[发明专利]垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法

说明书

本发明提出了一种垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，将叶片前缘前移，形成一母线为弧线的C形叶片；然后，通过连接杆将数个所述C形叶片与旋转轴连接构建成发电机转子；进而，建立流体力学数值计算域模型，以叶片半高位置的突出度ΔD为变量，以叶片功率系数C_p为考核量，采用数值模拟方法进行计算；当ΔD/H为1.85/100～1.9/100时，叶片功率系数C_p达到最大。本发明为垂直轴风力发电机的优化设计提供了一个新的方向，采用的C型叶片构造简便、易于实施，有助于改善流场气动性能；选取合适的ΔD，可以使发电机的功率系数明显提高，与直线型叶片相比，提升幅度最高可达16.43％。

技术领域

本发明涉及风力发电机技术领域，尤其是一种垂直轴风力发电机，特 别是对垂直轴风力发电机的叶片进行优化设计，隶属国际专利分类表当中 F03D3/00。

背景技术

风能以其绿色、分布范围广、无污无害、可再生等特点早已受到全球 广泛关注，人们对于风力发电机的研究越来越深入。按照旋转轴的设置和 安装方式，风力发电机可以分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

垂直轴风力发电机由于其结构特殊性，整体发展起步较晚，大部分研 究都是在上世纪七八十年代以后进行的。垂直轴风力发电机具有一系列优 势：对来流风向不固定，具有万向受风性；发电系统装在塔筒底下，整体 重心低，更容易适应复杂环境和大型化；噪音小，风速低至1～28米/秒也 可以发电；发电机转子转速低，对附近生态环境不构成太大影响。因此， 近年来垂直轴风力发电机已成为当下风能研究的热点。

在运行状态下，垂直轴风力发电机的叶片始终保持转动；转动过程中， 叶片母线的移动轨迹构成一以旋转轴为中心的直立的圆柱面。由于来流风 速变化较少，随着相位角的变化，叶片的攻角将不断变化，而攻角的不断 变化，使得叶片的升阻力也不断变化。如图1所示，现有垂直轴风力发电 机采用直线型叶片(又称H型叶片)，叶片的母线是一条垂直线段；这种叶 片形式比较固定，对于来流攻角的变化适应性不佳，在部分方位角时叶片 的扭矩系数处于较低水平。

为了克服以上问题，现有的办法大多是加装尾缘格尼襟翼、应用前缘 可转动叶片、风力机攻角主动控制、加装倒流杆等，通过流动分离的办法 达到提高风力发电机功率系数的目的。然而，现有的这些方法存在比较明 显的不足，即：需要加装杆件和连接件才能实现，或者需要施加外力来控 制叶片的攻角以避免动态失速。加装杆件或连接件，会使叶片的构成复杂 化，其运行稳定性也受到影响；而施加外力，必然需要巨大的能量输入， 以往研究鲜有考虑能量的输入成本，这对于垂直轴风力发电机的实际应用 十分不利。

因此，必须对垂直轴风力发电机作进一步研究，特别是对其叶片需作 优化设计，在减少构件、避免能量输入的前提下，更好地提高发电机的发 电效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的上述问题，提出一种垂直轴风力 发电机的叶片优化设计方法。

本发明的技术解决方案是：垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法， 其特点是：在叶片垂直放置的状态下，保持叶片上表面与下表面垂直重叠， 叶片在任意位置的水平剖面相同，并且，任意水平剖面的对称线均处于同 一立面，以叶片半高位置为对称面，将叶片前缘沿叶片运行时的旋转方向 前移，形成一母线为也处于所述同一立面的上下对称的弧线的C形叶片； 然后，通过连接杆将数个所述C形叶片与旋转轴连接构建成发电机转子， 建立流体力学数值计算域模型，以叶片半高位置的突出度ΔD为变量，以 叶片功率系数C_p为考核量，采用数值模拟计算，找到功率系数C_p明显提高 时的ΔD取值范围，将其与叶片高度H相比，从而确定优化后的叶片构造 形式。

进一步地，上述的垂直轴风力发电机的叶片优化设计方法，其中：所 述突出度ΔD以叶片高度H的1/320为增幅步长，计算每步的叶片功率系 数，将其与ΔD＝0时的叶片功率系数相比较，得出各步功率系数C_p的变化 率。