[发明专利]用于风力发电机叶片的等离子体控制装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用等离子体控制风力发电机叶片流动分离，以提高风力发电机风能利用效率的装置和方法。 

背景技术

风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们关注。风力发电机组是由叶片、传动系统、发电机以及电器系统等组成的发电装置。其中，叶片是风力发电机捕捉风能的部件，它直接将风能转化为机械能传递给发电机进行发电，是风力发电机中的关键部件。叶片对风能的利用率具有直接的影响，具有良好气动性能的叶片可提高整个机组的发电效率，但是大型风电叶片的雷诺数普遍较低，特别是在叶片与轮毂连接的区域，若直接采用适用于高雷诺数的航空翼型则很容易发生气流分离，造成气动力的显著损失和叶片失速，降低了叶片的能量捕获效率，同时导致叶片载荷增大。先进的叶片流动控制技术已成为制约风电技术大力发展的瓶颈技术之一。 

目前用于提高叶片气动性能的方法主要包括叶片翼型外形优化（基于CFD的大型风力发电机组叶片气动性能研究,哈尔滨工程大学学报,2012年5月,盛振国,李陈峰,任慧龙,刘小龙；）、安装副翼（一种改型叶片对风力发电机功率影响的分析,航空动力技术,2009年3月,王敏锋,李建锋；）、引入射流吹除（风力机翼型颤振及射流减振技术的气动弹性研究,太阳能学报,2002年8月,金琰,袁新；）、采用智能材料（智能材料的风机叶片振动主动控制分析,机械研究与应用,2009年第1期,乔印虎,易克传,易勇；）、变桨距（基于风速估计和风剪切的风力发电机组变桨距控制,河海大学学报（自然科学版）,2012年9月,杜静,谢双义,金鑫,钟翔,罗敏,何玉林；）。 

通过翼型外形优化对叶片气动性能的改善能力有限；在叶片前后缘安装副翼使得系统更加复杂，增大了叶片重量，且响应速度慢，维护保养多；利用射流吹除时，控制系统中包含大量射流管道，系统相当复杂，且吹气口容易堵塞，沙尘环境下难以正常工作，维护保养困难；智能材料提供的控制力小，存在滞后现象，而成本很高；变桨距需要复杂的控制系统，只能对桨叶进行整体控制，无法根据桨叶不同半径处的具体流动情况进行更加有针对性的控制。等离子体流动控制是一种新兴技术，在翼型转捩分离控制、激波控制以及降低表面摩擦 阻力等方面具有很大的应用潜力（介质阻挡放电等离子体流动控制研究进展,力学进展,2012年11月,聂万胜,程钰锋,车学科；），国内外正在研究利用等离子体提高低压涡轮泵（Unsteady plasma actuators for separation control of low-pressure turbine blades,AIAA Journal,July2006,Junhui Huang,Thomas C.Corke,Flint O.Thomas；）、压气机（Control of the corner separation in a compressor cascade by steady and unsteady plasma aerodynamic actuation,Experiment Fluids,2010,Ying-hong Li,Yun Wu,Min Zhou,Chang-bing Su,Xiong-wei Zhang,Jun-qiang Zhu；）、临近空间螺旋桨（等离子体提高螺旋桨桨根翼型气动性能的仿真研究,核聚变与等离子体物理,2012年,程钰锋,聂万胜,车学科；）叶片性能的方法，用于控制风力发电机叶片流动分离的研究报道非常少（A smart wind turbine blade using distributed plasma actuators for improved performance,AIAA2008-1312,Robert C.Nelson,Thomas C.Corke,Hesham Othman；），国内还没有见到相关研究。 

安装在湿冷地区的风力发电机组，结冰是影响风力机安全可靠性的主要因素之一。桨叶大量覆冰时，使风力机的效率降低，机组的输出功率减少；严重覆冰时还将导致风力发电机组非计划停机，影响电网系统的安全稳定运行。目前，还没有成熟的风力机桨叶除冰技术，对于桨叶覆冰的风力机，一般采取停机处理。谭海辉等人（风力机叶片超声波除冰理论与方法,中国电机工程学报,2010年12月,谭海辉，李录平，靳攀科，李芒芒；），对风力机叶片超声波除冰理论与方法进行了研究。目前直升机旋翼多采用电热防/除冰技术，但其系统重量大、功耗高，其它方法包括液体除冰、气动除冰、电脉冲除冰以及微波除冰等因各种原因未能达到工程应用要求。