林锁鑫 薛扬诗 郭良祥 缪海滔
（宁德师范学院，福建 宁德 352100）
【摘 要】随着环境问题的日益突出,能源供应的渐趋紧张,对可再生能源的开发利用,尤其是对风能的开发利用已受到世界各国的高度重视；风力发电机是将风能转化为电能的装置, 作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥重要作用。
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关键词 小型；风力发电；发电机
※基金项目：2014年宁德师范学院大学生创新训练计划项目。
通讯作者：林锁鑫（1992.０7—），男，宁德师范学院本科生，研究方向为机械设计制造及其自动化。
0 引言
随着化石能源的过渡消耗以及其对环境带来的严重影响，风能凭借其清洁、可循环利用等诸多优点而越来越受到重视，风电作为新能源,因其自身的清洁环保性和可持续性而有着广阔的发展前景和提升空间。本文论述了风力发电的优势及风力发电产业在中国的发展及现状,并结合风机叶片的结构和运行工况进行了以下方面的探讨及研究。
1 为什么要建立三维模型
叶片是整个风力发电装置中的关键部件之一,它的几何形状直接影响着风力发电机的效率、可靠性、噪声的大小,以及风力发电机的使用寿命。在风力发电机叶片的设计过程中,为了满足各项气动性根据风力发电机叶片设计的经典理论设计叶片的外形，利用三维建模软件建立叶片的三维实体模型。其中根据叶片翼型数据较多的设计特点，在传统建模方法无法实现的情况下，提出了导入数据文件的建模方法，提高了模型的建立效率。
2 项目特色与创新点
因为常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们重视。随着风电产业的高速发展，风电设备供不应求。近年来，新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。风力发电机的构造复杂，各部分功能都非常重要，通过有序运行来完成。
2.1 合理设计方案
施工组织设计对施工全过程具有主导作用，它通过对施工进行全面、严密的组织计划，指导施工活动，从而使工程施工又好又快发展，最终实现基本建设投资效果的目的。
2.2 加强技术管理
在工程施工到投产的全过程都要重视施工技术管理。在整个过程中，要按规定的施工操作流程来确保施工的质量。要求施工人员有一定的专业知识，掌握熟练的工作技能，并严格执行施工程序。工程技术资料是施工情况的真实反映，是评定工程质量的主要依据 ，因此我们也要加强工程技术资料的管理。
2.3 现场管理
要做好风能发电现场管理，应将工程的主要部位、主要结构和隐蔽工程纳入重点管理内容。对其工程质量进行全面、全过程的检查。施工现场管理还应对技术措施、操作规程等方面进行全面检查；同时还须做到安全、文明、环保施工。 风力发电机受到风力的作用，风轮旋转。使得风的动能转变为风轮轴的机械能,风轮轴带动发电机旋转发电。一般叶轮设计成翼形,风轮从自然界获得的能量有限,其功率损失部分可解释为留在尾流中的旋转动能。 现代风轮设计一般采用新翼形设计,除按照传统要求在尖部采用薄翼型以满足高升阻力、根部采用厚翼型满足机械强度外,新翼形和传统的航空翼形有较大差别:一般在叶轮尖部采用较低的最大升力系数,并减少尖部叶片弦长,以控制转子尖部的负荷。
2.4 风力发电机三维建模与分析
由于风能是一种清洁无污染的可再生能源。所以在当今社会越来越受到关注。同时由于风能的开发和利用绿色环保,众多国家和地区对风力发电的研究不断深入，使其造福人民。从叶片周围绕流的物理模型抽象出相应的数学模型,采用有限体积法对叶片的外部流场进行处理,获得了叶片外流场的速度、压力分布,扑捉到一些重要的流动现象。验证风力发电机在切入风速、额定风速和极限风速工况下的运行情况,验证了叶片由于攻角过大时产生的失速现象等。利用SolidWorks软件建立风力发电机的三维模型。重点对叶片进行受力模拟运算,结合风机工作中的实际情况,发现当前叶片设计中存在的不足之处,为后续设计和优化奠定基础。在风力发电实际应用中起一定的指导作用。
2.5 风力发电机发展现状及研究进展
近年来，风力发电不断获得发展,200年以来,全球每年风电装机容量增长速度为20%~30%。全球风能协会发布最新一期全球风电的增长数据显示,2008年全球范围内新增风电装机容量2705万kW,使得全球风电装机容量达到1.20亿kW,较2007年增长28.8%。风力发电机是实现风能转换为电能的核心部件之一。当前已发明设计了不同类型的风力发电机结构及发电系统.并努力改进，使其更好的造福于民。
2.6 风力发电机组叶片三维模型自动成型系统的开发与研究
叶片外形设计是提高风力发电机组最大利用风能的关键技术。本文针对小型风力机叶形设计方法及改善设计叶形气动特性等问题,在叶片三维模型对整机载荷的影响等方面进行了一定的研究。研究工作具体内容及结论如下:
（１）以400W水平轴小型风力发电机组叶片数据为模型,首先根据整机设计风场等条件确定风轮基本参数；其次根据相关计算叶片展向不同半径下的弦长、扭角等参数计算公式；最后提出减少制造成本和获得最大风动力的修正叶片参数设计方案。
（2）在确定叶片截面参数计算公式及现有扫描点云数据重构的三维叶片模型特点后,根据SolidWorks二次开发技术及数据库开发技术,开发一套水平轴风力发电机组叶片设计系统。设计结果表明,应用开发的软件可以快速、便捷的成型各种设计条件下的叶片三维模型,并能通过修改数据文件,进行较为个性化的叶片模型设计,大大提高了设计速度和模型的正确性,弥补了现有技术的缺点。
（３）根据整机载荷计算原理,将整机划分多个坐标系统,分别对不同关键部位进行载荷计算,并运用ABAQUS有限元分析软件进行多种叶形下的叶片载荷计算,通过分析关键部位稳定载荷曲线、正常发电、正常停机等多个工况下载荷谱,对设计软件设计的叶形进行综合性能评价。
3 总结
叶片外形设计是提高风力发电机组最大利用风能的关键技术。风能作为一种清洁无污染的可再生能源，在当今社会越来越受到关注。同时由于风能的开发和利用绿色环保,众多国家和地区对风力发电的研究不断深入，使其造福人民.本文针对小型风力机叶形设计方法，在叶片设计原理、修正方法、模型成型方法以及叶片三维模型对整机载荷的影响等方面进行了一定的研究。推广应用新兴的三维建模风力发电站代替传统的电力变电站,分析了风力发电系统的动态性能及相关系统,得出了小型风力发电机三维建模设计方案的可行性。
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参考文献
［１］尹鹏,王春秀.风力发电机组叶片精确建模方法研究[J].机械设计与制造, 2010(05).
［２］闫海津,胡丹梅.风力机叶片的三维建模[J].能源技术,2009(02).
［责任编辑：杨玉洁］