农用风力发电机叶片设计

赵辉+闫震

摘 要：常规大电网不适于农业用电，采用独立供电系统的小型风力发电机能够有效地解决农业用电问题。本文研究垂直轴风力发电机叶片，根据风力发电机叶片设计理论及风能情况，设计出合适的风力发电机叶片，并利用三维建模软件solidworks建立叶片的三维实体模型。

关键词：风力发电；叶片；优化设计；三维建模

中图分类号： TM315 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）34-192-2

1 概述

对于我国农村地区，由于电力负荷分散密度较低，致使输送线路电能浪费。又因为干旱季节、农忙时节用电量大，其他时间用电量小，这样很难对电网资源进行有效配置，因此常规大电网不适于农业用电。小型农用风力发电机结构简单、成本低、安装维护方便，而且保护环境，有利于国家的可持续发展，因此，采用独立供电系统的小型风力发电机能够有效地解决农业用电问题。小型风力发电机分为水平轴和垂直轴两种类型，相对水平轴风力机，垂直轴风力机安装、维护方便，成本也低，更适合于农户使用。其中，风力机叶片是风力发电机组最为关键的部分，叶片的翼型和结构形式，直接影响了发电机组的性能、功率和使用寿命。本文基于风力机叶片翼型的几何参数及空气动力学特性，进行叶片设计及三维建模。本文选择NACA-0018翼型，为普通家庭用户提供电力，拟用300W永磁直驱式小型风力发电机组叶片，实现220V家用电器的电力供给[1-3]。

2 叶片设计的基本概念

翼型是组成风力发电机叶片的基本，发电机翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性作用。翼型的主要气动参数主要包括阻力、升力、升阻比、力矩、升阻比、升力系数、力矩系数、阻力系数、压力中心等[4]。翼型的主要气动几何参数包括翼型的前后缘、弦长、攻角、最大厚度、升力系数角等[5-6]，如图1所示。

3 风力发电机叶片设计

根据经验公式，风轮输出功率的最大值为Ne

Ne=0.25SV3 （1）

式中，Ne为风轮最大输出功率，W或kW；S为叶片扫掠面积，m2；V为自由来流风速，m/s。

根据经验，扫掠面积又可以表达为

S=8RH/3 （2）

式中，R、H分别为风轮的半径和高，得到R、H的关系后，与其他风力机比对，可初步确定R、H的数值。风轮半径R的确定：

R=3S/8H（3）

尖速比λ的确定：

λ=2πnR/60v （4）

叶片各处的尖速比：

λi=riλ/R（5）

式中：λi表示距转动中心不同半径的尖速比；ri表示叶片至转动中心不同位置的半径；R表示叶片最大转动半径。

叶片弦长L

L=5R/Kλ2 （6）

式中，L表示叶片弦长；K表示叶片数。

叶片距转动中心不同位置的半径的弦长Li

式中，Li表示叶片距转动中心不同半径的弦长，m；ri表示叶片距转动中心不同半径的半径，m。

增速比i的确定：

i=nD/n （8）

式中，nD表示发电机额定转速，r/min；n表示风轮额定转速，r/min；

叶片不同半径处的尖速比λi

D=1.75时，λ=2.28，即R=0.875m时，不同半径Ri时尖速比：

λi=Riλ/R（9）

叶片不同半径处的弦长Li：

li=5Ri/（Kλiλi）（10）

计算得到风轮主要气动几何参数：自然来流风速V，10m/s；叶片翼型高度h，1.2m；最大输出功率Ne，300W；风轮扫略面积S，1.2m2；风轮密实度ρ：0.08；风轮最大半径R： 0.875m；风轮高度H：0.52m；风轮叶片数B：4；风轮尖速比λ：2.28；风轮转速n：250r/min；叶片翼型弦长L：210mm。

采用NACA0018翼型，风轮直径1.2m，四叶片H型升力型垂直轴风力机，选用叶尖速比λ=2.28，翼型弦长C=210mm，获得风能最佳风能利用率。支持翼材料应用瓦楞状薄钢板，材料是普通碳素钢，叶片材料应用蜂窝状玻璃钢，主轴采用45号钢。

4 三维建模

利用Solidworks进行三维实体建模。通过建立二维草图，确定风轮的中心转轴，绘制平衡锤和离心锤，得到垂直轴风机叶片的立体结构，如图2所示。

5 结论

风力发电机有效地解决了农业用电问题，叶片为风力机的重要元件。本文根据风力发电机叶片设计理论及风能情况，设计了风力发电机叶片，为农用风力发电机的应用提供了技术参考。

参 考 文 献

[1] 鲁南.新能源概论[M].北京：中国农业出版社，1995.

[2] 李先允，陈小虎，唐国庆.大型风力发电厂等值建模研究综述[J].华北电力大学学报，2006，33（1）：42.

[3] 王亚荣，邵联合.风力发电与机组系统[M].北京：化学工业出版社，2013.

[4] 宋芳芳.小型风力发电机叶片设计及仿真分析[D].浙江大学，2012.

[5] 詹姆斯·曼韦尔，乔恩？麦高恩.风能利用——理论、设计和应用[M].西安交通大学出版社，2013.

[6] 李春鹏.立轴风力发电机毕业设计文献综述[D].河北科技大学，2013.