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大型风机叶片的设计改进

2012-07-11 17:00
吃瓜天狼
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  1前言

  20世纪80年代,石油、天然气等化石资源大量消耗。化石能源的使用导致了全球严重的环境问题,大气和水资源遭受严重污染。酸雨问题、温室效应和臭氧层破坏严重威胁着人类社会的可持续发展。

  风能是绿色环保的可再生清洁能源,取之不尽,用之不竭。世界各国的开发的重点是用风力发电机将风能转换成电能。这种能量转换没有给大气造成任何污染。用风力发电,可减少化石能源的消耗,每生产1kW·h风电能就少排放约600g二氧化碳,对保护环境和生态平衡,改善能源结构具有重要意义。目前风电已经成为世界上增长最快的新能源,在各国能源总量中所占的比例正在提高。1990~2007年风电成本降低了50%,与传统能源成本相差不大。在过去的10年里,全球风电装机总量以每年超过28%的速度增长,而且这种趋势还会持续下去。2006年,全球装机近15000MW,市值约为230亿美元。2006年底,全球风电总装机容量超过74000MW,足以供应2500万普通欧洲家庭用户电力需求。据国际能源署公布的资料,到2020年,全世界风电容量将达到12.6亿kW,是2002年世界风电装机容量的38.4倍,总投资约需6300亿美元。目前欧洲在风电技术和应用上处于领先地位,占全世界风电装机容量的74%。

  叶片是风力发电机组有效捕捉风能的关键部件,其成本约占总成本的1/3。在发电机功率一定的条件下,如何提高发电效率,捕获更大的风能,一直是风力发电追求的目标,而捕捉风能力的提高与叶片的外形、长度和面积有着密切的关系,叶片尺寸的大小则主要依赖于制造叶片的材料。单个叶片重量与风轮半径R近似成3次方关系。200kW叶片单片重量约800kg,600kW叶片单片重量约2t,1 MW玻璃纤维不能满足要求。故现在的大型叶片在主要受力部件,尤其是在翼梁加人碳纤维作为增强材料来保证叶片能够安全地承担风、冰雪、温度等外界载荷。这样,不仅可以提高叶片的力学性能,也由于碳纤维具有导电性,可以有效地避免雷击对叶片造成损伤。

  2气动性能设计改进

  风轮气动设计包括:确定风轮直径、叶片数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及选取剖面翼型。风轮运行环境复杂,经过风轮的气流变化多端,没有精确模型进行模拟。而风轮气动性能的计算除了与叶片本身的气动外形有关系外,还和周围的气流形式有很大关系,没有精确的气流理论模型,风轮气动性能的计算只能是近似的,是从机翼气动理论基础上发展而来,出现了两种计算理论:一种是叶素动量理论,另一种是涡流理论。中国风电材料设备网

  叶素动量理论实际上是综合了动量理论和叶素理论。BetZ采用一元定常流动的动量定理,研究理论状态下风轮的最大风能利用系数,将风轮看作一个纯粹有能量转换器。理论假定风轮是理想的:①流经风轮的气流为不可压缩均匀定常流;②不考虑摩擦力;③风轮简化为一个圆盘,④整个圆盘面受均匀轴向力;⑤风轮前后气流满足质量连续性方程。作用在风轮上推力均匀,应用动量方程,推导出风能最大利用系数为0.593左右,这就是著名的Betz极限。

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