風力發電技術課程設計教學過程探討

陳洪林

1 課程設計的必要性

在學習了《風力發電技術》這門課之后，學生初步掌握了風力機結構組成和工作原理，重點掌握了風力機葉片設計的理論，為了將理論知識轉化為實際的動手能力，開設了課程設計。學生通過設計風力機葉片，可以熟練掌握風力機葉片設計原理，并能夠通過結合動量葉素理論相關知識與給定的環境條件設計出工作葉片，掌握風力機葉片設計及制造知識，學習并熟悉SolidWorks 等工程軟件進行風力機葉片的三維建模，樹立學生理論知識指導設計的工作思想，加深其對現場生產實際的了解，培養其對工程技術問題嚴肅認真、負責的態度，為其以后從事實際工作打下堅實的基礎[1]。

2 課程設計環節教學過程

《風力發電技術》課程設計要求學生在一周時間內完成，在此期間，學生在接到課程設計任務書后，要根據任務書的內容要求，完成包括氣象資料收集，風力機葉片參數的計算和風力機葉片三維圖形的繪制等。本課程設計任務有一定難度，部分學生反映雖然時間緊張，但是通過課程設計基本掌握風力機葉片設計的相關知識，學會了解決比較復雜工程問題的思路和方法，收獲很大。本次課程設計的過程如下：

2.1 課程設計任務書的編寫

課程設計任務書在課程設計開始前下發給學生，任務書包含了本次課程設計要求學生完成的任務內容，課程設計的基本要求、工作計劃的進度安排和評級方式等，如果有必要，在任務書中要完成對班級人員的分組，保證每組一個題目，每個人數據不能重復。任務書要邏輯清晰，結構嚴謹，內容完備，保證同學們能夠準確理解課程設計題目意義，在老師的指導下，能夠比較順利的完成課程設計。

風力機葉片設計流程圖如下：

圖1 風力機葉片設計流程圖

2.2 氣象資料的收集

如圖1 所示，風力機葉片設計的開端有兩個，分別是對當地風資源進行評估和確定風力機的額定功率，其中風資源的評估要必須要收集風力機當地的最少一年時間內的測風數據。但是，由于國內目前的氣象數據基本上都在氣象局，而對于風電企業來說，風資源數據相當于資產，因此作為學生很難獲取。學生主要通過網上查詢風力機設計當地的風資源數據，再對數據進行處理，估算出平均風速、最大風速和有效風能密度。

2.3 風力機葉片設計理論和計算

風力機葉片主要參數包括風輪直徑、輪轂直徑、葉片長度、葉片數、葉片沿展向的各個翼型弦長、翼型扭角、葉片安裝角以及符合風力機葉片空氣動力學的翼型選擇等。陳啟卷[2]總結了風輪直徑、葉片數風能利用系數等參數的選擇和計算方法，并總結了利用Wilson 理論，計算葉片安裝角和翼型弦長的方法；李偉[3]通過系統的比較了風力機葉片空氣動力學設計中的Glauert 方法和Wilson 方法，由于Wilson 方法在Glauert 方法的基礎上引入了葉片尖端渦流損失和升阻比對葉片最佳性能的影響，因此成為國內最常用的風力機葉片設計理論。根據Wilson 理論或者Glauert 理論，利用MATLAB 軟件可以精確得到葉片沿展向的弦長分布和安裝角隨葉片直徑方向的數據分布[4]。

風力機葉片翼型的種類有很多，選擇翼型的時候要綜合考慮翼型對升阻比的影響，對風力機失速性能的影響以及最大限度地獲取風能。翼型的選擇和數據獲取有兩種方法，第一種方法是利用profili 航空翼型設計軟件，選擇比較適合風力機的翼型，或者設計新翼型，然后所選翼型的TXT 數據，第二種方法是登錄airfoil 網站，選擇合適翼型，獲取翼型的TXT 數據。利用Excel軟件對翼型數據進行簡要處理，刪除不必要的x 和y 軸名稱，增加z 軸數據，這樣就可以利用SolidWorks 軟件，繪制翼型輪廓曲線。利用以上兩種方法都可以同時獲得所選翼型的升阻比隨攻角的變化關系，對于分析翼型的空氣動力性能有重要作用。獲得翼型的TXT 數據是對葉片進行是三維建模的必要條件[5]。

2.4 風力機葉片的三維建模

風力機葉片是一個平滑的流線型弧面，每一個斷面必須均勻過渡，三維建模可以通過SolidWorks、AutoCAD 等軟件實現，本文以SolidWorks 為例，大致可以分為兩步：

（1）基準面上翼型輪廓繪制：將風力機葉片沿展向從葉根到葉尖平均分成至少15 等份，選定最佳葉尖速比λ 為7，計算得出每個截面的比速λi，再通過計算每個截面翼型的弦長和扭角，然后在每個基準面上輸入翼型數據，生成15 個基準面上翼型組，如圖2 所示。

圖2 基準面翼型輪廓

（2）葉片實體建模：在完成每個基準面上翼型輪廓曲線繪制后，將每個翼型輪廓曲線依次連接，選擇SolidWorks 的“凸臺/放樣”工具，通過放樣，生成葉片的實體三維模型，根據實際情況，需要對葉片輪廓進行修整，使葉片輪廓成圓滑的流線型。最后對葉片的葉尖和葉根進行優化處理，完成葉片的三維建模。如圖3 所示。

圖3 風力機葉片三維模型視圖

3 結論與展望

在課程設計的過程中，需要嚴格要求學生按照風力發電機葉片設計流程，分步驟完成所有的設計過程，在此過程中學生可以比較系統地掌握風力機葉片設計過程重要參數的選擇方法，風力機葉素弦長、扭角和翼型的計算方法，最后通過SolidWorks 等三維設計軟件完成對葉片的三維建模。學生在掌握了葉片的建模后，可以在以后更進一步研究葉片內部結構和制造方法，對葉片進行載荷分析，為下一步的學習和工作奠定基礎。