可设定启动风速的高效风力发电机及其叶片.pdf

本发明公开了一种可设定启动风速的高效风力发电机及其叶片。所述风力发电机包括叶片，所述叶片包括一端用于安装的根部和另一端的叶尖，所述叶片邻近根部的安装角较大，并且所述叶片的弦长在邻近根部区域非线性加速增加。本发明可以在基本不损失发电功率的前提下实现低风速启动，大幅提高发电效率。

1.  一种风力发电机的叶片，其特征在于，所述叶片包括一端用于安装的根部和另一端的叶尖，所述叶片邻近根部的安装角较大，并且所述叶片的弦长在邻近根部区域非线性加速增加。

2.  根据权利要求1所述的风力发电机的叶片，其特征在于：所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述Crs和θrs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θ_rs＝θ_r×k_θrs
其中，Cr=16π·rCLBsin2(arccty(rRλo)3),]]>θr=23arccty(rRλo)-α,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。

3.  根据权利要求1所述的风力发电机的叶片，其特征在于：所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θ_rs＝θ_r×k_θrs
其中，Cr=8π(1-k2)(1+k2)1k4k42+1rBCL,]]>θ_r＝arccotk₄-α，k4=1+k31+k2(rRλo),]]>k3=1+1-k22(rRλo)2,]]>k2=cosk1(rRλo)2+1,]]>k1=13arctan(rRλo)+π3,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。

4.  根据权利要求2或3所述的风力发电机的叶片，其特征在于：所述调节系数a是2、3、4、5或6，所述a的数值与发电机和叶片的制造水平成反比。

5.  根据权利要求2或3所述的风力发电机的叶片，其特征在于：所述叶片长度比标准理论计算方法增加1％～15％，并且与启动风速成反比。

6.  根据权利要求2或3所述的风力发电机的叶片，其特征在于：所述叶片的叶尖处设有连接圆滑的小翼。

7.  根据权利要求2或3所述的风力发电机的叶片，其特征在于：所述小翼为对称翼型结构，长度为叶片设计长度的5％～10％，所述小翼从迎风面向后倾斜，倾斜角度为15度～60度，所述小翼沿着叶轮旋转平面顺风向向后倾斜，倾斜角度为8度～30度，小翼与所述叶尖的连接半径为小翼长度的1/4。

8.  一种风力发电机，包括叶片，其特征在于，所述叶片包括一端用于安装的根部和另一端的叶尖，所述叶片邻近根部的安装角较大，并且所述叶片的弦长在邻近根部区域非线性加速增加。

9.  根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于：所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述Crs和θrs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θ_rs＝θ_r×k_θrs
其中，Cr=16π·rCLBsin2(arccty(rRλo)3),]]>θr=23arccty(rRλo)-α,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。

10.  根据权利要求8所述的风力发电机，其特征在于：所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θ_rs＝θ_r×k_θrs
其中，Cr=8π(1-k2)(1+k2)1k4k42+1rBCL,]]>θr＝arccotk₄-α，k4=1+k31+k2(rRλo),]]>k3=1+1-k22(rRλo)2,]]>k2=cosk1(rRλo)2+1,]]>k1=13arctan(rRλo)+π3,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。

可设定启动风速的高效风力发电机及其叶片
技术领域
本发明涉及一种发电机，尤其涉及一种可设定启动风速的高效风力发电机及其叶片。
背景技术
风力发电机的叶片的设计理论有许多，如贝兹理论、涡流理论、叶素理论、动量理论等等，这些理论为风力发电机叶片设计和整机设计提供了极大的帮助。
源于贝兹理论的简化风车模型，是按照其理论上的最佳运行条件，不考虑叶片涡流的分布和影响，故其与实际运用有较大的差距；后期Schmits和Glauert充分考虑了风轮的中心涡、边界涡和叶尖的涡流等周向涡流和风轮后的涡流，产生了基于涡流和叶素理论的Schmits和Glauert设计模型，更进一步完善了叶片的设计理论；Wilson以Glauert设计模型为基础，进一步研究了叶片的尖部损失、升阻比对叶片最佳性能的影响和风轮在非设计工况下的性能，提出了Wilson的设计模型。除此以外，还有许多其他的空气动力学专家也研究了更多的相关理论，目前业界在风力发电机叶片设计中使用最多的设计方法是Schmits和Glauert模型。
以上各种叶片设计模型都是从叶片如何在额定风速下发挥最佳效率出发，设定叶片在标准旋转过程状态下作出的分析和推论，都没有考虑到启动风速等因素，使得目前市场上依照该类模型设计的叶片启动风速都较高，不易把握。在实际应用中，叶片在静止状态下与运动状态下，其设计的外部条件有很大的不同，使得设计的叶片存在启动风速高、效率低等问题。
2009年1月21日公开的中国发明专利申请第200810120290.8号揭露了一种风力发电机的风机结构，所述风机包括轮毂、压板和叶片。压板上设置第一通孔，叶片上设置有第二通孔，轮毂上设置有螺纹孔，第一螺钉分别穿过第一通孔和第二通孔与螺纹孔配合，第一通孔和第二通孔设置有螺钉调整间隙，轮毂的内侧设置有叶片顶起装置，用于将叶片顶起，螺钉调整间隙的存在，目的是使第一螺钉依然能够分别穿过压板和叶片固定在轮毂上，以达到调节叶片安装角度提高风能利用率的目的。
上述专利申请技术虽然能对叶片的安装角度因应不同环境而作出调整，但是，一旦风力发电机安装完毕，使用中则不能对叶片的安装角度进行调整，仍然无法满足既达到启动风速低发电效率又高的要求。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可设定启动风速的高效风力发电机及其叶片，可以在基本不损失发电功率的前提下实现低风速启动，大幅提高发电效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种风力发电机的叶片，所述叶片包括一端用于安装的根部和另一端的叶尖，所述叶片邻近根部的安装角较大，并且所述叶片的弦长在邻近根部区域非线性加速增加。
其中，所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述Crs和θrs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=16π·rCLBSin2(arccty(rRλo)3),]]>θr=23arccty(rRλo)-α,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。
其中，所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=8π(1-k2)(1+k2)1k4k42+1rBCL,]]>θr＝arccotk₄-α，k4=1+k31+k2(rRλo),]]>k3=1+1-k22(rRλo)2,]]>k2=cosk1(rRλo)2+1,]]>k1=13arctan(rRλo)+π3,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。
其中，所述调节系数a是2、3、4、5或6，所述a的数值与发电机和叶片的制造水平成反比。
其中，所述叶片长度比标准理论计算方法增加1％～15％，并且与启动风速成反比。
其中，所述叶片的叶尖处设有连接圆滑的小翼。
其中，所述小翼为对称翼型结构，长度为叶片设计长度的5％～10％，所述小翼从迎风面向后倾斜，倾斜角度为15度～60度，所述小翼沿着叶轮旋转平面顺风向向后倾斜，倾斜角度为8度～30度，小翼与所述叶尖的连接半径为小翼长度的1/4。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种风力发电机，包括叶片，所述叶片包括一端用于安装的根部和另一端的叶尖，所述叶片邻近根部的安装角较大，并且所述叶片的弦长在邻近根部区域非线性加速增加。
其中，所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述Crs和θrs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=16π·rCLBSin2(arccty(rRλo)3),]]>θr=23arccty(rRλo)-α,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。
其中，所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片在半径r处的叶片的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=8π(1-k2)(1+k2)1k4k42+1rBCL,]]>θr＝arccotk₄-α，k4=1+k31+k2(rRλo),]]>k3=1+1-k22(rRλo)2,]]>k2=cosk1(rRλo)2+1,]]>k1=13arctan(rRλo)+π3,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片的设计半径，所述a为调节系数。
本发明的有益效果是：区别于现有技术无法满足既达到启动风速低发电效率又高的要求的情况，本发明经过长期的理论分析和多次的实验，在标准理论特别是运用得较多的Schmits和Glauert模型的基础上引入启动风速等参数，对原计算模型进行了修正，解决了定浆距风力发电机的叶片设计与启动风速有关的理论和实践，可以在较大的范围内，根据启动风速的需要，设计与启动风速相关的叶片，并且相对现有技术基本不损失或少损失发电功率，极大地满足了行业内的需求，对风力发电机技术的发展起了一个较大的作用。经实验证明，启动风速值可以低至1.2～3.2米/秒，即在现有技术风力发电机无法启动的风力条件下，本发明能够顺利启动并发电，大幅提高发电效率。
附图说明
图1是本发明叶片实施例一的正面示意图；
图2是现有技术叶片在根部截面与本发明叶片在根部截面的对比示意图；
图3是本发明叶片实施例二的一立体示意图；
图4是本发明叶片实施例二的另一立体示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
为系统解决现有技术问题，发明人通过长期的理论分析和多次的实验，在运用得较多的Schmits和Glauert模型的基础上引入启动风速等参数，对原计算模型进行了修正，得到如图1以及图2所示的本发明风力发电机的叶片实施例。
参阅图1和图2，所述叶片10包括一端用于安装的根部11和另一端的叶尖12，所述叶片10邻近根部11的安装角θ_rs较大，也即图中的区域13的安装角θ_rs较其他区域大，并且所述叶片10的弦长C_rs在邻近根部11区域非线性加速增加，也即图中的区域13的弦长C_rs非线性加速增加，形成类似于突起的结构。图2中10’为现有叶片，其弦长C_rs’和安装角θ_rs’在邻近根部11处相比本发明都明显较小。
在叶片10邻近根部11的安装角θ_rs较大并且弦长C_rs在邻近根部11区域非线性加速增加，可以增加迎风面，提高流体经过叶片10时在叶片10上产生的力矩，同时又在发电时基本不影响整个发电功率或发电功率损失较小。
区别于现有技术无法满足既达到启动风速低发电效率又高的要求的情况，本发明经过长期的理论分析和多次的实验，在标准理论特别是运用得较多的Schmits和Glauert模型的基础上引入启动风速等参数，对原计算模型进行了修正，解决了定浆距风力发电机的叶片设计与启动风速有关的理论和实践，可以在较大的范围内，根据启动风速的需要，设计与启动风速相关的叶片，并且相对现有技术基本不损失或少损失发电功率，极大地满足了行业内的需求，对风力发电机技术的发展起了一个较大的作用。
其中，所述的非线性加速增加可以是一突起的形状，也可以是单边非线性加速增加的形状。
在另一个实施例中，所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片10在半径r处的叶片10的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=16π·rCLBSin2(arccty(rRλo)3),]]>θr=23arccty(rRλo)-α,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片10距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片10的设计半径，所述a为调节系数。
经实验证明，启动风速值可以低至1.2～3.2米/秒，即在现有技术风力发电机无法启动的风力条件下，本发明能够顺利启动并发电，大幅提高发电效率。
上述设计方法、修正理论及计算公式可以是在Schmits和Glauert计算模型基础(Schmits和Glauert计算模型见下附)上进行修正的。所述的Schmits和Glauert计算模型是指叶片10的弦长C_r和安装角θ_r参数。所述的弦长C_r和安装角θ_r是叶片10在半径r处的叶片10的翼型的弦长和安装角。所述的修正理论和计算公式是指经过推导、分析和实验后得到的在Schmits和Glauert计算模型的基础上辅以修正系数k_cs、后得到的叶片10的弦长C_rs和安装角θ_rs。所述的弦长C_rs和安装角θ_rs是经过修正后的叶片10在半径r处的叶片10的翼型的弦长和安装角。
在其中一个实施例中，所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片10在半径r处的叶片10的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=8π(1-k2)(1+k2)1k4k42+1rBCL,]]>θr＝arccotk₄-α，k4=1+k31+k2(rRλo),]]>k3=1+1-k22(rRλo)2,]]>k2=cosk1(rRλo)2+1,]]>k1=13arctan(rRλo)+π3,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片10距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片10的设计半径，所述a为调节系数。
其中，当k_crs大于或等于1时，修正后的弦长C_rs等于修正系数k_crs与弦长C_r的乘积；当修正系数k_crs为1的正负10％时，修正后的弦长C_rs可以等于弦长C_r。经修正后计算的叶片10弦长C_rs和安装角θ_rs及其修正在计算模型的合理扩展范围内，为现有设计修正理论及计算模型的计算结果上下各延伸10％数值以内，但仍然使用了叶片10的现有设计修正理论及计算模型的基本思想和思路。
经实验证明，启动风速值可以低至1.2～3.2米/秒，即在现有技术风力发电机无法启动的风力条件下，本发明能够顺利启动并发电，大幅提高发电效率。
上述各实施例的所述调节系数a是2、3、4、5或6，所述a的数值与发电机和叶片10的制造水平成反比。即水平越高，系数可以越小；否则则应该取较大值。
为更好提高发电机的发电效率，所述叶片10长度比标准理论计算方法增加1％～15％，并且与启动风速成反比。即启动风速要求越低，增加的数值就要越大。经过长度的增加后，因为修正系数k_crs和的可能影响而可能损失的发电功率完全可以弥补回来，甚至有所增加。
参阅图3和图4，在其他的实施例中，所述叶片10的叶尖12处设有连接圆滑的小翼14。所述小翼14为对称翼型结构，长度为叶片10设计长度的5％～10％，所述小翼14从迎风面向后倾斜，倾斜角度为15度～60度，所述小翼14沿着叶轮旋转平面顺风向向后倾斜，倾斜角度为8度～30度，小翼14与所述叶尖12的连接半径为小翼长度的1/4。在一些实施例中，可以在全部的叶片10长度内设置至少有两个以上的翼型。还参阅图1至图4，本发明还根据以上理论和设计提供一种风力发电机，包括叶片10，所述叶片10包括一端用于安装的根部11和另一端的叶尖12，所述叶片10邻近根部11的安装角较大，并且所述叶片10的弦长在邻近根部11区域非线性加速增加。
其中，所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片10在半径r处的叶片10的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=16π·rCLBSin2(arccty(rRλo)3),]]>θr=23arccty(rRλo)-α,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片10距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片10的设计半径，所述a为调节系数。
所述弦长C_rs和安装角θ_rs是叶片10在半径r处的叶片10的翼型弦长和安装角，所述C_rs和θ_rs分别为：
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
其中，Cr=8π(1-k2)(1+k2)1k4k42+1rBCL,]]>θr＝arccotk₄-α，k4=1+k31+k2(rRλo),]]>k3=1+1-k22(rRλo)2,]]>k2=cosk1(rRλo)2+1,]]>k1=13arctan(rRλo)+π3,]]>kcrs=π-vsπ2vs(rR)a,]]>kθrs=π(π-vsπ)6vs(rR)a,]]>所述Vs为预定的启动风速值，范围为1.2～3.2米/秒，所述r为叶片10距风轮中心距离为r处的值，所述R为叶片10的设计半径，所述a为调节系数。
根据本发明，在一个实例中，以2千瓦的风力发电机为设计目标并以为Schmitz的计算模型为例做一说明：
其设计的主要参数为：
额定功率：2000瓦
额定风速：12米/秒
额定转速：480转/分
理论计算风轮直径：2.9米
启动风速：2米/秒
调节系数：4
考虑到导流罩及启动风速的影响，将风轮直径修正为3.2米。
同时在半径比为0.75处前，
C_rs＝C_r×k_crs
Θrs=θr×kθrs]]>
半径比为0.75处后，采取θ_rs＝θ_r；
C_rs＝C_r
根据以上的主要参数，其计算对比结果如下：
表一：现有技术与本发明一实施例的叶片安装角和弦长对比

将半径比为0.2处的截面作为示例，以NACA4415的翼型设计的叶片10剖面数据和剖面图如下：
表二：现有技术与本发明一实施例的翼型设计中叶片剖面数据对比


本发明中，修正系数k_crs和的修正设计与包括但不仅仅限于翼型变化、翼型的升力系数或阻力系数、尖速比等气动参数无关，因此具有非常好的适用性和简便性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。