摘 要

能源环境危机的严重性已经越来越明显，人们已经逐步意识到开发新型能源的重要性。风能作为目前已经开发的新型清洁可再生能源中技术相对成熟且储备量丰富的能源之一，其开发利用的技术前景越来越受到世界各国的关注。风力发电主要靠的就是风力发电机的转化作用，风力发电机要想成功转化风能就离不开叶片，因此，叶片才是整个过程中最关键的核心，与此同时，为了达到更高的风能利用系数，必须对叶片进行设计优化。

本篇论文以MATLAB为工具对叶片进行了设计与优化，主要进行了以下三方面工作：

（1）介绍了风力发电的研究背景，并分析了国内外发展形势。同时介绍了几种风力发电机叶片设计方法理论。

（2）主要采用叶素—动量理论设计方法，将设计对象设置为2MW风力发电机，初步选定相关参数，利用MATLAB软件，计算相关功率系数曲线，并且对比了不同参数变化对功率值的影响，最终确定最佳参数。

（3）以之前选用的最佳参数为基础，运用了MATLAB的优化函数，选择Glauert和Wilson设计优化方法，并对比设计优化结果。进行优化后叶片的三维建模。

关键词：叶片，叶素-动量理论，气动外形，MATLAB,，优化

Abstract

The scale of the energy and environment crisis has become increasingly obvious, people have gradually realized the importance of developing new energy.Wind power, of most clean and renewable energy technology is relatively mature and abundant energy reserves, it’s technical prospect of exploitation and utilization get more and more attention of countries all over the world. Wind power mainly depends on the transformation effect of wind turbines, the blade is indispensable to the successful conversion of wind energy , therefore, blade is the key to the core of the whole process. At the same time, in order to achieve higher wind energy utilization coefficient, the blade.optimal design must be carried out.

This paper base on the MATLAB tool for the blade design and optimization.there will be three main works in this paper.

(1) We will introduces the research background of wind power, and analyzes the development situation at home and abroad. At the same time, introduces several wind turbine blade design method theory,

(2) We will mainly use the BEM. The design object is set to 2 MW wind turbines, firstly, we will preliminary select related parameters, then using MATLAB software carry out the calculation of the power coefficient curve, and compared the effects of different parameters of power value, ultimately determine the optimal parameters.

(3) On the basis of previous choosed parameters, we will choose Glauert and Wilson optimization methods first and use the MATLAB optimization function to do optimization design, finally, contrast design optimization results are compared.

Keywords: blades, BEM, the aerodynamic shape, MATLAB, optimization

目录

摘 要 I

Abstract III

第一章 绪 论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内风电发展状况 3

1.3 本文研究问题及安排 5

第二章 风力发电机的设计理论及方法 7

2.1 贝兹极限 7

2.2 涡流理论 7

2.3 叶素理论 8

2.4 叶素-动量理论 9

2.5 本章小结 11

第三章 风力机叶片外形设计 13

3.1 风力机叶片参数的选取 13

3.1.1 叶片翼型的选取 13

3.1.2 切入与切出风速 14

3.1.3 额定功率 14

3.1.4 额定风速 15

3.1.5 安装角 15

3.1.6 风轮直径 15

3.1.9 风轮额定转 16

3.1.7 雷诺数 16

3.2 风机功率计算 17

3.3 各参数随风速的变化规律 18

3.3.1 攻角随风速变化规律 18

3.3.2 风能利用系数随风速变化规律 18

3.3.3 功率随风速变化规律 19

3.4 参数总结 20

3.5 本章小结 20

第四章 影响风机气动性能的参数分析 23

4.1 叶尖速比对风机气动性能的影响 23

4.2 叶片实度对风机气动性能的影响 24

4.3 叶片弦长对风机气动性能的影响 25

4.4 叶片扭角对风机气动性能的影响 26

4.5 本章小结 27

第五章 风力机叶片外形设计优化 29

5.1 风力机叶片优化设计方法理论 29

5.1.1 葛劳渥特方法 29

5.1.2 威尔逊方法 30

5.2 优化函数介绍 31

5.2.1 fmincon函数 31

5.2.2 linprog函数 33

5.2.3 quadprog函数 34

5.3 优化过程 34

5.3.1 Glauert优化方法 34

5.3.2 Wilson优化方法 35

5.4 优化结果分析 35

5.5 优化结果三维建模 38

5.6 本章小结 39

第六章 总结与展望 41

6.1 主要结论总结 41

6.2 后续工作展望 41

参考文献 43

致 谢 45

附录 47

第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

现代工业正在飞速发展，人类对能源的需求量显著增加，然而地球上现存的可利用常规能源日趋匾乏。近几年来，有专家大胆推测，石油也许只能开采39年，煤炭大概还可以开采221年，天然气能源还能用60年左右^[1]。也许，这些推测并不是很精准，但常规能源皆为不可再生能源，越来越少是必然的趋势，总有一天会用完的。

离开了能源，人类将无法前进与发展。近期，人们对能源工业的发展越来越心存疑虑，能源工业也面临着全球环境污染的压力；远期，矿物资源即将枯竭也成为现代能源工业面临的严峻问题之一。随着全球大众的环保呼声越来越高，新的能源结构的研发已成趋势，减轻环境污染的压力也是每个人责任。如何有效的提高人民的生活质量，己经成为全球共同关注的一个热点问题^[2]。

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