风力发电机.docx

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
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

15,8,29,34
2静止物体重量

3运动物体的长度
8,15,29,34

......
…….
……
……
14强度
1,8,40,15
40,26,27,1
1,15,8,35

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7—9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