風力發電機葉片結構專利技術綜述

王萌，張濤

（國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津 300300）

1 風能的特點及利用基本情況

能源是經濟社會發展的命脈，一直受到世界各國的廣泛關注[1]。風能是在太陽輻射下空氣流動所形成的，是一種清潔、實用、經濟和環境友好的能源，可再生、無污染而且儲量巨大[2]。在人類利用風能的歷史中，出現過各種各樣的風力機。按照風輪旋轉軸的布置方式來分，可以分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機[3]。

水平軸風力發電機風輪的旋轉軸與氣流方向和地面平行，其主要的優點是風輪可以架設到離地面較高的地方，從而減少了地面擾動對風輪動態特性的影響；垂直軸風力發電機風輪的旋轉軸垂直于地面或者氣流方向，可以吸收來自任意方向風的能量，在風向改變的時候無需對風，不需要調向機構[4]。

2 葉片結構的主要影響因素及發展現狀

目前，國內外主要的葉片結構的改進有以下5種。

2.1 針對葉片前緣作出的結構改進

葉片前緣是葉片的前端，一般為圓或近似圓弧，以減小形狀阻力。目前，針對葉片前緣的結構改進，主要是在葉片前緣增加輔助葉片，比如專利文獻CN102562433A中提到的，風力發電機的葉片包括主轉子葉片和設置在主轉子葉片吸入側的輔助葉片。該輔助葉片的上游邊緣位于主轉子葉片的前緣下游，以此來獲得葉片更好的空氣動力學性能。

2.2 針對葉片后緣作出的結構改進

目前，針對葉片后緣的結構改進主要有以下2個方面。

2.2.1 鈍尾緣

在常規的葉片外形中，葉片大多是尖尾緣，這種結構在尾緣部分容易形成氣流的擾動，使得葉片捕獲風能的能力降低。隨著對葉片翼型的改善，鈍尾緣成為一種改進趨勢，相比于尖尾緣，相同攻角下繞翼型的環量增加，升力系數提高，升阻比也得到了提高，極大地改善了葉片的氣動性能，比如專利文獻CN104696167A和CN102459880A。

2.2.2 延伸后緣

在葉片的設計中，葉片后緣的噪聲一直是影響葉片性能的因素，為此，人們考慮在葉片后緣增加延長裝置。該延伸裝置可以是剛性，也可以是柔性，柔性的延伸裝置可以根據風速的大小調節其擺動的幅度，以更好地適應風速的變化帶來的葉片后緣處擾流的變化，比如專利文獻CN104234927A。

2.3 針對葉片葉尖作出的結構改進

在葉片的葉尖添加翼稍裝置，即葉尖小翼，其可降低轉子葉片葉尖處產生的翼展向氣流，從而減少轉子葉片上的誘導阻力。葉片小翼安裝在轉子葉片上還可以減小風力機的整體直徑，從而減小負載和葉片產生的噪聲。上述技術在專利文獻CN102465829A中可以得到證實。

2.4 針對葉片表面作出的結構改進

在葉片與氣流方向有攻角時，隨攻角增加升力會增大，阻力也會增加，如果攻角增加到一定程度，繞過吸力面的氣流無法連貫，形成分離，同時受外層氣流的帶動，向后緣流動，就會形成一個封閉的渦流，這樣的渦流導致葉片壓力面和吸力面的壓力差減小，發電系統的效率將大幅降低。為解決葉片表面渦流產生所帶來的問題，對葉片表面的形狀進行改進，使其能夠有效防止或延緩葉片的渦流分離。

2.4.1 葉片表面增加固定的凸起

為了有效改善葉片表面渦流所帶來的風力發電效率降低的問題，目前采用直接在葉片表面增加固定的凸起來解決。該凸起的形狀根據需要選擇，經過實踐與反復改進，專利文獻CN104279129A進一步設置該固定凸起為具有內圓角的凸起形狀。

2.4.2 葉片表面增加可調節的擾流板

固定的凸起固然可以起到改善葉片渦流的作用，然而，風是在時刻變化的，固定的凸起并不能時刻適應風速的變化，因此，專利文獻CN102953926A提供了一種可以調節的擾流板，同樣擾流板安裝在葉片上，并且根據葉片的負載能力情況，適當地調整擾流板組件，進而使葉片的調整將更加適應風速和風況的變化，改善葉片渦流問題。

2.4.3 對擾流板的開合的控制

為了適應風速的變化帶來的葉片渦流的變化，可調節的擾流板是目前較好的解決方法，而為了在收到控制器的指令后能夠盡快地作出調節反應，對擾流板控制的致動器的選擇也是研究的方向之一。

2.4.4 葉片表面開孔

另一種改善葉片表面渦流的方法是在葉片表面開孔，使得葉片表面與內部形成一個通道，用來緩解葉片表面的渦流。比如專利文獻CN102635494A中公開的，葉片包括一個吹掃管道，吹掃管道被限定在尖端中并且構造成用于從內部排出空氣，使得空氣降低尖端處的噪聲，并改善葉片表面的渦流。

2.5 分裂葉片

為使葉片能夠盡可能地捕獲較多的風能，最直接的方法是增加葉片的長度。因此，在對葉片的改進中，還有一種方法就是如專利文獻CN101400891A中所述，將葉片后緣改為多個小翼，其沿主葉片后緣方向逐漸增加且形狀逐漸減小，這些元件之間可以通過穩定的氣動結構相互固定，這樣不僅降低了運輸難度，同時還能提高葉片的氣動性能。

3 風力發電機葉片結構研究的展望

風力發電機是人們捕獲風能最主要的途徑，而葉片作為風力發電機主要的捕獲風能的裝置，對其不斷地探索、改進將極大地有助于提高風力發電的效率。經過多年的探索和發展，風力發電機葉片形成了基本的葉片形狀，并且針對基本形狀中產生的問題進行了一系列的研究和改進。基于目前對葉片的改進，有很多是在葉片上增加部件，而葉片大型化、輕便化是提高風能捕獲效率的最根本要求，在未來風力發電機葉片結構的改進中，這些要求也是必然要考慮的因素。同時，期望這方面的技術能夠獲得相關企業的廣泛關注，使得相關技術盡快轉化為實際產品，形成具有我國自主知識產權的風力發電機葉片結構體系。

［1］王毅，朱曉榮，趙書強.風力發電系統的建模與仿真［M］.北京：中國水利水電出版社，2015.

［2］蘇紹禹.風力發電機組設計、制造及風電場設計、施工［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［3］蓋曉玲，田德，王海寬，等.風力發電機葉片技術的發展概況與趨勢［J］.農村牧區機械化，2006（04）：53-56.

［4］潘藝，周鵬展，王進.風力發電機葉片技術發展概述［J］.湖南工業大學學報，2007（03）：48-51.