[发明专利]风力发电机叶片和风力发电机

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电领域，特别涉及一种风力发电机叶片。本发明还涉及包括这种风力发电机叶片的风力发电机。

背景技术

风能在地球上的蕴含量巨大，全球的风能约为2.74×10⁹MW，其中可利用的风能为2×10⁷MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，特别是利用风能来发电。

使用风能来发电的发电机具有巨大的叶片，而且这些叶片正朝着大型化方向发展，即使在发电功率不变的情况下，叶片尺寸也在不断加大、加长。随着叶片尺寸的增加，叶片的质量也越来越大，这给发电机带来了较大的额外的载荷，降低了发电机的发电效率。因此，需要对这种叶片进行改进。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种风力发电机叶片。这种风力发电机叶片具有较大的尺寸，并且其重量也较小。

根据本发明的第一方面，提出了一种风力发电机叶片，包括具有迎风的压力区和背风的吸力区的中空主体，压力区包括沿叶片的长度方向而延伸的压力区梁和连接在压力区梁的两侧的压力区蒙皮；吸力区包括沿叶片的长度方向而延伸的吸力区梁和连接在吸力区梁的两侧的吸力区蒙皮，压力区蒙皮和吸力区蒙皮的对应边缘彼此密封相连，压力区梁和吸力区梁由碳纤维布和玻璃纤维布混合铺设并固化而成，碳纤维布的面密度小于玻璃纤维布的面密度。

根据本发明的风力发电机叶片，由于碳纤维布的面密度小于玻璃纤维部的面密度，因此使用碳纤维布代替部分玻璃纤维布能大大减小现有技术中的完全使用玻璃纤维布的压力区梁和吸力区梁的重量，从而大大减小了叶片的重量。在一个实施例中，所使用的碳纤维布的面密度为600g/m²，所使用的玻璃纤维布的面密度1215g/m²。

在一个实施例中，碳纤维布和玻璃纤维布以交替方式而铺设。这样，在实现减轻叶片质量的前提下，克服了因使用碳纤维布而引起的叶片稳定性不足的问题，保证了叶片的安全。

在一个优选的实施例中，压力区梁和吸力区梁的外表层和内表层均为碳纤维布。碳纤维布的强度和弹性大于玻璃纤维布的强度，通过在压力区梁和吸力区梁的外表层和内表层设置碳纤维布能够大大提高叶片的抗弯变形能力。

在一个实施例中，碳纤维布的纤维方向、玻璃纤维布的纤维方向与叶片的长度方向平行。这样铺设碳纤维布和玻璃纤维布使得叶片在其长度方向上具有最大的刚度。这样，能够显著提高叶片的抗弯性能，从而叶片不易发生变形，保证了叶片的空气动力学性能。此外，叶片的抗弯性能较高能够大幅提高叶片的一阶挥舞频率和一阶摆振频率。叶片的一阶挥舞频率和一阶摆振频率的提高可使得叶片的固有振动频率远离发电机的固有振动频率，由此能避免发电机和叶片产生共振，对发电机起到保护作用。

在一个实施例中，压力区梁的玻璃纤维布的起点形成压力区梁的起点，并且压力区梁的碳纤维布的起点朝向压力区梁的末端而偏离压力区梁的起点；压力区梁的碳纤维布的终点形成压力区梁的终点，并且压力区梁的玻璃纤维布的终点朝向压力区梁的起点而偏离压力区梁的终点。吸力区梁的结构与压力区梁的结构相同。通过这种铺设方式，使得更多的碳纤维布设置于为靠叶片的末端区域，从而使叶片质心更加偏向叶根，这样能够进一步提高叶片的振动频率。此外，由于叶片质心更加偏向叶根，使得发电机所承载的叶片产生的载荷降低，这有助于提高发电机的发电效率。

在一个具体的实施例中，压力区梁的碳纤维布的起点到压力区梁的起点的距离为压力区梁的总长度的15％。压力区梁的玻璃纤维布的终点到压力区梁的终点的距离为压力区梁的总长度的20％。吸力区梁的结构与压力区梁的结构相同。这种铺设方式，不但使得叶片质心更加偏向叶根，而且使得叶片的强度也较高。

在一个实施例中，在压力区梁和/或吸力区梁的内表层上设置有加强层。加强层能够进一步提高压力区梁和/或吸力区梁局部的抗屈曲失稳能力，提高叶片的稳定性。

在一个实施例中，在中空主体的内部设置有支撑在压力区梁和吸力区梁之间的腹板。腹板能够将压力区梁和吸力区梁分开，有助于保持叶片的形状。此外，腹板还提高压力区梁和吸力区梁的稳定性，并由此提高叶片的稳定性。

在一个优选的实施例中，腹板的数量为两个并且两个腹板为平行设置，加强层处于两个腹板之间。腹板和加强层对压力区梁和吸力区梁共同起到支撑作用，有助于保持叶片的形状，并进一步提高了叶片的稳定性。

根据本发明的第二方面，提出了一种风力发电机，其包括根据上文所述的叶片。