[摘 要]隨著環(huán)境污染日益嚴重，越來越多的國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，本文針對風(fēng)力發(fā)電機進行深入研究。首先針對葉片設(shè)計參數(shù)進行分析，然后又提出了葉片優(yōu)化設(shè)計，在完善葉片設(shè)計的同時，提高風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，以期為設(shè)計人員提供一種全新的設(shè)計參考模式。
　　[關(guān)鍵詞]風(fēng)況參數(shù)；掃略面積；遺傳算法
　　中圖分類號：S355 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）24-0339-01
　　引言
　　我國的東南沿海地帶風(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)電機最為常見，但是新時期對能源的需求較大，因此必須要提高風(fēng)力發(fā)電機的利用率，這就意味著要對風(fēng)力發(fā)電機中的風(fēng)輪葉片進行優(yōu)化設(shè)計。
　　1.風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計參數(shù)
　　風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機中的重要組成部分，風(fēng)力發(fā)電機利用風(fēng)輪將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，因此判斷一個風(fēng)力發(fā)電機性能優(yōu)良的關(guān)鍵就是風(fēng)輪葉片。
　　1.1 風(fēng)況參數(shù)
　　在設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機的葉片時，首先需要考慮的就是風(fēng)切變情況。風(fēng)切變是指同一地點在垂直方向上因為高度不同風(fēng)速也會發(fā)生變化，風(fēng)速會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時的風(fēng)速，而Vi表示高度在Zi時的風(fēng)速。通過對上述公式的計算就能夠得出在固定高度處的風(fēng)速，比如，當近地面1m處的風(fēng)速分別為3m/s、4m/s、6m/s時，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)電機的額定功率所決定的。除此之外，風(fēng)力發(fā)電機所在區(qū)域的海拔高度、風(fēng)輪風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率、傳動系統(tǒng)以及發(fā)電機的效率因素等都會對風(fēng)輪直徑的大小造成影響，因此在風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計中，還要對風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率進行計算，具體公式如下：，其中字母P表示的是風(fēng)力發(fā)電機的額定功率，ρ為空氣密度，V為設(shè)計風(fēng)速，D為風(fēng)輪直徑，Cp代表著風(fēng)能利用系數(shù)，而電機效率和傳動效率則用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：，值得注意的是機組容量和機組性價比會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)電機組中的風(fēng)輪直徑已經(jīng)達到了150m，常見的風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計參數(shù)如下：額定功率400KW，設(shè)計風(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，葉片長度為21m。除此之外，葉尖速比、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)、實度、翼型都是風(fēng)力發(fā)電機葉片設(shè)計時需要重考慮的參數(shù)內(nèi)容。
　　2 風(fēng)力發(fā)電機葉片優(yōu)化設(shè)計
　　2.1 葉片初步設(shè)計
　　葉片的設(shè)計要素，主要為翼型、扭角、弦長等內(nèi)容決定，因此在葉片的初步設(shè)計環(huán)節(jié)，要對葉片各節(jié)的扭角和弦長進行確定，讓葉片達到最大風(fēng)能利用率。在初步設(shè)計環(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，得出當葉片的軸向誘導(dǎo)因子為1/3時，風(fēng)能利用系數(shù)最大，繼而求出每個葉片在半徑上對應(yīng)不同葉素對應(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，然后就會得到葉片的參數(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)和升阻比最大時對應(yīng)的攻角：
　　在完成初步設(shè)計后，就要計算葉片效率，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)，計算不同風(fēng)速下每節(jié)葉片的轉(zhuǎn)矩后，再通過轉(zhuǎn)矩計算得到每一節(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)電機的葉片外形氣動設(shè)計就是在考慮了弦長、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)計優(yōu)化
　　風(fēng)輪葉片的優(yōu)化目標是要在原有基礎(chǔ)上提高風(fēng)力發(fā)電機的年平均效率，因此在基于翼型厚度變化完成葉片優(yōu)化設(shè)計后，還要額外考慮到變槳距的問題。依舊以翼型63-212為例，在綜合考慮葉片相對厚度變化和槳距角變化后，葉片參數(shù)值會發(fā)生一定的變化，其中翼型63-212的弦長和扭角就發(fā)生了變化，分別變?yōu)?.6914m，0.4338°。
　　2.3 葉片氣動性能對比
　　在經(jīng)過上述內(nèi)容以后，會得到具體的葉片優(yōu)化參數(shù)，但是想要保證葉片優(yōu)化設(shè)計方法最優(yōu)，還需要進行進一步的對比分析，通過上述內(nèi)容，可以得到三組葉片參數(shù)。第一組，是在葉片初步設(shè)計后，得到的基礎(chǔ)葉片設(shè)計參數(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)計參數(shù)，成為葉片3。對比過程可以分為兩個部分，分別為：外形參數(shù)對比和效率值對比，在對比過程中發(fā)現(xiàn)，在利用傳統(tǒng)設(shè)計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)計參數(shù)，作為葉片的設(shè)計變量，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)電機的工作效率。
　　總結(jié)
　　綜上所述，風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機的關(guān)鍵部件，風(fēng)輪葉片設(shè)計的優(yōu)劣會對風(fēng)力發(fā)電機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)電機的葉片設(shè)計也需要得到進一步的完善，在同樣的時間內(nèi)轉(zhuǎn)換更多的風(fēng)能。
　　參考文獻
　　[1] 林鎖鑫，薛揚詩，郭良祥，等.小功率（小型）風(fēng)力發(fā)電機葉片優(yōu)化設(shè)計方法[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（23）：37-38.
　　[2] 張帥，魏源誼，王震，等.多目標風(fēng)力發(fā)電機葉片外形參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J].電網(wǎng)與清潔能源，2017，33（4）：125-130.

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