[发明专利]垂直轴风力机多自由度S型叶片设计方法

说明书

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。

背景技术

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10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1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-O段的受力F₁与F₂与风向都是一致的，A-O段运动方向与风向相同，是顺风段，B-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，F₁＞F₂，对转轴O，形成一个扭矩，使得旋转。A-O段对是做正功的，但B-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α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α_i为0.00001～180度，半径r_i为叶片旋转半径的0.00001～∞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。

附图说明

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α₁、α₂、α₃，半径分别为r₁、r₂、r₃。转子旋转半径为R。