農用風力發電機葉片設計

趙輝+閆震

摘 要：常規大電網不適于農業用電，采用獨立供電系統的小型風力發電機能夠有效地解決農業用電問題。本文研究垂直軸風力發電機葉片，根據風力發電機葉片設計理論及風能情況，設計出合適的風力發電機葉片，并利用三維建模軟件solidworks建立葉片的三維實體模型。

關鍵詞：風力發電；葉片；優化設計；三維建模

中圖分類號： TM315 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）34-192-2

1 概述

對于我國農村地區，由于電力負荷分散密度較低，致使輸送線路電能浪費。又因為干旱季節、農忙時節用電量大，其他時間用電量小，這樣很難對電網資源進行有效配置，因此常規大電網不適于農業用電。小型農用風力發電機結構簡單、成本低、安裝維護方便，而且保護環境，有利于國家的可持續發展，因此，采用獨立供電系統的小型風力發電機能夠有效地解決農業用電問題。小型風力發電機分為水平軸和垂直軸兩種類型，相對水平軸風力機，垂直軸風力機安裝、維護方便，成本也低，更適合于農戶使用。其中，風力機葉片是風力發電機組最為關鍵的部分，葉片的翼型和結構形式，直接影響了發電機組的性能、功率和使用壽命。本文基于風力機葉片翼型的幾何參數及空氣動力學特性，進行葉片設計及三維建模。本文選擇NACA-0018翼型，為普通家庭用戶提供電力，擬用300W永磁直驅式小型風力發電機組葉片，實現220V家用電器的電力供給[1-3]。

2 葉片設計的基本概念

翼型是組成風力發電機葉片的基本，發電機翼型的氣動特性對風力機的性能起著決定性作用。翼型的主要氣動參數主要包括阻力、升力、升阻比、力矩、升阻比、升力系數、力矩系數、阻力系數、壓力中心等[4]。翼型的主要氣動幾何參數包括翼型的前后緣、弦長、攻角、最大厚度、升力系數角等[5-6]，如圖1所示。

3 風力發電機葉片設計

根據經驗公式，風輪輸出功率的最大值為Ne

Ne=0.25SV3 （1）

式中，Ne為風輪最大輸出功率，W或kW；S為葉片掃掠面積，m2；V為自由來流風速，m/s。

根據經驗，掃掠面積又可以表達為

S=8RH/3 （2）

式中，R、H分別為風輪的半徑和高，得到R、H的關系后，與其他風力機比對，可初步確定R、H的數值。風輪半徑R的確定：

R=3S/8H（3）

尖速比λ的確定：

λ=2πnR/60v （4）

葉片各處的尖速比：

λi=riλ/R（5）

式中：λi表示距轉動中心不同半徑的尖速比；ri表示葉片至轉動中心不同位置的半徑；R表示葉片最大轉動半徑。

葉片弦長L

L=5R/Kλ2 （6）

式中，L表示葉片弦長；K表示葉片數。

葉片距轉動中心不同位置的半徑的弦長Li

式中，Li表示葉片距轉動中心不同半徑的弦長，m；ri表示葉片距轉動中心不同半徑的半徑，m。

增速比i的確定：

i=nD/n （8）

式中，nD表示發電機額定轉速，r/min；n表示風輪額定轉速，r/min；

葉片不同半徑處的尖速比λi

D=1.75時，λ=2.28，即R=0.875m時，不同半徑Ri時尖速比：

λi=Riλ/R（9）

葉片不同半徑處的弦長Li：

li=5Ri/（Kλiλi）（10）

計算得到風輪主要氣動幾何參數：自然來流風速V，10m/s；葉片翼型高度h，1.2m；最大輸出功率Ne，300W；風輪掃略面積S，1.2m2；風輪密實度ρ：0.08；風輪最大半徑R： 0.875m；風輪高度H：0.52m；風輪葉片數B：4；風輪尖速比λ：2.28；風輪轉速n：250r/min；葉片翼型弦長L：210mm。

采用NACA0018翼型，風輪直徑1.2m，四葉片H型升力型垂直軸風力機，選用葉尖速比λ=2.28，翼型弦長C=210mm，獲得風能最佳風能利用率。支持翼材料應用瓦楞狀薄鋼板，材料是普通碳素鋼，葉片材料應用蜂窩狀玻璃鋼，主軸采用45號鋼。

4 三維建模

利用Solidworks進行三維實體建模。通過建立二維草圖，確定風輪的中心轉軸，繪制平衡錘和離心錘，得到垂直軸風機葉片的立體結構，如圖2所示。

5 結論

風力發電機有效地解決了農業用電問題，葉片為風力機的重要元件。本文根據風力發電機葉片設計理論及風能情況，設計了風力發電機葉片，為農用風力發電機的應用提供了技術參考。

參 考 文 獻

[1] 魯南.新能源概論[M].北京：中國農業出版社，1995.

[2] 李先允，陳小虎，唐國慶.大型風力發電廠等值建模研究綜述[J].華北電力大學學報，2006，33（1）：42.

[3] 王亞榮，邵聯合.風力發電與機組系統[M].北京：化學工業出版社，2013.

[4] 宋芳芳.小型風力發電機葉片設計及仿真分析[D].浙江大學，2012.

[5] 詹姆斯·曼韋爾，喬恩？麥高恩.風能利用——理論、設計和應用[M].西安交通大學出版社，2013.

[6] 李春鵬.立軸風力發電機畢業設計文獻綜述[D].河北科技大學，2013.