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风机叶片创新设计与研究

供稿人:朱文韵  供稿时间:2017-5-23   关键字:风力发电  风机  叶片  

风机叶片是风电机组最重要的部分,它的可靠性和寿命决定了风电机组的效率、稳定性和实用性。叶片在各种环境条件下服役,包括翼面向弯曲载荷、沿边弯曲载荷、重力载荷、惯性力以及由于倾斜加速和扭转产生的载荷。美国桑迪亚国家实验室、德国西门子公司、法国巴黎大学的研究人员对风机叶片的型式开展了创新型研究。

1、美国桑迪亚国家实验室

巨型(Mammoth)风电机组叶片的新型设计由美国桑迪亚国家实验室完成,该风电机组叶片长度超过两个足球场,适用于50MW海上风电机组。桑迪亚实验室正试图研制低成本的50MW海上风电机组,装配叶片长度超过200米,是现有风电机组叶片的2.5倍以上。该叶片的设计者为桑迪亚国家实验海上风能项目技术主管托德·格里夫斯。

超规模风电机组在规模经济上更具优势。桑迪亚国家实验室已研制13MW风电机组,其采用长度为100米的叶片,这也是桑迪亚国家实验室分段超轻变形风轮(Segmented ultralight morphing rotor, SUMR)设计的基础,即低成本50MW海上风电机组。在危险风速状态下,叶片收拢并与风向保持一致,降低受损风险。在低风速状态下,叶片可伸展以获取最多的风能(图1)。

图1 桑迪亚国家实验室风机叶片设计图

2、德国西门子公司

在2016年德国风能汉堡商贸展会上,西门子公司推出了一款低噪音风机叶片——第二代“暴龙尾巴”(DinoTail)叶片,叶片的改进设计灵感来自猫头鹰的尾巴。第二代“暴龙尾巴”风机叶片在低噪声空气动力学叶片的梳齿结构基础上增加了鹰尾边缘的仿生学设计。在噪音受限制的地区,这项新技术可在提升风电产量的同时避免噪音增大。新型梳齿叶片将取代西门子用于陆上风电机组上的第一代“暴龙尾巴”(DinoTail)叶片(图2),并即将投入量产,成为西门子SWT-3.3-130LN型低噪声风电机组的关键部件。

图2 西门子DinoTail第一代(左)和第二代(右)风机叶片

 

3、法国巴黎大学

风机若要高效产电,风资源必须通过准确的桨距角穿越叶片,从而使风机获得最佳转矩。但是对昆虫翅膀而言,不存在这样的问题。因为昆虫翅膀灵活可变,例如蜜蜂和蜻蜓可以在飞行方向上直接获取空气动力载荷,提高动能。因为它们的翅膀在风中自然弯曲,避免损伤。受此启发,法国巴黎大学柯盖教授及其团队建造了三个不同风轮型式的小型风电机模型,一个是硬的合成树脂材料制造的刚性风轮;一个是较易弯曲的;还有一个是采用聚对苯二甲酸乙二醇酯柔性材料制造的极易弯曲的风轮。

风洞试验结果显示,极易弯曲的叶片太过软弱,其产生的电量是最小的。但是,较易弯曲的叶片发电量优于刚性叶片35%,且适应的风况范围更宽。试验结果证明,发电效率的提升原因在于桨距角的变化:风机叶片受风压和离心效果作用可来回弯曲,桨距角轻微变化。在低风速条件下,桨距角越大,发电效率越高;在高风速条件下,桨距角越小,则发电效果越佳,高风速使得风轮转速提高,风轮向前弯曲从而轻微减小桨距角,使得风机发电量更高。

该研究团队上述成果发表在2017年2月的《伦敦皇家学会会报A:数学、物理学与工程学》,其下一步研究重点是寻找合适的材料制造出全尺寸风机模型。

 

参考文献:

1、Siemens low noise wind turbine blades inspired by silent flight of the owl, https://www.siemens.com/press/pool/de/pressemitteilungen/2016/windpower-renewables/PR2016090418WPEN.pdf

2、Mammoth 50MW wind turbine blades could revolutionize offshore wind in US,  https://cleantechnica.com/2016/01/29/mammoth-50-mw-wind-turbine-blades- revolutionise-offshore-wind-us/

3、wind turbines inspired by insect wings are 35% more efficient, http://www.sciencemag.org/news/2017/02/wind-turbines-inspired-insect-wings-are-35-more-efficient

 

 


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