[發明專利]垂直軸風力發電機的葉片優化設計方法

有效

• 申請號: 202110034865.X
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112836308B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 周岱;韓兆龍;王磊;陳耀然;蘇捷;楊夢姚;戴孟祎;王巖
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;F03D3/06;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 陳忠輝

本發明提出了一種垂直軸風力發電機的葉片優化設計方法，將葉片前緣前移，形成一母線為弧線的C形葉片；然后，通過連接桿將數個所述C形葉片與旋轉軸連接構建成發電機轉子；進而，建立流體力學數值計算域模型，以葉片半高位置的突出度ΔD為變量，以葉片功率系數C_p為考核量，采用數值模擬方法進行計算；當ΔD/H為1.85/100～1.9/100時，葉片功率系數C_p達到最大。本發明為垂直軸風力發電機的優化設計提供了一個新的方向，采用的C型葉片構造簡便、易于實施，有助于改善流場氣動性能；選取合適的ΔD，可以使發電機的功率系數明顯提高，與直線型葉片相比，提升幅度最高可達16.43％。

技術領域

本發明涉及風力發電機技術領域，尤其是一種垂直軸風力發電機，特 別是對垂直軸風力發電機的葉片進行優化設計，隸屬國際專利分類表當中 F03D3/00。

背景技術

風能以其綠色、分布范圍廣、無污無害、可再生等特點早已受到全球 廣泛關注，人們對于風力發電機的研究越來越深入。按照旋轉軸的設置和 安裝方式，風力發電機可以分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。

垂直軸風力發電機由于其結構特殊性，整體發展起步較晚，大部分研 究都是在上世紀七八十年代以后進行的。垂直軸風力發電機具有一系列優 勢：對來流風向不固定，具有萬向受風性；發電系統裝在塔筒底下，整體 重心低，更容易適應復雜環境和大型化；噪音小，風速低至1～28米/秒也 可以發電；發電機轉子轉速低，對附近生態環境不構成太大影響。因此， 近年來垂直軸風力發電機已成為當下風能研究的熱點。

在運行狀態下，垂直軸風力發電機的葉片始終保持轉動；轉動過程中， 葉片母線的移動軌跡構成一以旋轉軸為中心的直立的圓柱面。由于來流風 速變化較少，隨著相位角的變化，葉片的攻角將不斷變化，而攻角的不斷 變化，使得葉片的升阻力也不斷變化。如圖1所示，現有垂直軸風力發電 機采用直線型葉片(又稱H型葉片)，葉片的母線是一條垂直線段；這種葉 片形式比較固定，對于來流攻角的變化適應性不佳，在部分方位角時葉片 的扭矩系數處于較低水平。

為了克服以上問題，現有的辦法大多是加裝尾緣格尼襟翼、應用前緣 可轉動葉片、風力機攻角主動控制、加裝倒流桿等，通過流動分離的辦法 達到提高風力發電機功率系數的目的。然而，現有的這些方法存在比較明 顯的不足，即：需要加裝桿件和連接件才能實現，或者需要施加外力來控 制葉片的攻角以避免動態失速。加裝桿件或連接件，會使葉片的構成復雜 化，其運行穩定性也受到影響；而施加外力，必然需要巨大的能量輸入， 以往研究鮮有考慮能量的輸入成本，這對于垂直軸風力發電機的實際應用 十分不利。

因此，必須對垂直軸風力發電機作進一步研究，特別是對其葉片需作 優化設計，在減少構件、避免能量輸入的前提下，更好地提高發電機的發 電效率。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術存在的上述問題，提出一種垂直軸風力 發電機的葉片優化設計方法。

本發明的技術解決方案是：垂直軸風力發電機的葉片優化設計方法， 其特點是：在葉片垂直放置的狀態下，保持葉片上表面與下表面垂直重疊， 葉片在任意位置的水平剖面相同，并且，任意水平剖面的對稱線均處于同 一立面，以葉片半高位置為對稱面，將葉片前緣沿葉片運行時的旋轉方向 前移，形成一母線為也處于所述同一立面的上下對稱的弧線的C形葉片； 然后，通過連接桿將數個所述C形葉片與旋轉軸連接構建成發電機轉子， 建立流體力學數值計算域模型，以葉片半高位置的突出度ΔD為變量，以 葉片功率系數C_p為考核量，采用數值模擬計算，找到功率系數C_p明顯提高 時的ΔD取值范圍，將其與葉片高度H相比，從而確定優化后的葉片構造 形式。

進一步地，上述的垂直軸風力發電機的葉片優化設計方法，其中：所 述突出度ΔD以葉片高度H的1/320為增幅步長，計算每步的葉片功率系 數，將其與ΔD＝0時的葉片功率系數相比較，得出各步功率系數C_p的變化 率。