專(zhuān)利名稱(chēng)：垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度s型葉片設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)力機(jī)葉片形狀的設(shè)計(jì)方法，特別是一種垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度s型葉片設(shè)計(jì)方法。
技術(shù)背景風(fēng)能是可再生能源中發(fā)展最快的清潔能源，也是最具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。1993年到2003年的10年間，世界風(fēng)力發(fā)電的年增長(zhǎng)率達(dá)到29.7 %。到2003年末，全球風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到4,030萬(wàn)千瓦，風(fēng)力發(fā)電量占到世界總電 量的0.5%。其中歐洲總裝機(jī)容量為2， 871萬(wàn)千瓦，占世界風(fēng)電裝機(jī)容量的73%。 2003年德國(guó)風(fēng)力發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1,461萬(wàn)千瓦，占全世界的1/3以上。2003 年印度累計(jì)風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量也已達(dá)到213萬(wàn)千瓦，排世界第5位,居發(fā)展中國(guó)家的 首位。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)在近期的一份報(bào)告中，用詳實(shí)的數(shù)據(jù)和精辟的分析描述了未來(lái)世 界風(fēng)力發(fā)電的情景，并預(yù)計(jì)到2020年風(fēng)力發(fā)電將占世界電力總量的12%。風(fēng)能作為 未來(lái)能源供應(yīng)重要組成部分的戰(zhàn)略地位受到世界各國(guó)的普遍重視。我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量豐富，據(jù)初步估算，我國(guó)陸上離地面IO米高度層的風(fēng)能資源 可開(kāi)發(fā)量為2.53億千瓦；近海區(qū)域離海面10米高度層的風(fēng)能儲(chǔ)量約為7.5億千瓦。 從宏觀(guān)上看，我國(guó)具備大規(guī)模發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的資源條件。到2004年底，我國(guó)風(fēng)力發(fā) 電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到76.4萬(wàn)千瓦，國(guó)家發(fā)改委規(guī)劃2005年并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到100 萬(wàn)千瓦，2010年達(dá)到300萬(wàn)千瓦，2020年達(dá)到2,000萬(wàn)千瓦。為了提高風(fēng)能利用率,人們花了大量的精力來(lái)研究水平軸風(fēng)力機(jī)的葉型設(shè)計(jì)方 法，但如何優(yōu)化垂直軸風(fēng)力機(jī)S型葉片的設(shè)計(jì)？如何提高S葉片的風(fēng)能利用率？這方 面的工作鮮有報(bào)道。圖l是一種阻力型風(fēng)力機(jī)，其做功原理如下當(dāng)風(fēng)向從左向右時(shí)，，A—O段與B 一O段的受力F,與F2與風(fēng)向都是一致的，A—0段運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)向相同，是順風(fēng)段,B 一O段運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)向相反，是逆風(fēng)段。A—O段"兜"住了風(fēng)，B—O段"兜"不住風(fēng)， 因此，F(xiàn),>F2,對(duì)轉(zhuǎn)軸0,形成一個(gè)扭矩，使得旋轉(zhuǎn)。A—O段對(duì)是做正功的，但B 一O段對(duì)做了負(fù)功，當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，正功大于負(fù)功，能夠驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)過(guò)180度后， A—O段與B—O段的做功情況剛好相反，如此旋轉(zhuǎn)就可以連續(xù)工作了。
阻力型風(fēng)力機(jī)的葉片形狀有多種多樣，圖2是S型葉片，圖3是杯翼型葉片，圖4 是板翼型葉片。怎樣的葉片形狀才能最大程度地利用風(fēng)能？采用什么樣的設(shè)計(jì)方法才 可以得到最佳的S型葉片形狀？ 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度S型葉片設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用這種設(shè)計(jì)方法，可以得到具有最大風(fēng)能利用率的多自由度s型葉片。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案S型葉片由1 N段不同半徑與圓心角的圓弧設(shè)計(jì)而成，且相鄰的兩段圓弧之間 總是相切的。每段圓弧有兩個(gè)自由度，即圓心角ot與半徑r， N段圓弧組成的S型葉 片有2N個(gè)設(shè)計(jì)自由度。上述每段圓弧的圓心角cti為0.00001 180度，半徑r i為葉片旋轉(zhuǎn)半徑的 0.00001 00倍。通過(guò)對(duì)上述S型葉片的2N個(gè)設(shè)計(jì)自由度進(jìn)行優(yōu)化組合，得到一組風(fēng)能利用率最 高的多自由度S型葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)。上述的優(yōu)化組合的方法采用遺傳算法或華羅庚優(yōu)選法進(jìn)行優(yōu)化組合。


圖1是阻力型風(fēng)力機(jī)的工作原理圖。 圖2是風(fēng)力機(jī)S型葉片。 圖3是風(fēng)力機(jī)杯翼型葉片。 圖4是風(fēng)力機(jī)板翼型葉片。 圖5是多自由度約束的葉片。 具體實(shí)施例本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是S型葉片由3段兩兩相切的圓弧組成，圓心角分別為ai、 a2、 a3，半徑分別為n、 r2、 r3。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)半徑為R。利用現(xiàn)有的優(yōu)化方法，對(duì)上述6個(gè)設(shè)計(jì)自由度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以采用遺傳算法、 優(yōu)選法或其它的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本實(shí)施例應(yīng)用華羅庚教授提出的優(yōu)選法，表1是一個(gè) 具有6個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)，每個(gè)參數(shù)有5個(gè)設(shè)計(jì)水平的正交表。利用表l,應(yīng)用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或 流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)25種參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或計(jì)算，得到每種組合下的風(fēng)能利用 率。然后根據(jù)優(yōu)選法的思想，獲得6個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)各自的最佳取值，這6個(gè)最佳取值
就構(gòu)成了一組最優(yōu)的設(shè)計(jì)組合。如在一定的風(fēng)速及轉(zhuǎn)速條件下，(on,a2,ct3, ri/R, r2/R，r3/R) 的最佳取值可能為(12。，16。,14。,2.5,1.5,1)。表1 正交表aia2a3r2/Rr3/R實(shí)驗(yàn)"^\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.權(quán)利要求
1. 一種垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度S型葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在于S型葉片由1 N段(1、 2、 3……N)不同半徑與圓心角的圓弧設(shè)計(jì)而成，且相鄰的兩段圓弧之間總是相切 的；每段圓弧有兩個(gè)自由度，即圓心角a與半徑r， N段圓弧組成的S型葉片有2N 個(gè)設(shè)計(jì)自由度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度S型葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在于每 段圓弧的圓心角ai為0.00001 180度，半徑ri為葉片旋轉(zhuǎn)半徑的0.00001 oo倍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度S型葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在 于通過(guò)對(duì)S型葉片2N個(gè)設(shè)計(jì)自由度的優(yōu)化組合，得到一組風(fēng)能利用率最高的S 型葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度S型葉片設(shè)計(jì)方法，其特征在于所 述的優(yōu)化組合的方法采用遺傳算法或華羅庚優(yōu)選法進(jìn)行優(yōu)化組合。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種垂直軸風(fēng)力機(jī)多自由度S型葉片設(shè)計(jì)方法。S型葉片由N段不同半徑與圓心角的圓弧設(shè)計(jì)而成，且相鄰的兩段圓弧之間總是相切的。每段圓弧有兩個(gè)自由度，即圓心角α與半徑r，N段圓弧組成的S型葉片有2N個(gè)設(shè)計(jì)自由度。通過(guò)對(duì)S型葉片的2N個(gè)設(shè)計(jì)自由度進(jìn)行優(yōu)化組合，得到一種風(fēng)能利用率最高的多自由度S型葉片的設(shè)計(jì)參數(shù)。
文檔編號(hào)F03D3/06GK101122278SQ20071004377
公開(kāi)日2008年2月13日 申請(qǐng)日期2007年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月13日
發(fā)明者曹紫胤, 黃典貴 申請(qǐng)人:上海大學(xué)