科创中国

我国能源短缺形势日益严重，仅2004年电力缺口已达3000万千瓦，2009年南方电力短缺又出现新的迹象，拉闸限电时有发生，而我国风力发电资源十分丰富，陆地及海上上可开发资源约为10亿千瓦,相当于2010年全国电力总装机容量1.2倍，并在地理和季节分布上亦可与其它能源互补。

我国对离网型小型风力发电机组的研制历来都高度重视，由于生产工艺的改进，以及国家政策的扶持，小型风机的风能利用效率以及产品的性价比正在逐步提高。离网型风力发电机叶片是把风能转化为转子动能的关键部件，叶片截面绝大部分为渐变型，设计优良的风机叶片不仅能很好的控制风载荷，同时也可以最大效率的利用风能。叶片占到风力发电整个装置成本的20%～25%,叶片的设计及其采用的材料决定着风力发电装置的性能和功率，也决定着其电力成本及价格，因此，材料的选择、力学性能分析、制备工艺的优化对风力发电转子叶片十分重要。小型风机叶片随着材料科学、空气动力学、结构力学和工艺学等学科的不断进步，如何能够高效率的生产出高质量低成本的小型风力机叶片，成为个风机制造商的主要竞争目标。

依据等截面小型风力机玻璃钢/聚酯基复合材料叶片的结构特点，本课题采用有限元分析软件对风机叶片进行数值模拟计算，结合复合材料拉伸、弯曲、剪切等力学实验进行验证，同时分析了离网型小型风机叶片的受力机理及破坏的原因，为小型风机叶片的设计与制造提供强有力的依据。所做的工作主要有下列几个方面:

1.对小型风力发电机叶片在运行中所受载荷进行分析，得出叶片在极限载荷及疲劳在和下的失效机理，为叶片设计提供依据。

2.通过单向复合材料拉伸、剪切实验对单向纤维复合材料进行了力学性能分析，得到复合材料在三个方向上的工程常数，为有限元分析提供相关材料数据。

3.利用ANSYS有限元分析软件，使用复合材料层合单元solid45对叶片模型进行了静力分析和模态分析，根据分析结果确定了材料层数和接合面尺寸，并得到叶片在不同风速下的应力情况图，同时确定出叶片的前五阶固有频率。

4.完成了高效率小型风力发电机叶片的设计方法及加工工艺研究。

5.本项目主要对小型风力发电机的叶片的设计及制造工艺过程展开研究，目的是探索生产适合各种极限载荷及极限恶劣环境,具有足够强度,能在风速下平稳运行的小型风力发电机叶片的设计与制造方法。

本项目具有以下创新点：

1.应用正六边形单胞模型进行有限元分析；

2.采用自主知识产权的吸风式风机；

3.采用等截面多叶片的叶轮设计，能够不采用刹车系统实现稳定的切出风速；

4.该风机机组部件设计实现异质结构复合材料设计，保证整机的低噪，以及叶片防飞逸特性，满足离网型风机应用要求。在前期实验过程中已经有所体现,设计完成能够达到国际先进水平。

该项目已获得1项发明专利、1项实用新型专利。