[发明专利]轻质组合桁架风轮机叶片

说明书

【相关专利申请的交叉参考】

本申请要求在2007年3月20日提交的美国第11/725,916号专利申请的优先权。

【技术领域】

本发明是有关一种翼型核心结构，尤其是有关风轮机叶片。

【技术背景】

随着人口增长以及在以前为无人区的地区发展新建社区，人们对电力的需求正在考验着能源供应商的能力。人们正在不断地寻求燃料或电力的新来源，并且对以前被认为开采效率较低的资源进行了进一步的研究以获取任何可获得的能源。然而，化石燃料，比如煤和石油，之前由于巨大的储量和便宜的价格而受到人们的欢迎。但是它们的消耗对环境造成有害影响，它们的价格也不断增加，因此现在人们正努力避免使用这些资源。另外，一些人认为美国已经对外国的燃料产生依赖性，因此我们应该寻求这些燃料来源的替代物。作为回应，工业界将越来越多的原先由基于石油的产品所驱动的机械转换为由电力驱动的产品。另外，人类越来越依赖电气设备来进行商业运营，人员运输，以及家庭运作。因此，对替代能源的寻求正吸引越来越多人的注意力，并且希望自然能源可以提供足够的洁净的能源以满足我们国家不断增长的能源需求。其中一个被希望能够帮助满足能源生产需求的来源是风力。

风力是将风能转化为更有用的形式，比如电。风能被很多人认为是大量的，可再生的，广泛分布的，以及洁净的能源，如果用于替代由化石燃料产生的电力，可缓和温室效应。风力主要被用于国家电网内的大规模风电场。由于当前发电机生产和安装的结构性能和经济障碍，小型的单个的涡轮机被用于为偏远地区或电网无法到达的区域供电。

大部分主要的发电形式是资本密集型的，也就是说在项目开始他们要求大量的投资，但运营费用较低(主要是燃料和维护费用)。风力发电尤其如此，因为它只需要很少的燃料费用以及相对较低的维护成本。然而，风力的预先花费的比例较高。风能的单位产量的成本般是基于单位产量成本的平均值，除其他项目外，它包括建造成本(包括材料成本)，借款，投资者回报，预计年产量。这些成本会被均摊于设备规划的生命周期，如果该发电装置保持耐用和高效，该生命周期可超过20年。这样，在建造一个风力发电站时，尽量降低设备过早损坏的风险，在一个给定地点汲取尽可能多的能量，成为一个重要目标。风力开采中最普通和应用最广泛的结构之一是风轮机。

风轮机是一种将来自风的动能转化为可直接用于机械，比如泵，的机械能，或者再将机械能转化为电能以为电气设备供电。风轮机是非常受欢迎的电力来源，因为它们不依赖燃烧化石燃料，而众所周知化石燃料的消耗是环境污染的一个原因。风轮机一般分为两种：水平轴风轮机和垂直轴风轮机。本申请主要讨论用于水平轴风轮机的叶片。这种风轮机在塔顶设有一个主转子轴和发电机，并且指向风中。一般的现代风轮机指向风中，并且由计算机控制的马达控制。叶片应被制成不易弯折并且强度足够高，以抵御由强风造成的搅力、剪力以及扭力。由于其叶片的设计以及安置有利于在风力驱动下自动启动和运转，水平轴风轮机是非常受欢迎的能量收获装置。

在实际操作中，风力发电机通常被安装于平均风速为10英里/小时以上的地方。理想的位置是整年拥有接近均匀的九湍流的风，并且没有过度的突发的强风。推荐的地点包括多风区域，比如丘陵地区的山脊线，海岸线，以及位于浅水区的近海平台。风轮机选址的一个重要考量是接近具有本地需求或输电能力的地点，然而，上述典型的位置一般都远离本地需求地点，尤其远离那些在平坦、低风速地区迅速增长的社区所产生的需求。低风速地区具有风力发电的潜力，然而，一些人认为当前的技术若被使用在这些地区附近则效率太低并且成本过高。

在风轮机的一般操作中，经过翼型上弧(upper camber)之上的空气必定比经过下弧(lower camber)之下的空气流动速度快。如此，将形成一个压力差，经过上弧的空气的压力低于经过下弧的空气的压力。这将在叶片上形成一个提升力，该提升力导致在转子轴上形成扭力，从而使得风轮机旋转。这样，能量从风轮机叶片上形成的扭力被获取。

影响风轮机系统效率的因素有多个。其中一个很重要的因素是叶片的长度，因为可被获取的总能量与叶片旋转时所形成的圆盘面积成正比，而该圆盘面积则与叶片长度的平方成正比。其他因素包括控制系统保持最佳尖速比(tip speed ratio)的能力。较低的叶片重量以及转子的低旋转惯性等因素可使控制系统更容易保持风速和叶片旋转速度的比，在风速波动时提高或降低转子转速。