风力发电机叶片结构专利技术综述

王萌，张涛

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300300）

1 风能的特点及利用基本情况

能源是经济社会发展的命脉，一直受到世界各国的广泛关注[1]。风能是在太阳辐射下空气流动所形成的，是一种清洁、实用、经济和环境友好的能源，可再生、无污染而且储量巨大[2]。在人类利用风能的历史中，出现过各种各样的风力机。按照风轮旋转轴的布置方式来分，可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机[3]。

水平轴风力发电机风轮的旋转轴与气流方向和地面平行，其主要的优点是风轮可以架设到离地面较高的地方，从而减少了地面扰动对风轮动态特性的影响；垂直轴风力发电机风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向，可以吸收来自任意方向风的能量，在风向改变的时候无需对风，不需要调向机构[4]。

2 叶片结构的主要影响因素及发展现状

目前，国内外主要的叶片结构的改进有以下5种。

2.1 针对叶片前缘作出的结构改进

叶片前缘是叶片的前端，一般为圆或近似圆弧，以减小形状阻力。目前，针对叶片前缘的结构改进，主要是在叶片前缘增加辅助叶片，比如专利文献CN102562433A中提到的，风力发电机的叶片包括主转子叶片和设置在主转子叶片吸入侧的辅助叶片。该辅助叶片的上游边缘位于主转子叶片的前缘下游，以此来获得叶片更好的空气动力学性能。

2.2 针对叶片后缘作出的结构改进

目前，针对叶片后缘的结构改进主要有以下2个方面。

2.2.1 钝尾缘

在常规的叶片外形中，叶片大多是尖尾缘，这种结构在尾缘部分容易形成气流的扰动，使得叶片捕获风能的能力降低。随着对叶片翼型的改善，钝尾缘成为一种改进趋势，相比于尖尾缘，相同攻角下绕翼型的环量增加，升力系数提高，升阻比也得到了提高，极大地改善了叶片的气动性能，比如专利文献CN104696167A和CN102459880A。

2.2.2 延伸后缘

在叶片的设计中，叶片后缘的噪声一直是影响叶片性能的因素，为此，人们考虑在叶片后缘增加延长装置。该延伸装置可以是刚性，也可以是柔性，柔性的延伸装置可以根据风速的大小调节其摆动的幅度，以更好地适应风速的变化带来的叶片后缘处扰流的变化，比如专利文献CN104234927A。

2.3 针对叶片叶尖作出的结构改进

在叶片的叶尖添加翼稍装置，即叶尖小翼，其可降低转子叶片叶尖处产生的翼展向气流，从而减少转子叶片上的诱导阻力。叶片小翼安装在转子叶片上还可以减小风力机的整体直径，从而减小负载和叶片产生的噪声。上述技术在专利文献CN102465829A中可以得到证实。

2.4 针对叶片表面作出的结构改进

在叶片与气流方向有攻角时，随攻角增加升力会增大，阻力也会增加，如果攻角增加到一定程度，绕过吸力面的气流无法连贯，形成分离，同时受外层气流的带动，向后缘流动，就会形成一个封闭的涡流，这样的涡流导致叶片压力面和吸力面的压力差减小，发电系统的效率将大幅降低。为解决叶片表面涡流产生所带来的问题，对叶片表面的形状进行改进，使其能够有效防止或延缓叶片的涡流分离。

2.4.1 叶片表面增加固定的凸起

为了有效改善叶片表面涡流所带来的风力发电效率降低的问题，目前采用直接在叶片表面增加固定的凸起来解决。该凸起的形状根据需要选择，经过实践与反复改进，专利文献CN104279129A进一步设置该固定凸起为具有内圆角的凸起形状。

2.4.2 叶片表面增加可调节的扰流板

固定的凸起固然可以起到改善叶片涡流的作用，然而，风是在时刻变化的，固定的凸起并不能时刻适应风速的变化，因此，专利文献CN102953926A提供了一种可以调节的扰流板，同样扰流板安装在叶片上，并且根据叶片的负载能力情况，适当地调整扰流板组件，进而使叶片的调整将更加适应风速和风况的变化，改善叶片涡流问题。

2.4.3 对扰流板的开合的控制

为了适应风速的变化带来的叶片涡流的变化，可调节的扰流板是目前较好的解决方法，而为了在收到控制器的指令后能够尽快地作出调节反应，对扰流板控制的致动器的选择也是研究的方向之一。

2.4.4 叶片表面开孔

另一种改善叶片表面涡流的方法是在叶片表面开孔，使得叶片表面与内部形成一个通道，用来缓解叶片表面的涡流。比如专利文献CN102635494A中公开的，叶片包括一个吹扫管道，吹扫管道被限定在尖端中并且构造成用于从内部排出空气，使得空气降低尖端处的噪声，并改善叶片表面的涡流。

2.5 分裂叶片

为使叶片能够尽可能地捕获较多的风能，最直接的方法是增加叶片的长度。因此，在对叶片的改进中，还有一种方法就是如专利文献CN101400891A中所述，将叶片后缘改为多个小翼，其沿主叶片后缘方向逐渐增加且形状逐渐减小，这些元件之间可以通过稳定的气动结构相互固定，这样不仅降低了运输难度，同时还能提高叶片的气动性能。

3 风力发电机叶片结构研究的展望

风力发电机是人们捕获风能最主要的途径，而叶片作为风力发电机主要的捕获风能的装置，对其不断地探索、改进将极大地有助于提高风力发电的效率。经过多年的探索和发展，风力发电机叶片形成了基本的叶片形状，并且针对基本形状中产生的问题进行了一系列的研究和改进。基于目前对叶片的改进，有很多是在叶片上增加部件，而叶片大型化、轻便化是提高风能捕获效率的最根本要求，在未来风力发电机叶片结构的改进中，这些要求也是必然要考虑的因素。同时，期望这方面的技术能够获得相关企业的广泛关注，使得相关技术尽快转化为实际产品，形成具有我国自主知识产权的风力发电机叶片结构体系。

［1］王毅，朱晓荣，赵书强.风力发电系统的建模与仿真［M］.北京：中国水利水电出版社，2015.

［2］苏绍禹.风力发电机组设计、制造及风电场设计、施工［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［3］盖晓玲，田德，王海宽，等.风力发电机叶片技术的发展概况与趋势［J］.农村牧区机械化，2006（04）：53-56.

［4］潘艺，周鹏展，王进.风力发电机叶片技术发展概述［J］.湖南工业大学学报，2007（03）：48-51.