小型風力發電機的三維建模

林鎖鑫 薛揚詩 郭良祥 繆海滔

（寧德師范學院，福建寧德352100）

0 引言

隨著化石能源的過渡消耗以及其對環境帶來的嚴重影響，風能憑借其清潔、可循環利用等諸多優點而越來越受到重視，風電作為新能源,因其自身的清潔環保性和可持續性而有著廣闊的發展前景和提升空間。本文論述了風力發電的優勢及風力發電產業在中國的發展及現狀,并結合風機葉片的結構和運行工況進行了以下方面的探討及研究。

1 為什么要建立三維模型

葉片是整個風力發電裝置中的關鍵部件之一,它的幾何形狀直接影響著風力發電機的效率、可靠性、噪聲的大小,以及風力發電機的使用壽命。在風力發電機葉片的設計過程中,為了滿足各項氣動性根據風力發電機葉片設計的經典理論設計葉片的外形，利用三維建模軟件建立葉片的三維實體模型。其中根據葉片翼型數據較多的設計特點，在傳統建模方法無法實現的情況下，提出了導入數據文件的建模方法，提高了模型的建立效率。

2 項目特色與創新點

因為常規礦物能源供應的不穩定性和有限性，于是尋求清潔的可再生能源遂成為現代世界的一個重要課題。風能作為可再生的、無污染的自然能源又重新引起了人們重視。隨著風電產業的高速發展，風電設備供不應求。近年來，新興市場的風電發展迅速。在國家政策支持和能源供應緊張的背景下，中國的風電特別是風電設備制造業也迅速崛起，已經成為全球風電最為活躍的場所。風力發電機的構造復雜，各部分功能都非常重要，通過有序運行來完成。

2.1 合理設計方案

施工組織設計對施工全過程具有主導作用，它通過對施工進行全面、嚴密的組織計劃，指導施工活動，從而使工程施工又好又快發展，最終實現基本建設投資效果的目的。

2.2 加強技術管理

在工程施工到投產的全過程都要重視施工技術管理。在整個過程中，要按規定的施工操作流程來確保施工的質量。要求施工人員有一定的專業知識，掌握熟練的工作技能，并嚴格執行施工程序。工程技術資料是施工情況的真實反映，是評定工程質量的主要依據 ，因此我們也要加強工程技術資料的管理。

2.3 現場管理

要做好風能發電現場管理，應將工程的主要部位、主要結構和隱蔽工程納入重點管理內容。對其工程質量進行全面、全過程的檢查。施工現場管理還應對技術措施、操作規程等方面進行全面檢查；同時還須做到安全、文明、環保施工。 風力發電機受到風力的作用，風輪旋轉。使得風的動能轉變為風輪軸的機械能,風輪軸帶動發電機旋轉發電。一般葉輪設計成翼形,風輪從自然界獲得的能量有限,其功率損失部分可解釋為留在尾流中的旋轉動能。 現代風輪設計一般采用新翼形設計,除按照傳統要求在尖部采用薄翼型以滿足高升阻力、根部采用厚翼型滿足機械強度外,新翼形和傳統的航空翼形有較大差別∶一般在葉輪尖部采用較低的最大升力系數,并減少尖部葉片弦長,以控制轉子尖部的負荷。

2.4 風力發電機三維建模與分析

由于風能是一種清潔無污染的可再生能源。所以在當今社會越來越受到關注。同時由于風能的開發和利用綠色環保,眾多國家和地區對風力發電的研究不斷深入，使其造福人民。從葉片周圍繞流的物理模型抽象出相應的數學模型,采用有限體積法對葉片的外部流場進行處理,獲得了葉片外流場的速度、壓力分布,撲捉到一些重要的流動現象。驗證風力發電機在切入風速、額定風速和極限風速工況下的運行情況,驗證了葉片由于攻角過大時產生的失速現象等。利用SolidWorks軟件建立風力發電機的三維模型。重點對葉片進行受力模擬運算,結合風機工作中的實際情況,發現當前葉片設計中存在的不足之處,為后續設計和優化奠定基礎。在風力發電實際應用中起一定的指導作用。

2.5 風力發電機發展現狀及研究進展

近年來，風力發電不斷獲得發展,200年以來,全球每年風電裝機容量增長速度為20%～30%。全球風能協會發布最新一期全球風電的增長數據顯示,2008年全球范圍內新增風電裝機容量2705萬kW,使得全球風電裝機容量達到1.20億kW,較2007年增長28.8%。風力發電機是實現風能轉換為電能的核心部件之一。當前已發明設計了不同類型的風力發電機結構及發電系統.并努力改進，使其更好的造福于民。

2.6 風力發電機組葉片三維模型自動成型系統的開發與研究

葉片外形設計是提高風力發電機組最大利用風能的關鍵技術。本文針對小型風力機葉形設計方法及改善設計葉形氣動特性等問題,在葉片三維模型對整機載荷的影響等方面進行了一定的研究。研究工作具體內容及結論如下∶

（1）以400W水平軸小型風力發電機組葉片數據為模型,首先根據整機設計風場等條件確定風輪基本參數；其次根據相關計算葉片展向不同半徑下的弦長、扭角等參數計算公式；最后提出減少制造成本和獲得最大風動力的修正葉片參數設計方案。

（2）在確定葉片截面參數計算公式及現有掃描點云數據重構的三維葉片模型特點后,根據SolidWorks二次開發技術及數據庫開發技術,開發一套水平軸風力發電機組葉片設計系統。設計結果表明,應用開發的軟件可以快速、便捷的成型各種設計條件下的葉片三維模型,并能通過修改數據文件,進行較為個性化的葉片模型設計,大大提高了設計速度和模型的正確性,彌補了現有技術的缺點。

圖1 400W風力發電機葉片三維模型

（3）根據整機載荷計算原理,將整機劃分多個坐標系統,分別對不同關鍵部位進行載荷計算,并運用ABAQUS有限元分析軟件進行多種葉形下的葉片載荷計算,通過分析關鍵部位穩定載荷曲線、正常發電、正常停機等多個工況下載荷譜,對設計軟件設計的葉形進行綜合性能評價。

3 總結

葉片外形設計是提高風力發電機組最大利用風能的關鍵技術。風能作為一種清潔無污染的可再生能源，在當今社會越來越受到關注。同時由于風能的開發和利用綠色環保,眾多國家和地區對風力發電的研究不斷深入，使其造福人民.本文針對小型風力機葉形設計方法，在葉片設計原理、修正方法、模型成型方法以及葉片三維模型對整機載荷的影響等方面進行了一定的研究。推廣應用新興的三維建模風力發電站代替傳統的電力變電站,分析了風力發電系統的動態性能及相關系統,得出了小型風力發電機三維建模設計方案的可行性。

［1］尹鵬,王春秀.風力發電機組葉片精確建模方法研究[J].機械設計與制造, 2010(05).

［2］閆海津,胡丹梅.風力機葉片的三維建模[J].能源技術,2009(02).