大型風(fēng)機(jī)葉片的設(shè)計(jì)改進(jìn)

　　1前言

　　20世紀(jì)80年代，石油、天然氣等化石資源大量消耗。化石能源的使用導(dǎo)致了全球嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，大氣和水資源遭受嚴(yán)重污染。酸雨問(wèn)題、溫室效應(yīng)和臭氧層破壞嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

　　風(fēng)能是綠色環(huán)保的可再生清潔能源，取之不盡，用之不竭。世界各國(guó)的開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是用風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能。這種能量轉(zhuǎn)換沒(méi)有給大氣造成任何污染。用風(fēng)力發(fā)電，可減少化石能源的消耗，每生產(chǎn)1kW·h風(fēng)電能就少排放約600g二氧化碳，對(duì)保護(hù)環(huán)境和生態(tài)平衡，改善能源結(jié)構(gòu)具有重要意義。目前風(fēng)電已經(jīng)成為世界上增長(zhǎng)最快的新能源，在各國(guó)能源總量中所占的比例正在提高。1990~2007年風(fēng)電成本降低了50%，與傳統(tǒng)能源成本相差不大。在過(guò)去的10年里，全球風(fēng)電裝機(jī)總量以每年超過(guò)28%的速度增長(zhǎng)，而且這種趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)下去。2006年，全球裝機(jī)近15000MW，市值約為230億美元。2006年底，全球風(fēng)電總裝機(jī)容量超過(guò)74000MW，足以供應(yīng)2500萬(wàn)普通歐洲家庭用戶電力需求。據(jù)國(guó)際能源署公布的資料，到2020年，全世界風(fēng)電容量將達(dá)到12.6億kW，是2002年世界風(fēng)電裝機(jī)容量的38.4倍，總投資約需6300億美元。目前歐洲在風(fēng)電技術(shù)和應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位，占全世界風(fēng)電裝機(jī)容量的74%。

　　葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有效捕捉風(fēng)能的關(guān)鍵部件，其成本約占總成本的1/3。在發(fā)電機(jī)功率一定的條件下，如何提高發(fā)電效率，捕獲更大的風(fēng)能，一直是風(fēng)力發(fā)電追求的目標(biāo)，而捕捉風(fēng)能力的提高與葉片的外形、長(zhǎng)度和面積有著密切的關(guān)系，葉片尺寸的大小則主要依賴于制造葉片的材料。單個(gè)葉片重量與風(fēng)輪半徑R近似成3次方關(guān)系。200kW葉片單片重量約800kg，600kW葉片單片重量約2t，1 MW玻璃纖維不能滿足要求。故現(xiàn)在的大型葉片在主要受力部件，尤其是在翼梁加人碳纖維作為增強(qiáng)材料來(lái)保證葉片能夠安全地承擔(dān)風(fēng)、冰雪、溫度等外界載荷。這樣，不僅可以提高葉片的力學(xué)性能，也由于碳纖維具有導(dǎo)電性，可以有效地避免雷擊對(duì)葉片造成損傷。

　　2氣動(dòng)性能設(shè)計(jì)改進(jìn)

　　風(fēng)輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)包括確定風(fēng)輪直徑、葉片數(shù)、葉片各剖面弦長(zhǎng)、厚度、扭角分布及選取剖面翼型。風(fēng)輪運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)過(guò)風(fēng)輪的氣流變化多端，沒(méi)有精確模型進(jìn)行模擬。而風(fēng)輪氣動(dòng)性能的計(jì)算除了與葉片本身的氣動(dòng)外形有關(guān)系外，還和周圍的氣流形式有很大關(guān)系，沒(méi)有精確的氣流理論模型，風(fēng)輪氣動(dòng)性能的計(jì)算只能是近似的，是從機(jī)翼氣動(dòng)理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，出現(xiàn)了兩種計(jì)算理論一種是葉素動(dòng)量理論，另一種是渦流理論。中國(guó)風(fēng)電材料設(shè)備網(wǎng)

　　葉素動(dòng)量理論實(shí)際上是綜合了動(dòng)量理論和葉素理論。BetZ采用一元定常流動(dòng)的動(dòng)量定理，研究理論狀態(tài)下風(fēng)輪的最大風(fēng)能利用系數(shù)，將風(fēng)輪看作一個(gè)純粹有能量轉(zhuǎn)換器。理論假定風(fēng)輪是理想的①流經(jīng)風(fēng)輪的氣流為不可壓縮均勻定常流；②不考慮摩擦力；③風(fēng)輪簡(jiǎn)化為一個(gè)圓盤(pán)，④整個(gè)圓盤(pán)面受均勻軸向力；⑤風(fēng)輪前后氣流滿足質(zhì)量連續(xù)性方程。作用在風(fēng)輪上推力均勻，應(yīng)用動(dòng)量方程，推導(dǎo)出風(fēng)能最大利用系數(shù)為0.593左右，這就是著名的Betz極限。