摘 要

随着经济的发展，人类对能源的依赖越发严重。可在再生能源的开发变得尤为重要，在中国政策的支持下，我国可再生能源迎来新一轮发展。在众多可再生能源中，风力发电的发展前景非常广阔。H型垂直轴风力机因其结构简单、整机成本较低、使用上易于维护，且风能利用率有提升空间等原因，进来年引起相关学者的关注。

本文对100KW H 型垂直轴风力机叶片进行优化。用流管模型对风机运行状态进行简化，得到分析方法和计算公式，进行优化，分析选定翼型在流场中的压力分布。文中涉及的参数包括:叶片数，弦长，桨距角，实度等,利用控制变量的方法下寻找参数取值变化对性能的影响规律。通过分析，得出了风能利用系数随叶片参数的变化规律。Matlab 函数可以很好地解决多目标优化问题，且通过该算法得到的解与原始的数据相比，有一定的优化效果。

关键词：垂直轴风力机 叶片 Matlab算法

Aerodynamic Design of 0.5 MW H-type Vertical Axis Wind Turbine Blade

ABSTRACT

With the development of economy, human beings become more and more dependent on energy. The development of renewable energy has become particularly important. With the support of national policies, renewable energy has ushered in rapid development, among which wind energy has a broad prospect. Among many renewable energy source, wind power generation has a promising future. HAWT has attracted the attention of relevant scholars in recent years due to its simple structure, low cost, easy maintenance and room for improvement of wind energy utilization.

In this paper, the blade of 100KW HAWT is optimized. The flow tube model is used to simplify the running state of the fan, and the analysis method and calculation formula are obtained to optimize and analyze the pressure distribution of the selected airfoil in the flow field. The parameters involved in this paper include: blade number, chord length, pitch Angle, accuracy, etc., and the influence rule of parameter value change on performance is found by using the method of control variables. Through analysis, the variation rule of wind energy power workpiece ratio with blade parameters is obtained. MATLAB function can solve the multi-objective optimization problem well, and the solution obtained by this algorithm has a certain optimization effect compared with the original data.

Key word：Vertical Axis Wind; Blade; MATLAB algorithm

目录

100KW H 型风力机叶片外形设计 I

摘要 I

第一章 绪论 1

1.1 风力机发展背景 1

1.2 风力发电综述 2

1.2.1 国际总体发展 2

1.2.2 国内发展状况 3

1.3 垂直轴风力机发展状况 3

1.4 本课题研究的内容 4

第二章 风力机叶片计算方法 5

2.1 风机风轮转换基础 5

2.1.1 风轮动量理论 5

2.1.2 风轮叶素理论 7

2.1.3 叶素-动量理论 8

2.2 风力机翼型参数和气动特性 12

2.2.1 翼型里的专用术语 12

2.2.2 升力型垂直轴风力机工作原理及其运行状态分析 12

2.3 风力发电机基本概念 12

2.3.1 升力与阻力 12

2.3.2 风功率： 13

2.3.3 风能利用率 13

第三章 设计参数对气动特性的影响 14

3.1 流管模型 14

3.2 初步计算垂直轴风力机叶片相关参数 17

3.2.1 额定风速 17

3.2.2 风轮扫掠面积计算公式 17

3.2.3 风轮直径和叶片高度 18

3.2.4 叶尖速比 18

3.2.5 叶片数 18

3.2.6 叶片翼型 19

3.2.7 初步计算剖面弦长 19

3.3 风轮载荷计算 20

3.4 安装半径对风轮气动特性的影响 21

3.5 实度对风能利用系数的影响 22

3.5.1 弦长C对功率系数C_P的影响 22

3.5.2 不同叶片数B对功率系数C_P的影响 23

3.5.3 实度对风能利用系数的影响 24

3.6 桨距角对风能利用系数的影响 24

第四章 翼型气动特性分析 26

4.1 建立模型 26

4.2 边界条件的设定 26

第五章 垂直轴风机叶片的参数优化 28

5.1 传统优化设计方法 28

5.2 MATLAB函数优化 28

5.3 MATLAB优化过程 28

5.4 基于元胞自动机遗传算法 29

5.4.1 实度优化 31

5.4.2 对发电量进行优化 32

第六章 经济分析 34

第七章 结论和展望 35

7.1 结论 35

7.2 存在问题及展望 35

参考文献: 36

致谢 38

附录 39

绪论

风力机发展背景

随经济的发展，世界各国开始逐步转变国家能源结构构成，世界各国开始关注可再生能源的开发和利用，可再生能源首先在欧美等国家兴起。近年来随着我国经济的快速发展，我国同样面临世界其他国家的能源问题，主要是资源短缺，对煤炭等资源的过度开发利用，并且能源使用率较低，能源结构单一等。目前，在种类繁多的可再生能源中，风能因为其分布范围广，以相对稳定的形式存在，无污染可持续利用等特点收到世界的关注^[2]，成为各国的重点研究对象，目前最有利用价值，前景最广阔和技术最成熟的可再生能源是风能^[3]。

如今，风力发电机经过理论验证和实际测试的验证，已经可以提供安全可持续的能源。在风资源丰富的地方，风力发电的成本逐渐与传统能源发电成本接近。近几年，随着相关技术的发展和理论的研究，风能学者已经开发出尺寸更大，效率更高的风力发电机。随着风能部门扩大风能利用的领土和装机容量，风场从偏远山区逐步走向近海。水平轴风力发电机在风电市场上的占比很高^[8]，背后的主要原因是水平轴风力发电机可以实现更高的效率。但是水平轴风力发电机结构复杂，成本较高且维护成本高^[2]。水平轴风力机风轮功率与风轮直径呈正比，扩大风力机的直径能够提高风力机的功率，但是风轮直径的增大必然导致叶片质量增大、同时风轮在旋转时的弯矩增大、对叶片结构性能的要求提高，直径增大需要强度更高的材料来满足叶片受到的力，使水平轴风力发电机进一步大型化发展受到制约^[4]。

水平轴风力机的大型化近年来发展缓慢，越来越多的风电学者将目光投向垂直轴风力发电机。垂直轴风机具有扫掠面积大，质量轻，惯量小，结构简单等优点^[15]。垂直轴风力机可以分为阻力型和升力型^[19]，阻力型风机由于转子随风转动，因此风力机不可能比风速更快的旋转，这导致阻力型风机效率非常低。升力型风力机具有类似飞机翼型的叶片，这些叶片以比实际风速更高的速度移动^[5]。升力型风力机与阻力型相比，升力型风机叶片

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