浅谈风力发电机叶片优化设计方法

　　[摘 要]随着环境污染日益严重，越来越多的国家投入到可再生能源技术的研究中，风能是成熟的一种清洁能源，本文针对风力发电机进行深入研究。首先针对叶片设计参数进行分析，然后又提出了葉片优化设计，在完善叶片设计的同时，提高风力发电机的风能转换效率，以期为设计人员提供一种全新的设计参考模式。
　　[关键词]风况参数；扫略面积；遗传算法
　　中图分类号：S355 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0339-01
　　引言
　　我国的东南沿海地带风能资源极为丰富，有效利用这些能源，就能够在一定程度上缓解能源压力。风能的应用形式有很多，其中风力发电机最为常见，但是新时期对能源的需求较大，因此必须要提高风力发电机的利用率，这就意味着要对风力发电机中的风轮叶片进行优化设计。
　　1.风力发电机叶片设计参数
　　风轮是风力发电机中的重要组成部分，风力发电机利用风轮将风能转化为机械能，因此判断一个风力发电机性能优良的关键就是风轮叶片。
　　1.1 风况参数
　　在设计风力发电机的叶片时，首先需要考虑的就是风切变情况。风切变是指同一地点在垂直方向上因为高度不同风速也会发生变化，风速会随着高度的上升而增加，具体的函数变化规律如下：，其中Vn表示在高度Zn时的风速，而Vi表示高度在Zi时的风速。通过对上述公式的计算就能够得出在固定高度处的风速，比如，当近地面1m处的风速分别为3m/s、4m/s、6m/s时，高度30m处的风速为6m/s、8m/s、12m/s[1]。除此之外，还要考虑年平均风速、风速的概率密度函数等风况参数。
　　1.2 风轮直径
　　风轮直径是风轮在旋转平面上显现出来的投影圆直径被称为风轮直径，风轮直径的大小直接决定了风轮能够产生的功率，而风轮直径的大小又是由风力发电机的额定功率所决定的。除此之外，风力发电机所在区域的海拔高度、风轮风能的转换效率、传动系统以及发电机的效率因素等都会对风轮直径的大小造成影响，因此在风力发电机的设计中，还要对风力发电机的输出功率进行计算，具体公式如下：，其中字母P表示的是风力发电机的额定功率，ρ为空气密度，V为设计风速，D为风轮直径，Cp代表着风能利用系数，而电机效率和传动效率则用η1和η2代表。
　　1.3 扫略面积
　　扫略面积则是风轮在旋转平面上显现出来的投影圆面积，在求得风轮直径后，就能够求出风轮的扫略面积，随着风轮直径的增加，扫略面积成平方比增加，具体关系式如下：，值得注意的是机组容量和机组性价比会受到扫略面积的影响。现阶段，世界上规模最大的风力发电机组中的风轮直径已经达到了150m，常见的风力发电机设计参数如下：额定功率400KW，设计风速11m/s，风能利用系数Cp=0.44，效率η1、η2=0.81，空气密度为1.225kg/m3，风轮直径为42m，叶片长度为21m。除此之外，叶尖速比、风轮转速、叶片数、实度、翼型都是风力发电机叶片设计时需要重考虑的参数内容。
　　2 风力发电机叶片优化设计
　　2.1 叶片初步设计
　　叶片的设计要素，主要为翼型、扭角、弦长等内容决定，因此在叶片的初步设计环节，要对叶片各节的扭角和弦长进行确定，让叶片达到最大风能利用率。在初步设计环节，首先需要确定叶片轴向诱导因子和周向诱导因子，利用Wilson方法，得出当叶片的轴向诱导因子为1/3时，风能利用系数最大，继而求出每个叶片在半径上对应不同叶素对应的入流角，随后利用关系式得到扭角。比如，本文选择的翼型为：NACA63-2XX，对应不同翼型之间的升阻比和攻角，就能够得到具体的弦长，然后就会得到叶片的参数值，以63-212翼型为例，升阻比为91.33627，而攻角为3.5，在代入相关公式后，得到了叶片参数半径为21米，弦长为0.9162米，扭角1.1091°，攻角3.5°[2]。下表为翼型的升阻比系数和升阻比最大时对应的攻角：
　　在完成初步设计后，就要计算叶片效率，需要确定风轮的转矩和功率，这就需要确定气流的轴向诱导因子和周向诱导因子。第一，将叶片分为7节，计算不同风速下每节叶片的转矩后，再通过转矩计算得到每一节的效率，最后根据风速出现的概率，累加叶片效率，继而得到平均效率。风力发电机的叶片外形气动设计就是在考虑了弦长、扭角的基础上，结合叶片效率所得的。
　　2.2 基于遗传算法的叶片设计优化
　　风轮叶片的优化目标是要在原有基础上提高风力发电机的年平均效率，因此在基于翼型厚度变化完成叶片优化设计后，还要额外考虑到变桨距的问题。依旧以翼型63-212为例，在综合考虑叶片相对厚度变化和桨距角变化后，叶片参数值会发生一定的变化，其中翼型63-212的弦长和扭角就发生了变化，分别变为0.6914m，0.4338°。
　　2.3 叶片气动性能对比
　　在经过上述内容以后，会得到具体的叶片优化参数，但是想要保证叶片优化设计方法最优，还需要进行进一步的对比分析，通过上述内容，可以得到三组叶片参数。第一组，是在叶片初步设计后，得到的基础叶片设计参数，成为叶片1。第二组，基于翼型厚度变化所得到的叶片设计参数，成为叶片2。第三组，就是在第二组基础上，考虑桨距角变化所得到的叶片设计参数，成为叶片3。对比过程可以分为两个部分，分别为：外形参数对比和效率值对比，在对比过程中发现，在利用传统设计方法得到基本几何参数后，再综合考虑厚度变化和桨距角变化后得到的叶片设计参数，作为叶片的设计变量，风轮叶片的风能转换效率提高了14.28%，从根本上提高了风力发电机的工作效率。
　　总结
　　综上所述，风轮是风力发电机的关键部件，风轮叶片设计的优劣会对风力发电机的工作效率造成影响，因此随着能源消耗的加大，风力发电机的叶片设计也需要得到进一步的完善，在同样的时间内转换更多的风能。
　　参考文献
　　[1] 林锁鑫，薛扬诗，郭良祥，等.小功率（小型）风力发电机叶片优化设计方法[J].中国高新技术企业，2015（23）：37-38.
　　[2] 张帅，魏源谊，王震，等.多目标风力发电机叶片外形参数优化设计[J].电网与清洁能源，2017，33（4）：125-130.

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