[发明专利]一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法

说明书

技术领域

本申请实施例涉及风力发电技术领域，特别涉及一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法。

背景技术

随着全球经济的快速发展，大量的煤、石油和天然气等化石燃料被消耗掉，使得全球面临前所未有的能源危机和环境威胁，能源和环保已经成为目前亟待解决的重大问题。而风能是一种可再生能源，具有储量大、清洁无污染、地域分布广等诸多优点。而且，从技术角度上讲，地球上可以利用的风能资源比水能资源更丰富，约为200亿kW，发电量达到13PW·h，能够很好地满足全球电力需求，因此越来越多的人意识到开发风能的重要性。

已有技术中，风力发电装置主要包括阻力性和升力型，其中，升力型风力发电装置又包括水平轴风力发电装置和垂直轴风力发电装置。垂直轴风力发电装置相对水平轴风力发电装置具有如下优点：1、垂直轴风力发电装置的噪音极低，且安全性高，不会伤害飞行中的鸟类；2、不需要特殊的对风装置，可以接受任意方向的风力，风向的影响较小；3、垂直轴风力发电装置的塔架低，承载性能高且日常维护方便；4、垂直轴风力发电装置不需要设置沉重的齿轮箱和机舱，具有较高的系统稳定性和较小的成本；5、垂直轴风力发电装置的叶片制造工艺简单且具有较高的受力强度，其使用寿命长、稳定性高。

伴随世界能源需求持续增长，大量的陆地和海上风电场投入使用，风力发电装置机组的风轮直径不断增大，受到风剪切、塔影效应、湍流等因素的影响也不断增加，运行时的不平衡受力荷载也随之增大。风剪效应是指在垂直方向上风速随高度的增加而变化。如图1所示，在高度10～50m范围内风速增长趋势很明显，在高度大于50m时，风速增长趋势减缓。随着风力机功率越大，结构尺寸越大，叶片越长，上下两端风速差值越大，即叶片受到的载荷越不均匀，而风力机主要依靠叶片将风中的动能转化为机械能，叶片是风力机最主要的受力部件，风电机组中其它零部件受到的载荷也主要是由叶片上受到的载荷造成的，所以如何降低风剪效应对叶片载荷的影响，是提高垂直轴风力发电装置的使用寿命中亟待解决的技术难题。

发明内容

本申请实施例提供了一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，旨在通过优化垂直轴风力发电装置的叶片倾角改善垂直轴风力发电装置的叶片载荷不均的现象，通过将垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化为最佳倾角，保证垂直轴风力发电装置的使用寿命和工作稳定性。

第一方面，本发明提供了一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，所述方法包括：

步骤110：叶片顶端高度设置为高度h的初始值和叶片的转动半径设置为初始值R，并获取初始时刻的叶片载荷；

步骤120：将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷；

步骤130：获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一高度下的叶片载荷的差值的和的平方值；

步骤140：将同一叶片顶端高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一高度下的叶片载荷的差值的和的平方值中的最小值对应的叶片的转动半径确定为高度减小△h之后的叶片的转动半径最优值；

步骤150：循环执行步骤120、步骤130和步骤140，直至高度变为预设的最小值，执行步骤160；

步骤160：对一系列的高度值和对应的转动半径最优值进行数值拟合，确定数值拟合之后的曲线斜率，并将所述曲线斜率确定为垂直轴风力发电装置的叶片倾角；

步骤170：判断所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率是否相等；

步骤180：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率不相等，改变叶片的转动半径的初始值R(叶片顶端高度处)的大小，重新执行步骤110～步骤170；

步骤190：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等，则确定所述叶片倾角为垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角值。

可选的，所述将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷，具体为：

将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围(R-Range,R+Range)之内按照预设的步长Δr进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷。

可选的，叶片顶端高度设置为高度h的初始值，其中，所述h的范围为叶片上下端的高度范围：15米～45米。