[发明专利]水平轴风力发电机叶片

说明书

技术领域

水平轴风力发电机叶片，属于风力发电设备领域，具体涉及一种水平轴风力发电机上用的叶片。

背景技术

目前，风力发电设备主要分两种：一种是水平轴风力发电机，这种风力发电机的优点是效率较高，造价低。现在水平轴风力发电机主要采用的是整体以刚性为主的直的飞机螺旋桨式的叶片，特别是大型的水平轴风力发电机都是采用这种叶片。当风吹叶片时，叶片的斜面会产生向前转动的动力，这个力自转轴至叶片尖端产生的力矩成线性增加，这也是这种叶片产生的唯一的动力。叶片斜面与转动的平面成45度倾角时，风能转化为动能的转化率最高接近50%，但是，倾角越大，叶片转动时阻力也越大，由公式G=1/2CSρω²R² 看出G(阻力）与C(阻力系数）、S(迎风面积）成正比，与ω²(转动角速度的平方）成正比，与R²(叶片的长度的平方）成正比，ρ是空气密度，由此可见，倾斜角度越大阻力增加的速度是非常巨大的。

因为，C(阻力系数）和S(迎风面积）随着倾斜角的增加而增加，G(阻力）与ω²(叶片转动角速度的平方）与R²(叶片的长度的平方）也是成正比的关系，而与ω（转动角速度）、R(叶片的长度）的增加呈现的是平方关系，就是说叶片自根部至末端受到风的阻力是加速变大的，因此，叶片斜面的倾角从根部到末端只能加速的变小，当然动力转化率也越来越小，为了减少阻力，叶片从根部到末端只能做的越来越薄，越来越窄。根据力矩公式 M=FR，M(叶片上某点风能转化的动力力矩）与R(叶片上某点距转轴的距离）成正比关系，人们非常希望从叶片的根部到末端叶片的宽度越来越大，产生的动力力矩才会更大，但是，从上面的阻力公式看出，这样阻力增加的速度会更大。所以叶片从根部到末端只能是越来越窄，因此现在普遍推广运用的直的螺旋桨式的叶片将风能转化成动能的效率很低。

现有风力发电机的叶片还存在的一个致命缺点是，现在的叶片是空心的整体刚性构造的，断面又是异形复杂的（一般为鱼的俯视图形状，这是由接风效果好，转动阻力小的要求决定的），当风很小时，叶片不会扭动，叶片的末端风能转化率很低，产生的转动力矩很小，叶片不会转动。当大风吹动叶片时，叶片会受到很大的扭矩和弯矩，但是叶片是异形的，是刚性的，是不允许伸缩扭动变形的，所以在叶片刀口最薄处最容易被疲劳撕裂，由于叶片是刚性整体结构，叶片的厚度很厚，再加上支撑结构，所以重量很大，当叶片转动时，它巨大的向心力不会产生前进动力反而成了负担。之所以得到广泛的推广，只因为它绿色环保，利用了取之不尽用之不竭的风的能量。

第二种风力发电设备是垂直轴风力发电机，该种风力发电机叶片也是刚性的，其形式是多种多样的，但万变不离其宗，它转动发电的原理，主要是通过叶片正反两面对风的阻力不同形成阻力差，两个阻力的差就是转动的动力，这种风力发电机结构虽然简单，制作难度低，但造价却不低，而且效率低下，因此，这种风力发电机利用率低，推广差，发展潜力小。

此外，水平轴风力发电机的叶片还存在其他的几种，它们的变化主要表现在：叶片的数量、叶片宽窄的变化、叶片断面弯曲度的变化以及在叶片中间及末端增加支撑，为了叶片末端能宽大一些，有的在两叶片之间外端，在支撑上又加了叶片，为了增加风对叶片的压力，有的在叶片的末端加了一个漏斗形的圆筒，等等。纵使千变万化，但它获得前进动力的原理是一样的，都是因为风吹到倾斜的叶片上产生了转动的动力，叶片上宽度的变化、增加的支撑、增加的圆筒、支撑上增加的叶片等等增加的动力并不大，因为它们都是刚性的，受力是死板的，它们同时增加了很大的阻力，很大的重量，结构不合理，不安全，造价高，各种因素综合起来分析，它们的发电效率还不如普通的螺旋桨式叶片的发电机高，所以，并不适合大范围的推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种阻力小，转动速度快、效率高、风能转化效率高、使用寿命长的水平轴风力发电机叶片。