小型风力发电机叶片设计风速的选择
小型低风速风力发电机叶片设计
２１ ００年 ｌ ０月
武 汉 理 工 大 学 学 报 ・信 息 与 管 理 工 程 版
Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｔ Ｉ Ｆ Ｒ ＴＯ ＆ ＭＡ Ａ Ｅ Ｎ Ｎ Ｉ Ｅ Ｒ Ｎ Ｏ Ｒ Ａ ＦＷＵ （Ｎ Ｏ ＭＡ ＩＮ Ｎ Ｇ ＭＥ ＴＥ ＧＮ Ｅ ＩＧ）
ＶＯ ． ２ ＮＯ ５ １３ ． Ｏｃ ． ｔ２０１ ０
５１０多台 ， 机 容量约 ６４６万 ｋ ３ 装 ２． Ｗ 。
叶 片是风 机 的关 键 部 件 ， 成本 约 占整 个 风 其 机 的 ２ ％ ， 国现 在 的 叶片 生 产 商 数 量 不少 ， ０ 我 但 大多 是通过 合 资 的方 式 生 产 叶 片 ， 叶 片 的核 心 对 技 术 如翼 型 、 料等方 面 的研究 不 足 ， 材 因此 加强 对
文 章 编 号 ：０ ７—１４ ２ １ ）５— ７ ９— ４ １０ ４ Ｘ（０ ０ ０ ０ ２ ０
文 献 标 志 码 ： Ａ
小 型 低 风 速 风 力 发 电 机 叶 片 设 计
钱 杰 ， 张锦 光 ， 吴 俊
（ 汉 理 ｉ大 学 机 电 工 程 学 院 ， 北 武 汉 ４ ０ ７ ） 武 Ｉ ： 湖 ３０ ０
设计 包括 气动 设 计 、 片 构造 设 计 和结 构 设 计 ３ 叶 个 部 分 ， 中气 动 设 计包 括 ： 定 风 轮直 径 、 其 决 叶片
数、 叶片 各 剖 面 弦 长 、 度 、 角 分 布 及 选 取 翼 厚 扭 型 。笔者 重点 针 对 翼 型 的选 取 及 改 进 进 行 了 相关研 究 ， 对 叶片 进行 了 三维 建 模 。利 用 Ｃ Ｄ 并 Ｆ
摘
要： 利用 Ｃ Ｄ软件 Ｆｕｎ 对 Ｎ Ｃ ４ １ Ｆ ｌ ｔ ｅ Ａ Ａ ４ ２和 Ｎ Ｃ ２ ０ ２两种常 见的翼型进 行气动性 分析 ， 究 了翼 型在 Ａ Ａ ３１ 研
小型低风速风力发电机叶片设计
图４ ＮＡＣＡ２３０１２ 周围的压力
表面风速也较低；翼型的后缘部分的浅灰 最大，说明其表面风速明显是最低的。 ＮＡＣＡ２３０１２翼型表面的速度矢量图，可以 地看到在翼型上表面的中后端部分其表面
很明显的递减。速度矢量图与前面的压力 相吻合，速度越大的地方其压力越小，速度 小的地方其压力相对较大。
一
图５ ＮＡＣＡ４４１２翼型 周围的速度矢量
图９ ＮＡＣＡ４４１２与ＮＡＣＡ２３０１２的升阻比 表１ ＮＡＣＡ４４１２和ＮＡＣＡ２３０１２在最大升阻比时
的相关参数对比
２符合低风速启动翼型的改进分析
为了尽最大可能获取风能，小型风力发电机 在一个可能的最低的风速下启动是很重要的哺１。 万方数据
图１２新翼型与ＮＡＣＡ４４１２的升阻比曲线
表２ ＮＡＣＡ４４１２和新翼型在最大升阻比时 相关参数对比
随着传统能源的日益枯竭以及节能减排的需 要，绿色能源尤其是风能越来越受到人们的重视。 我国风电的发展很快，２００７年新增装机容量３４０ 万ｋＷ，累计装机容量达６０４万ｋｗ，超过丹麦成 为世界第５风电大国，且当年装机仅次于美国和 西班牙，超过德国和印度，成为世界上最主要的风 电市场之一＿ｌ Ｊ，２００８年除台湾省外新增风电机组 ５ １３０多台，装机容量约６２４．６万ｋｗ怛Ｊ。
设计包括气动设计、叶片构造设计和结构 个部分，其中气动设计包括：决定风轮直径 数、叶片各剖面弦长、厚度、扭角分布及 型Ｈ Ｊ。笔者重点针对翼型的选取及改进 相关研究，并对叶片进行了三维建模。利 软件Ｆｌｕｅｎｔ对ＮＡＣＡ４４１２和ＮＡＣＡ２３０１２两 见的翼型进行气动性分析，这两种翼型 系列中具有较高的升阻比特性，而且对其 较成熟，具有充分的代表性，因此，笔者研 型在二维流场中的压力和速度的分布情况 对比分析选取合适的翼型。
风力发电机组叶片设计与性能分析
风力发电机组叶片设计与性能分析叶片作为风力发电机组的核心部件之一，其设计和性能分析对于提高风力发电机的发电效率和性能至关重要。
本文将围绕风力发电机组叶片的设计和性能进行详细讨论，包括叶片的设计原理、材料选择、结构设计以及性能分析与优化等方面。
1. 叶片设计原理风力发电机组叶片的设计原理主要包括气动力学原理和结构力学原理。
气动力学原理研究风力对叶片的作用力，包括气动力的大小、方向和分布等；结构力学原理研究叶片的强度、刚度和振动等特性。
在进行叶片设计时，需要将这两个原理进行综合考虑，以满足风力发电机组的性能要求。
2. 材料选择叶片的材料选择直接影响到叶片的强度、刚度和重量等性能指标。
常用的叶片材料有纤维复合材料（如碳纤维、玻璃纤维）、铝合金和钢材等。
纤维复合材料具有优良的强度和刚度，同时具备较低的重量和惰性，因此在风力发电机组叶片设计中被广泛应用。
3. 结构设计风力发电机组叶片的结构设计主要包括叶片的长度、形状和剖面等几何参数的确定。
通常情况下，叶片的长度应根据风力发电机组的机组容量和环境条件进行确定，以实现最佳的发电效率。
叶片的形状和剖面则直接影响到叶片的气动特性，如风阻、升力和推力等。
为了充分利用风能，叶片的气动特性应该尽可能优化，逐步增大风阻和升力，减小风阻系数和剪力等。
4. 性能分析与优化风力发电机组叶片的性能分析与优化通常采用计算流体动力学（CFD）模拟和试验验证相结合的方法。
通过CFD模拟，可以对叶片在不同工况下的流动场进行数值计算，获得叶片的气动特性，如风阻、升力系数、剪力等。
同时还可以对叶片进行结构力学分析，评估其强度和刚度等。
通过与试验数据的对比，可以验证CFD模拟的准确性，并对叶片的设计进行优化。
在进行风力发电机组叶片设计与性能分析时，还需要考虑以下几个关键因素：A. 多工况性能分析：叶片在不同风速下的气动特性会发生变化，因此需要对叶片在多个工况下进行性能分析，并针对不同风速进行优化设计。
小型家用风力发电机毕业设计
小型家用风力发电机毕业设计1000字一、设计内容本次设计的目的是设计一台小型家用风力发电机，能够在一个家庭中使用。
此发电机可产生电流，将电力储存到电池中，通过逆变器将直流电转为交流电供应家庭用电。
设计将包括以下内容：1. 选择合适的风轮尺寸和型号。
2. 选出合适的发电机和电路。
3. 逆变器的设计与制作。
4. 发电机和逆变器的控制系统。
5. 外壳的设计和制造。
二、设计原理风力发电机是利用风能产生的机械能转变为电能的装置。
当环境中的风吹在旋转的叶片上时，通过叶轮将机械能传递给发电机。
发电机会将机械能转化为电能并储存在电池中，其后逆变器会将直流电变为交流电以供应各项家庭电力需求。
三、设计细节1. 风轮：通过大气压力的力量，使叶片旋转，最终达到发电目的。
在此设计中，我们选择了一种直径为0.9米，叶片数为三的风轮。
2. 发电机：发电机是小型家用风力发电机的核心。
在此设计中，采用了一台带有稳定器的直流发电机。
发电机输出电流的功率为250W。
3. 逆变器：逆变器可以将直流电转换为交流电，以供应家庭用电。
我们选择了一台可以将12伏直流电转换为220伏交流电的逆变器。
4. 控制系统：我们需要对风力发电机进行控制。
控制系统是根据风速来控制发电机的转速，将飞轮的转速保持在一个稳定范围内。
5. 外壳：外壳是保护小型家用风力发电机内部设备的一个重要部分。
我们选择了一种轻质的、具有良好透气性的材料来制作外壳。
四、设计结果这款小型家用风力发电机的核心部件是发电机和逆变器。
通过控制系统，可以在不同风速下保持转速的稳定。
外壳可以保护内部设备，同时也起到状觉上的美观作用。
通过此设计，我们发现小型家用风力发电机是最佳可持续能源选择之一。
它可以为家庭提供一定量的电力，同时具有环保和节能的特点。
微型风力发电机的设计与制造
微型风力发电机的设计与制造随着环保意识的提高和新能源的广泛应用，微型风力发电机逐渐成为一种趋势，被广泛应用于家庭、学校、农村等领域。
在本文中，我将介绍微型风力发电机的设计与制造流程。
一、设计首先，设计是微型风力发电机制造的重要环节。
在设计中，需要考虑以下几个方面：1.1 风轮设计风轮的设计是微型风力发电机的核心。
风轮应该具备如下特点：（1）具有足够的面积面积通常控制在50-60平方厘米左右，面积过小会使发电效率低下。
（2）合适的叶片数量一般来说，叶片数量为3-5片为佳，因为旋转速度不会太慢或太快。
（3）合适的材质常见的材质有塑料、木材、铝合金等，选择材料时要考虑材料的强度、重量、成本和易加工性等因素。
（4）减少风阻力在设计风轮时，需要减小风阻力，从而提高发电效率。
1.2 发电机设计微型风力发电机中常用的是直流发电机。
发电机的选择要根据风轮的转速匹配。
具体要求可参考厂家提供的技术数据。
1.3 控制器设计控制器通常是微型风力发电机的核心部件之一，它能够实时检测风轮的转速，并根据转速调节输出电压和电流。
1.4 塔架设计塔架的设计需要考虑到风轮的高度，风速和塔架的稳定性，一般需要在地面上混凝土基础上架设。
二、制造2.1 风轮制造在制造风轮时，首先需要根据设计图纸制作叶片，并考虑叶片的重心和均衡。
其次，需要制造风轮骨架，根据骨架形状来加工好齿轮，该齿轮与风轮直径相等，定位固定在骨架中间，轴向风轮输出转速。
2.2 发电机制造发电机的制造需要根据设计图纸加工各部件，如定子、转子和轴承等。
2.3 控制器制造控制器制造需要选择合适的电子元器件，如电容器、电阻器、磁性元件等，并制作出完善的电路板。
2.4 塔架制造塔架制造通常需要使用钢材，并进行切割，焊接和装配等工艺。
三、安装安装时需要先将塔架安装在地面上，并固定好，然后将风轮装在塔架的顶部，并与发电机和控制器接线连接。
最后，在安装好的组件上附加警示标志，避免外力干扰。
小型风力发电系统的设计与优化
小型风力发电系统的设计与优化随着对可再生能源的需求日益增长，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
在小型风力发电系统的设计与优化方面，有许多值得探讨的问题。
首先，设计一个高效的风力发电机是至关重要的。
风力发电机的设计应该考虑到多个因素，如风速、风向、发电机的转速和功率输出等。
为了提高发电机的效率，可以采用叶片的优化设计。
通过调整叶片的形状和材料，可以使得叶片在不同风速下都能够获得最大的捕风面积，从而提高发电机的效率。
其次，风力发电系统的优化还需要考虑到整个系统的稳定性和可靠性。
在设计风力发电系统时，应该考虑到风力发电机的安装位置、塔筒的高度和材料等因素。
同时，还需要考虑到系统的控制和监测装置，以确保系统能够在不同的环境条件下正常运行。
另外，风力发电系统的优化还需要考虑到经济性。
在设计风力发电系统时，应该考虑到投资成本、运营成本和维护成本等因素。
通过合理的设计和优化，可以降低系统的成本，并提高系统的经济性。
此外，小型风力发电系统的设计与优化还需要考虑到环境保护的因素。
在设计风力发电机时，应该尽量减少对环境的影响。
例如，可以采用低噪音的发电机，减少对周围居民的干扰。
同时，还应该考虑到废弃物的处理和再利用，以减少对环境的污染。
最后，小型风力发电系统的设计与优化还需要考虑到可持续发展的因素。
在设计风力发电系统时，应该考虑到系统的可持续性和可扩展性。
例如，可以设计系统以适应不同的风速和风向，以及不同的功率需求。
同时，还可以考虑到与其他能源系统的整合，以提高系统的可持续性和灵活性。
综上所述，小型风力发电系统的设计与优化是一个复杂而重要的问题。
在设计风力发电机时，应该考虑到多个因素，如效率、稳定性、经济性、环境保护和可持续发展等。
通过合理的设计和优化，可以提高系统的效率和可靠性，并降低系统的成本和对环境的影响。
同时，还可以促进可持续发展和减少对传统能源的依赖。
小型风力发电机总体结构的设计
小型风力发电机总体结构的设计首先，塔架结构是小型风力发电机的基础支撑结构，主要作用是稳定风轮的位置和方向。
塔架通常由金属或钢筋混凝土制成，高度一般在10米至30米之间。
在设计时，需要考虑到塔架的强度、稳定性和耐久性，以及便于安装和维护。
其次，风轮（葉片）设计是小型风力发电机的核心部分，负责接受风能并驱动发电机发电。
风轮通常由数个叶片组成，常见的材料有玻璃纤维、碳纤维等。
在设计时，需要考虑到叶片的形状、长度和材料的选择，以提高风轮的效率和稳定性。
风轮的设计应考虑到叶片的形态优化，以降低风阻和噪音，提高风能的利用率。
通常采用的形状有直接扇形、折叠扇形、三角扇形等，可以通过风洞实验和仿真计算来确定最佳形状。
此外，风轮还需要考虑叶片的长度和数量，以适应不同风速和功率要求。
第三，发电机是将风能转换为电能的关键设备。
通常采用的是永磁同步发电机，可以有效提高发电效率。
永磁同步发电机结构简单、效率高、体积小、重量轻，是小型风力发电机中较为常用的一种类型。
同时，发电机还需要配备适当的传感器和电器设备，以确保风能可以稳定地转换为电能，并兼容与电网或电池的连接。
最后，控制系统是小型风力发电机的重要组成部分，主要用于监测风速、机组运行状况、电压输出等，并根据实时情况对发电机进行调节。
控制系统通常包括风速传感器、转速传感器、电流传感器、电压传感器、电池管理系统等。
这些传感器和电器设备可以与发电机和电网进行连接，实现风力发电机的自动化控制和监测。
总之，小型风力发电机的总体结构设计需要考虑到塔架结构、风轮（葉片）设计、发电机和控制系统。
这些设计要素的合理搭配和优化可以提高风力发电机的效率、稳定性和可靠性，为户外和偏远地区提供可持续的电力供应。
风力发电机组叶片设计与优化
风力发电机组叶片设计与优化随着现代社会对可再生能源的需求不断增长，风力发电已成为一种广泛使用的能源。
对于风力发电机组而言，叶片是其中最为重要的组件之一。
它们负责将风能转化为机械能，并将其传递到发电机上。
因此，叶片的设计和优化对风力发电机的性能和效率至关重要。
在本文中，将会介绍风力发电机组叶片设计和优化的一些关键要素。
一、叶片设计的关键因素风力发电机组的叶片需要在不同的气流条件下工作，如风速、气流水平度和湍流强度等。
因此，在叶片的设计过程中，需要考虑以下因素：1、气动特性：叶片的气动特性是叶片性能的关键因素。
气流接触叶片表面时，会在叶片的上表面形成凸起，而在叶片的下表面则形成凹陷。
这种气动效应产生的升力将会推动叶片旋转。
2、材料：叶片的材料需要承受各种气流条件下的压力和应变，同时还需要具有足够的强度和刚度来承受自身重量和旋转惯性力。
常用的叶片材料有复合材料、玻璃钢和木材等。
3、长度和形状：叶片的长度和形状会影响其升力和扭矩。
长而窄的叶片具有较大的升力和较小的扭矩，而短而宽的叶片则具有较小的升力和较大的扭矩。
二、叶片设计的优化方法为了使叶片在不同的气流条件下具有最佳的性能和效率，需要进行叶片设计的优化。
以下是一些常用的叶片设计优化方法：1、拉格朗日方法：这种方法将叶片的运动视为拉格朗日方程的变量，并使用优化算法来寻找最佳的设计方案。
2、遗传算法：这种方法利用进化算法来找到最优的叶片设计。
在每一代中，将对当前设计的参数进行微调，以便更快地寻找到最佳设计方案。
3、CFD模拟：CFD(计算流体动力学)模拟可以对叶片在不同的气流条件下的工作进行模拟和分析。
这可以帮助优化叶片的设计和性能。
三、叶片设计的未来趋势风力发电机组的叶片设计已经取得了长足的进步，但是仍然存在一些挑战需要克服。
其中最重要的挑战之一是提高叶片的效率。
这可以通过采用新材料、优化叶片形状和增加叶片长度等手段来实现。
此外，尽管目前风力发电机组的叶片已经非常巨大，但是大型风力发电机组可能需要更长的叶片，以产生更多的电力。
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风力发电机的输出功率， 即风轮在各种转 速下所发出的功率。将叶片的气动外形参数代 入 Ｗｉｌｌｓｏｎ 气 动 模 型 可 以 得 到 风 轮 在 各 种 运 行 状态时的干涉因子 ａ、ｂ 和稍部损失系数 Ｆ， 依据 动量定理和动量矩定理， 风力发电机输出功率 为： Ｐ＝∫０Ｒ ０．８１×４"ＰＶ１%２（ １－ ａ） ｂＦｒ３ｄｒ
本设计中选取 ６ｍ／ｓ 为设计风速， 此风速对
应的风轮功率为：
Ｐ＝ＣＰ
１ ２
!"（
Ｄ２ ４
） Ｖ３#１#２
＝０．４×３．７１×６３×０．８１≈３００Ｗ
２．２ 设计尖速比 $０ 的确定 尖速比的计算公式为：
$０＝
%Ｒ Ｖ
（ ２）
式中： %－ － 风轮旋转角速度；
Ｖ－ － 设计风速。
小型风力发电机一般没有变速箱， 其中 %
式中的 ０．８１ 为机电效率。所得到的关系曲 线见图 ２。 ４ 结果分析
由图 ２ 可以看出， 风速为 ６ｍ／ｓ 时风力发电 机工作在最大效率点， 具有最大风能利用系数， 风速为 １２ｍ／ｓ 时风力发电机输出功率在 １５００Ｗ 附近。这样就满足了设计要求即在低风速段具 有较高的风能利用系数， 高风速段风能利用系 数较低， 风轮失速明显， 限制功率输出。 ５ 结论
·２９·
Байду номын сангаас
又是电动机转速。选用 ＨＹ－ １５００ 发电机， 其输出
图 ２ 风力发电机的输出功率－ 转速关系曲线
功率特性如图 １ 所示。从图上可以看出， 设计风速 ６ｍ／ｓ 功率为 ３００Ｗ 时对应的电机转速为 ３００ｒｐｍ， 所以： &０＝Ｒ%／Ｖ＝１．５×３００×２×"／（ ６０×６） ＝７．５ ２．３ 叶片气动外形参数的计算
［关键词］ 风力发电机 叶片设计
自 ２０ 世纪 ８０ 年代开始， 我国为了解决边 远缺电地区的用电问题， 已累计推广小型风力 发电机组 １９ 万台。但这些风电机组产品大多数 存在着如下缺点， 即设计风速较大， 实际运行中 风能利用系数低。为此， 本文提出了一种新的设 计思路， 即以使用产品地区出现频率较高的风 速作为叶片设计风速， 并利用该方法设计了设 计风速为 ６ｍ／ｓ、额定风速为 １２ｍ／ｓ 和额定功率 为 １５００Ｗ 的风力发电机， 计算了其理论输出功 率。 １ 设计风速的确定
研究与试验 表 ２ 叶片气动外形参数
图 １ 发电机功率—转速关系曲线
式中 Ｐ－ － 风力发电机输出功率， Ｗ；
Ｖ－ － 风力发电机设计风速， ｍ／ｓ；
Ｄ－ － 风轮直径， ｍ；
因为设计风速为 ６ｍ／ｓ， 风速为 １２ｍ／ｓ 时对
应的风能利用系数必定不是最佳的， 所以风能
利用系数在此暂取为 ０．２７。
研究与试验
小型风力发电机叶片设计风速的选择
冯国英 刘志璋
内蒙古工业大学能源与动力工程学院
［摘 要］ 根据内蒙古某地区 ２００４ 年月平均风速数据选定设计风速， 根据 ＨＹ－ １５００ 发电机的 输出功率特性， 利用 Ｗｉｌｌｓｏｎ 气动模型设计了 １５００Ｗ 风力发电机叶片。计算表明， 该风力发电机在低 风速段具有较高的风能利用系数， 风速较高时又具有较低的风能利用系数， 具有重要的实际应用价 值。
本文设计风速的选取是以产品使用地区风 资源数据为基础的。表 １ 为内蒙古某地区气象 站观测的 ２００４ 年风速数据， 根据当地的风资源 数据， ５￣６ｍ／ｓ 范围内的风速频率较高， 为了使风 力发电机在风频较高的风速段具有最大的风能 利用系数， 这里选取 ６ｍ／ｓ 为设计风速。
表 １ 内蒙古某地区气象站观测 ２００４ 年月平均风速
设计风速是风力发电机叶片气动外形设计 的一个重要参数， 与风力发电机在各种风速下
的效率密切相关。一般来说， 风力发电机运行在 设计风速下具有最大风能利用系数。目前国内 使用的风力发电机的设计风速即为额定风速， 多为 ８ｍ／ｓ 或者 １０ｍ／ｓ， 而我国内陆地区的风速 一般都很少能达到 ８ｍ／ｓ， 这样就使风力发电机 常常在风能利用系数较小的状态下工作。
２ 风轮气动外形的计算 ２．１ 风轮直径的确定
风轮直径可由下列公式进行估算：
·２８·
Ｐ＝Ｃｐ
１ ２
!"（
Ｄ２
４
）
Ｖ３#１#２
（ １）
! ! Ｄ＝
４Ｐ
＝
１ ２
!"Ｖ３ＣＰ#１#２
４×１５００ ２．８５×１０３×０．２７×０．８１
≈３（ｍ）
农 村 牧 区 机 械 化 ２００７ 年 第 ２ 期（ 总 第 ７１ 期）
本文的设计风速与额定风速为两种不同的 风速， 根据当地的风资源情况， 选用出现频率较 高的风速为设计风速， 这样就使风力发电机在 低风速段具有较高的风能利用系数， 年发电量 增加。而在高风速段风能利用系数较低， 风轮失 速明显， 起到了一定的限制功率的作用。
农农村 牧 区 机械化 ２００４７ 年年第第 １２ 期期（（ 总第 ５７７１ 期期）