淺談風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

　　[摘 要]隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重，越來(lái)越多的國(guó)家投入到可再生能源技術(shù)的研究中，風(fēng)能是成熟的一種清潔能源，本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行深入研究。首先針對(duì)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，然后又提出了葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)，在完善葉片設(shè)計(jì)的同時(shí)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，以期為設(shè)計(jì)人員提供一種全新的設(shè)計(jì)參考模式。
　　[關(guān)鍵詞]風(fēng)況參數(shù)；掃略面積；遺傳算法
　　中圖分類號(hào)：S355 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2018）24-0339-01
　　引言
　　我國(guó)的東南沿海地帶風(fēng)能資源極為豐富，有效利用這些能源，就能夠在一定程度上緩解能源壓力。風(fēng)能的應(yīng)用形式有很多，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)最為常見(jiàn)，但是新時(shí)期對(duì)能源的需求較大，因此必須要提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的利用率，這就意味著要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的風(fēng)輪葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)
　　風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)利用風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因此判斷一個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能優(yōu)良的關(guān)鍵就是風(fēng)輪葉片。
　　1.1 風(fēng)況參數(shù)
　　在設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片時(shí)，首先需要考慮的就是風(fēng)切變情況。風(fēng)切變是指同一地點(diǎn)在垂直方向上因?yàn)楦叨炔煌�風(fēng)速也會(huì)發(fā)生變化，風(fēng)速會(huì)隨著高度的上升而增加，具體的函數(shù)變化規(guī)律如下：，其中Vn表示在高度Zn時(shí)的風(fēng)速，而Vi表示高度在Zi時(shí)的風(fēng)速。通過(guò)對(duì)上述公式的計(jì)算就能夠得出在固定高度處的風(fēng)速，比如，當(dāng)近地面1m處的風(fēng)速分別為3m/s、4m/s、6m/s時(shí)，高度30m處的風(fēng)速為6m/s、8m/s、12m/s[1]。除此之外，還要考慮年平均風(fēng)速、風(fēng)速的概率密度函數(shù)等風(fēng)況參數(shù)。
　　1.2 風(fēng)輪直徑
　　風(fēng)輪直徑是風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)平面上顯現(xiàn)出來(lái)的投影圓直徑被稱為風(fēng)輪直徑，風(fēng)輪直徑的大小直接決定了風(fēng)輪能夠產(chǎn)生的功率，而風(fēng)輪直徑的大小又是由風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率所決定的。除此之外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所在區(qū)域的海拔高度、風(fēng)輪風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率、傳動(dòng)系統(tǒng)以及發(fā)電機(jī)的效率因素等都會(huì)對(duì)風(fēng)輪直徑的大小造成影響，因此在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中，還要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率進(jìn)行計(jì)算，具體公式如下：，其中字母P表示的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率，ρ為空氣密度，V為設(shè)計(jì)風(fēng)速，D為風(fēng)輪直徑，Cp代表著風(fēng)能利用系數(shù)，而電機(jī)效率和傳動(dòng)效率則用η1和η2代表。
　　1.3 掃略面積
　　掃略面積則是風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)平面上顯現(xiàn)出來(lái)的投影圓面積，在求得風(fēng)輪直徑后，就能夠求出風(fēng)輪的掃略面積，隨著風(fēng)輪直徑的增加，掃略面積成平方比增加，具體關(guān)系式如下：，值得注意的是機(jī)組容量和機(jī)組性價(jià)比會(huì)受到掃略面積的影響�，F(xiàn)階段，世界上規(guī)模最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的風(fēng)輪直徑已經(jīng)達(dá)到了150m，常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：額定功率400KW，設(shè)計(jì)風(fēng)速11m/s，風(fēng)能利用系數(shù)Cp=0.44，效率η1、η2=0.81，空氣密度為1.225kg/m3，風(fēng)輪直徑為42m，葉片長(zhǎng)度為21m。除此之外，葉尖速比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、實(shí)度、翼型都是風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)時(shí)需要重考慮的參數(shù)內(nèi)容。
　　2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　2.1 葉片初步設(shè)計(jì)
　　葉片的設(shè)計(jì)要素，主要為翼型、扭角、弦長(zhǎng)等內(nèi)容決定，因此在葉片的初步設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，要對(duì)葉片各節(jié)的扭角和弦長(zhǎng)進(jìn)行確定，讓葉片達(dá)到最大風(fēng)能利用率。在初步設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首先需要確定葉片軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子，利用Wilson方法，得出當(dāng)葉片的軸向誘導(dǎo)因子為1/3時(shí)，風(fēng)能利用系數(shù)最大，繼而求出每個(gè)葉片在半徑上對(duì)應(yīng)不同葉素對(duì)應(yīng)的入流角，隨后利用關(guān)系式得到扭角。比如，本文選擇的翼型為：NACA63-2XX，對(duì)應(yīng)不同翼型之間的升阻比和攻角，就能夠得到具體的弦長(zhǎng)，然后就會(huì)得到葉片的參數(shù)值，以63-212翼型為例，升阻比為91.33627，而攻角為3.5，在代入相關(guān)公式后，得到了葉片參數(shù)半徑為21米，弦長(zhǎng)為0.9162米，扭角1.1091°，攻角3.5°[2]。下表為翼型的升阻比系數(shù)和升阻比最大時(shí)對(duì)應(yīng)的攻角：
　　在完成初步設(shè)計(jì)后，就要計(jì)算葉片效率，需要確定風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩和功率，這就需要確定氣流的軸向誘導(dǎo)因子和周向誘導(dǎo)因子。第一，將葉片分為7節(jié)，計(jì)算不同風(fēng)速下每節(jié)葉片的轉(zhuǎn)矩后，再通過(guò)轉(zhuǎn)矩計(jì)算得到每一節(jié)的效率，最后根據(jù)風(fēng)速出現(xiàn)的概率，累加葉片效率，繼而得到平均效率。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片外形氣動(dòng)設(shè)計(jì)就是在考慮了弦長(zhǎng)、扭角的基礎(chǔ)上，結(jié)合葉片效率所得的。
　　2.2 基于遺傳算法的葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化
　　風(fēng)輪葉片的優(yōu)化目標(biāo)是要在原有基礎(chǔ)上提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年平均效率，因此在基于翼型厚度變化完成葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)后，還要額外考慮到變槳距的問(wèn)題。依舊以翼型63-212為例，在綜合考慮葉片相對(duì)厚度變化和槳距角變化后，葉片參數(shù)值會(huì)發(fā)生一定的變化，其中翼型63-212的弦長(zhǎng)和扭角就發(fā)生了變化，分別變?yōu)?.6914m，0.4338°。
　　2.3 葉片氣動(dòng)性能對(duì)比
　　在經(jīng)過(guò)上述內(nèi)容以后，會(huì)得到具體的葉片優(yōu)化參數(shù)，但是想要保證葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法最優(yōu)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的對(duì)比分析，通過(guò)上述內(nèi)容，可以得到三組葉片參數(shù)。第一組，是在葉片初步設(shè)計(jì)后，得到的基礎(chǔ)葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，成為葉片1。第二組，基于翼型厚度變化所得到的葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，成為葉片2。第三組，就是在第二組基礎(chǔ)上，考慮槳距角變化所得到的葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，成為葉片3。對(duì)比過(guò)程可以分為兩個(gè)部分，分別為：外形參數(shù)對(duì)比和效率值對(duì)比，在對(duì)比過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法得到基本幾何參數(shù)后，再綜合考慮厚度變化和槳距角變化后得到的葉片設(shè)計(jì)參數(shù)，作為葉片的設(shè)計(jì)變量，風(fēng)輪葉片的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率提高了14.28%，從根本上提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率。
　　總結(jié)
　　綜上所述，風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，風(fēng)輪葉片設(shè)計(jì)的優(yōu)劣會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作效率造成影響，因此隨著能源消耗的加大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)也需要得到進(jìn)一步的完善，在同樣的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換更多的風(fēng)能。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 林鎖鑫，薛揚(yáng)詩(shī)，郭良祥，等.小功率（小型）風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015（23）：37-38.
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