型风力发电机采用三叶片的较多，三叶片风力机的运行和输出功率方面较为平稳，并且具有很好的旋转特性及视觉效果。（3）选择翼型。翼型的选型对风力发电机的效率十分重要，较好的翼型应该是在某一攻角范围内且升力系数较高，而相应的阻力系数较小；它所适应的雷诺数与风力机实际运行情况的雷诺数相近；并且具有较好的制造工艺性。由于风力发电机叶片的气动性能对其气动外形要求较高，每个叶片都有属于自己不同型号的翼型，这些翼型对风力发电机的效率有着重要影响，因此翼型的选择对叶片的设计有着至关重要的作用。