（一） 項目簡介
本作品針對小型風力發(fā)電機在湖南等低風速地區(qū)發(fā)電能力不足的問題，通過對風資源特性、葉片運行特點的綜合分析，結合仿生學原理，研究海豚躍出水面的形態(tài)作為仿生翼型，并利用Profili軟件分析仿生翼型氣動性能，開發(fā)了低風速啟動的高升力仿生風電翼型;根據(jù)仿生學原理，改進了基于海豚背鰭仿生的渦流發(fā)生器布局位置；改進傳統(tǒng)BEM理論，開發(fā)了低風速啟動的高升力風電葉片設計軟件；設計了低風速啟動的高升力風電葉片。
（二） 研究目的
針對小型風力發(fā)電機在湖南等低風速地區(qū)發(fā)電能力不足的問題，我們產(chǎn)生了對風電葉片氣動和結構性能進行改進的想法，項目組通過對風資源特性、葉片運行特點的綜合分析，結合仿生學原理，研究海豚躍出水面的形態(tài)，設計適應于低風速條件的高效仿生風電翼型，并通過改進傳統(tǒng)動量葉素理論（BEM），開發(fā)一種適應于低風速地區(qū)的高升力仿生風電葉片，希望可以促進低風速地區(qū)風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（三） 研究內(nèi)容
（1）依據(jù)仿生學原理，研究海豚躍出水面的形態(tài)，并利用Profili軟件分析其氣動性能，設計一款適應于低風速條件的高效仿生風電翼型；
（2）依據(jù)仿生學原理，基于海豚背鰭的仿生研究，對能改善小型風電葉片升力特性的渦流發(fā)生器在葉片上的安裝位置進行改進；
（3）基于傳統(tǒng)BEM理論，并通過對風資源特性、葉片運行特點的綜合分析，開發(fā)一款低風速風電葉片設計軟件，設計一種適于低風速地區(qū)的高升力小型風電機葉片。
（四） 國、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)
能源安全與環(huán)境污染問題是當今能源業(yè)界關注的兩大熱點問題。為了應對傳統(tǒng)化石能源日益枯竭、全球環(huán)境污染加劇、以及碳排放過量引起全球氣候變化等問題，世界各國于2009年12月19日在哥本哈根聯(lián)合國氣候變化大會上簽訂了《哥本哈根協(xié)議》，同意根據(jù)各國GDP大小減少二氧化碳排放量，同時風能因其可觀的總量，受到全球各國的重視。我國于2016年11月發(fā)布的《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出：到2020年底，風電累計并網(wǎng)裝機容量確保達到2.1億千瓦以上，風電年發(fā)電量確保達到4200億千瓦時，約占全國總發(fā)電量的6%。2018年底我國風電累積裝機容量達到213.9GW，新增裝機容量25.9GW，兩者均位居世界第一。在國家中長期能源政策的鼓勵與支持下，我國風電產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展前景非常廣闊。
小型風力發(fā)電也是風電產(chǎn)業(yè)的一個重要組成部分,我國能源局于2017年6月發(fā)布了《關于加快推進分散式接入風電項目建設有關要求的通知》，明確提出要“本地平衡、就近消納”支持分散式風電發(fā)展，且分散式風電項目不受年度指導規(guī)模限制，為加快發(fā)展分散式小型風電產(chǎn)業(yè)帶來了機遇。
風電葉片是風電機組將風能轉(zhuǎn)化為機械能的重要部件，直接影響風電機組的發(fā)電效率，因此風電葉片優(yōu)化設計對提高風電機組的性能具有重大影響。目前國內(nèi)外科研工作者在風電葉片氣動性能分析、氣動布局、仿生設計、結構優(yōu)化方面進行了較多研究。NitinTenguria[1]基于動量葉素理論（BEM）對水平軸風電葉片的NACA翼型進行研究，通過改變翼型形狀增強了葉片的升力系數(shù)；李典[2]采用仿生技術對風機葉片截面翼型進行改進，仿照鳥類翼型進行葉片設計，在一定范圍內(nèi)能夠延遲失速攻角、減小流動分離；陳彩鳳【3】利用ANSYS workbench 對零轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下覆冰葉片進行模態(tài)分析，得到覆冰葉片在零轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下前 12 階振型和頻率的變化情況，對失效部位進行六西格瑪優(yōu)化，減少葉片質(zhì)量從而使風電葉片結構改進、結構優(yōu)化；吳映芳【4】研究發(fā)現(xiàn)在額定風速附近葉片的攻角增大，加裝渦流發(fā)生器后可避免葉片失速，增加年發(fā)電量。葉片氣動性能不佳，風速和轉(zhuǎn)速不能匹配時，葉片的攻角增大，加裝渦流發(fā)生器有助于改善葉片的氣動性能，增加發(fā)電量，還能定槳葉片，使額定風速較大，葉片的攻角較大，增功效果顯著；Han Yang【5】根據(jù)低風速地區(qū)的特征結合動量葉素理論，優(yōu)化高風速地區(qū)使用的風電機葉片的比例模型為依據(jù)，設計適合于低風速地區(qū)高氣動性能的風電葉片；王昊【6】通過比較 Wilson優(yōu)化方法、遺傳算法優(yōu)化方法和聯(lián)合優(yōu)化設計方法，對設計變量弦長進行改進，重新搜索尋優(yōu)得到該優(yōu)化方法下葉片的外形數(shù)據(jù)得到氣動外形數(shù)據(jù)和氣動外形結果；王驥月[7]利用便攜式三維掃描儀，掃描標準葉片，獲得標準葉片掃描點云，利用Imageware進行點云處理，利用Geomagic Studio進行逆向工程建模，得到標準葉片三維模型圖，通過截取橫截面，獲取標準翼型；陳亞瓊【8】基于翼型噪聲預測半經(jīng)驗模型，采用 XFOIL 程序計算翼型氣動性能，通過遺傳算法得到了具有更好氣動性能和聲學性能的優(yōu)化翼型；于洪文[9]基于NACA0015翼型及鴿子數(shù)據(jù)特征，將優(yōu)緣凸起、后緣凸起及前后緣凸起三類翼型與NACA0015翼型進行對比，分析得到翼型上下表面壓力分布、表面流場變化、剪切應力分布及增升減阻各氣動系數(shù)。
湖南等低風速地區(qū)這幾年也在加快小型風電的應用，目前在風光互補路燈（見圖1）、離網(wǎng)型通訊基站、家庭戶用風電系統(tǒng)（見圖2）等方面也有很多應用實例，但湖南屬于中國低風速地區(qū)，本項目組通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)湖南長沙地區(qū)10m高度日平均風速一般在1.5~6.5m/s之間，在應用上述風電系統(tǒng)時，經(jīng)常面臨風能利用效率較低、甚至停機的問題，限制了湖南等低風速地區(qū)風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
針對小型風力發(fā)電機在湖南等低風速地區(qū)發(fā)電能力不足的問題，我們項目組希望博采眾長，能夠研發(fā)出更高效率、更優(yōu)外形、更低成本和更安全的風力發(fā)電機，促進低風速地區(qū)風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
 
圖1 風光互補路燈 圖2 家庭戶用風電系統(tǒng)
參考文獻：
[1] NitinTenguria, NDMittal, Siraj Ahmed. Investigation of blade performance of horizontal axis wind turbine based on blade element momentum theory (BEMT) using NACA airfoils[J]. International Journal of Engineering, Science and Technology, 2010, (12): 25-35.
[2] 李典,劉小民,楊羅娜. 仿鸮翼的三維仿生翼型葉片氣動特性研究[J]. 西安交通大學學報,2016,50(09):111-118.
[3] 陳彩鳳,成斌,李西洋,莫杰.風力發(fā)電機葉片模態(tài)分析及參數(shù)優(yōu)化[J].水力發(fā)電，2018,44(09):85-88.
[4] 吳映芳,趙春妮,張立新,朱英偉.渦流發(fā)生器在風力發(fā)電機組葉片上的應用[J].天津科技,2018,45(09):80-83.
[5] H.Yang, J.Chen, X.P.Pang, G.Chen.A new aero-structural optimization method for wind turbine blades used in low wind speed areas[J].Composite Structures, 2019, (207):446-459.
[6] 王昊,陸楊,周歡,韓春輝.聯(lián)合Wilson方法與遺傳算法的水平軸風力機葉片優(yōu)化設計[J].上海電力學院學報,2018,34(04):325-328,332.
[7] 王驥月，叢茜，梁寧，毛士佳，關歡歡，劉林鵬，陳創(chuàng)發(fā).基于海鷗翼型的小型風力機葉片仿生設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015,31(10):72-77.
[8] 陳亞瓊，方躍法，郭盛，等. 風力機專用翼型綜合優(yōu)化設計方法[J]. 中國機械工程，2015,26(9):1194-1200.
[9] 于洪文，徐成宇.基于仿鴿子翼型的風力機葉片結構氣動性能分析[J].長春理工大學學報（自然科學版），2018,2：13-22.
（五） 創(chuàng)新點與項目特色
(1) 設計了基于海豚運動形態(tài)的低風速仿生風電翼型。
(2) 開發(fā)了適應于低風速地區(qū)的風電葉片設計軟件。
(3) 改進了基于海豚背鰭仿生的渦流發(fā)生器布局位置。
(4) 改進了適應于低風速地區(qū)的風電葉片的氣動布局。
（六） 技術路線、擬解決的問題及預期成果
本項目組針對低風速條件下高升力仿生風電葉片開發(fā)的技術路線如圖10所示。
圖10 技術路線簡圖
擬解決以下主要問題：
① 低風速條件下高升力風電翼型的設計問題；
② 低風速條件下渦流發(fā)生器的位置布局問題；
③ 低風速條件下風電葉片設計軟件開發(fā)問題；
④ 低風速條件下風電葉片翼型、弦長、扭角的協(xié)同布局問題；
預期成果：
本項目針對風電葉片在低風速地區(qū)存在的啟動困難和發(fā)電能力不足的問題，結合風電葉片運行特點和仿生學原理開展研究， 預期可取得以下研究成果：
① 預期可改進和完善自主開發(fā)的一款適于低風速地區(qū)的風電仿生翼型。
② 預期可改進和完善自主開發(fā)的一款適于低風速地區(qū)的風電葉片設計軟件。
③ 預期可制出一套適于低風速地區(qū)的高升力風電翼型和風電葉片實物模型。
④ 提交一套適用于低風速地區(qū)的風電仿生翼型和葉片氣動特性分析報告。
（七） 項目研究進度安排
年度目標和工作內(nèi)容
1、2019.3~2019.6，對海豚的運動形態(tài)進行進一步觀察，通過Profilil軟件對其進行氣動特性和壓力分布分析，改進和完善低風速仿生風電翼型設計；
2、2019.7~2019.10，對風電葉片的運動特性進行進一步分析，改進和完善低風速風電葉片設計軟件；
3、2019.11~2020.1，改進和完善低風速高升力仿生風電葉片外形參數(shù)的協(xié)同設計，并制作出實物模型。
4、2020.2~2020.5，搭建仿生風電葉片實驗平臺，對設計的低風速仿生葉片的氣動性能進行實驗測試與驗證。
5、2020.6~2020.12，完成低風速風電仿生翼型和葉片氣動特性分析報告，完成項目結題。
（八） 已有基礎
1. 與本項目有關的研究積累和已取得的成績
（1）項目組對湖南長沙地區(qū)的風資源狀況進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)湖南長沙地區(qū)低風速地區(qū)10m高度日平均風速一般在1.5~6.5m/s之間，如圖3所示，在應用小型風力發(fā)電機時，經(jīng)常面臨風能利用效率較低、甚至停機的問題，急需解決低風速條件下風力發(fā)電機的啟動與高效運行問題。
圖3 長沙地區(qū)測風數(shù)據(jù)
（2）項目組通過觀測研究海豚躍出水面的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)一頭1.5m海豚的體重為50kg左右，躍出水面的形態(tài)體現(xiàn)出它能產(chǎn)生很大升力，這種小攻角躍出水面的形態(tài)與風力機葉片的運行特征也很類似，如圖4所示，設計出了一種仿生翼型，如圖5所示，并利用Profili軟件對其形態(tài)進行了氣動性能分析，如圖6、7所示，發(fā)現(xiàn)此仿生翼型的升力系數(shù)和升阻比都比傳統(tǒng)風電翼型高，主要原因是仿生翼型上的壓力分布比較均勻，如圖8所示，為設計適應于低風速條件的高效仿生翼型提供了理論依據(jù)。
圖4 豚躍出水面形態(tài)圖
圖6 仿生翼型與傳統(tǒng)翼型升力系數(shù)與阻力系數(shù)對比圖
圖7 仿生翼型與傳統(tǒng)翼型升阻比與力矩系數(shù)對比圖
圖8 仿生翼型壓力分布圖
（3）項目組通過認真分析風電葉片運行時的工作特點，發(fā)現(xiàn)風電葉片在旋轉(zhuǎn)運行時的發(fā)電功率主要由葉片前三分之一段決定，因此如何提高風電機葉片前三分之一段的捕風能力是克服風電葉片在低風速地區(qū)發(fā)電效率不高的關鍵因素，項目組自主開發(fā)了低風速風電葉片設計軟件，如圖9所示，為改進低風速條件下風電葉片的設計提供軟件支持。
圖9 自主開發(fā)的低風速風電葉片設計軟件界面
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
目前已具有Profili翼型仿真分析軟件和風電場仿真分析軟件WT、已自主開發(fā)了低風速風力機葉片程序、本學院已建有風電仿真機房、并已搭建了風光互補測試實驗平臺，具備完成本項目的良好軟硬件條件。
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