专利名称：垂直轴风力机多自由度s型叶片设计方法
技术领域：
本发明涉及一种风力机叶片形状的设计方法，特别是一种垂直轴风力机多自由度s型叶片设计方法。
技术背景风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。1993年到2003年的10年间，世界风力发电的年增长率达到29.7 %。到2003年末，全球风电装机容量达到4,030万千瓦，风力发电量占到世界总电 量的0.5%。其中欧洲总装机容量为2， 871万千瓦，占世界风电装机容量的73%。 2003年德国风力发电累计装机容量达到1,461万千瓦，占全世界的1/3以上。2003 年印度累计风力发电装机容量也已达到213万千瓦，排世界第5位,居发展中国家的 首位。欧洲风能协会在近期的一份报告中，用详实的数据和精辟的分析描述了未来世 界风力发电的情景，并预计到2020年风力发电将占世界电力总量的12%。风能作为 未来能源供应重要组成部分的战略地位受到世界各国的普遍重视。我国风能资源储量丰富，据初步估算，我国陆上离地面IO米高度层的风能资源 可开发量为2.53亿千瓦；近海区域离海面10米高度层的风能储量约为7.5亿千瓦。 从宏观上看，我国具备大规模发展风力发电的资源条件。到2004年底，我国风力发 电累计装机容量达到76.4万千瓦，国家发改委规划2005年并网风电装机将达到100 万千瓦，2010年达到300万千瓦，2020年达到2,000万千瓦。为了提高风能利用率,人们花了大量的精力来研究水平轴风力机的叶型设计方 法，但如何优化垂直轴风力机S型叶片的设计？如何提高S叶片的风能利用率？这方 面的工作鲜有报道。图l是一种阻力型风力机，其做功原理如下当风向从左向右时，，A—O段与B 一O段的受力F,与F2与风向都是一致的，A—0段运动方向与风向相同，是顺风段,B 一O段运动方向与风向相反，是逆风段。A—O段"兜"住了风，B—O段"兜"不住风， 因此，F,>F2,对转轴0,形成一个扭矩，使得旋转。A—O段对是做正功的，但B 一O段对做了负功，当风机工作时，正功大于负功，能够驱动旋转；当转过180度后， A—O段与B—O段的做功情况刚好相反，如此旋转就可以连续工作了。
阻力型风力机的叶片形状有多种多样，图2是S型叶片，图3是杯翼型叶片，图4 是板翼型叶片。怎样的叶片形状才能最大程度地利用风能？采用什么样的设计方法才 可以得到最佳的S型叶片形状？ 发明内容本发明的目的是提供一种垂直轴风力机多自由度S型叶片设计方法，应用这种设计方法，可以得到具有最大风能利用率的多自由度s型叶片。为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案S型叶片由1 N段不同半径与圆心角的圆弧设计而成，且相邻的两段圆弧之间 总是相切的。每段圆弧有两个自由度，即圆心角ot与半径r， N段圆弧组成的S型叶 片有2N个设计自由度。上述每段圆弧的圆心角cti为0.00001 180度，半径r i为叶片旋转半径的 0.00001 00倍。通过对上述S型叶片的2N个设计自由度进行优化组合，得到一组风能利用率最 高的多自由度S型叶片的设计参数。上述的优化组合的方法采用遗传算法或华罗庚优选法进行优化组合。
图1是阻力型风力机的工作原理图。 图2是风力机S型叶片。 图3是风力机杯翼型叶片。 图4是风力机板翼型叶片。 图5是多自由度约束的叶片。 具体实施例本发明的一个优选实施例是S型叶片由3段两两相切的圆弧组成，圆心角分别为ai、 a2、 a3，半径分别为n、 r2、 r3。转子旋转半径为R。利用现有的优化方法，对上述6个设计自由度进行优化设计，可以采用遗传算法、 优选法或其它的优化设计方法。本实施例应用华罗庚教授提出的优选法，表1是一个 具有6个设计参数，每个参数有5个设计水平的正交表。利用表l,应用风洞实验或 流场数值模拟技术，对25种参数组合进行实验或计算，得到每种组合下的风能利用 率。然后根据优选法的思想，获得6个设计参数各自的最佳取值，这6个最佳取值
就构成了一组最优的设计组合。如在一定的风速及转速条件下，(on,a2,ct3, ri/R, r2/R，r3/R) 的最佳取值可能为(12。，16。,14。,2.5,1.5,1)。表1 正交表aia2a3r2/Rr3/R实验"^\11010100.50.50.5210121211131014141.51.51.5410161622251018182.52.52.561210121.522.5712121422.50.581214162.50.5191216180.511.51012181011.52111410142.512121412160.51.52.513141418120.5141416101.52.511514181220.51.51616101612.51.5171612181.50.5218161410212.5191616122.51.50.5201618140.5212118101821.51221812102.521.5231814120.52.522418161410.52.5251818161.510.权利要求
1. 一种垂直轴风力机多自由度S型叶片设计方法，其特征在于S型叶片由1 N段(1、 2、 3……N)不同半径与圆心角的圆弧设计而成，且相邻的两段圆弧之间总是相切 的；每段圆弧有两个自由度，即圆心角a与半径r， N段圆弧组成的S型叶片有2N 个设计自由度。
2. 根据权利要求1所述的垂直轴风力机多自由度S型叶片设计方法，其特征在于每 段圆弧的圆心角ai为0.00001 180度，半径ri为叶片旋转半径的0.00001 oo倍。
3. 根据权利要求1或2所述的垂直轴风力机多自由度S型叶片设计方法，其特征在 于通过对S型叶片2N个设计自由度的优化组合，得到一组风能利用率最高的S 型叶片的设计参数。
4. 根据权利要求3所述的垂直轴风力机多自由度S型叶片设计方法，其特征在于所 述的优化组合的方法采用遗传算法或华罗庚优选法进行优化组合。
全文摘要
本发明公开了一种垂直轴风力机多自由度S型叶片设计方法。S型叶片由N段不同半径与圆心角的圆弧设计而成，且相邻的两段圆弧之间总是相切的。每段圆弧有两个自由度，即圆心角α与半径r，N段圆弧组成的S型叶片有2N个设计自由度。通过对S型叶片的2N个设计自由度进行优化组合，得到一种风能利用率最高的多自由度S型叶片的设计参数。
文档编号F03D3/06GK101122278SQ20071004377
公开日2008年2月13日 申请日期2007年7月13日 优先权日2007年7月13日
发明者曹紫胤, 黄典贵 申请人:上海大学