基于遗传算法的低风速大型风力机叶片优化设计研究

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1、硕士研究生学位论文新疆大学论文题目(中文)：基于遗传算法的低风速大型风力机叶片优化设计研究论文题目(外文)：ResearchofLargeWindTurbineBladeDesignOptimizationinLowWindSpeedBasedonGeneticAlgorithm研究生姓名：高鹏学科、专业：机械工程研究方向：机械制造及其自动化导师姓名职称：何连英副教授孙文磊教授论文答辩日期年月日学位授予日期年月日新疆大学硕士研究生学位论文摘要中国幅员辽阔，风能资源非常丰富，但随着规模化风电产业的飞速发展，陆上较高风速以上的风能资源的开发已经接近饱和，其利用

2、技术也已接近成熟。其实我国70%以上的风能资源是低风速风能资源，其相比非低风速风能资源可以说是更丰富，分布区域更广，开发价值更大。因此适用于四类风区(含弱三类风区)的低风速风电项目开发规模逐步扩大，低风速风力发电机组需求急剧增加。低风速风能开发利用的核心在于风力发电机组叶片对低风速风能的捕获效率，所以叶片设计的好坏决定了风力发电机组的优劣；而叶片又是由一系列翼型按某种规则铺设而成的，因此研究低风速风力发电机组叶片翼型的选择以及叶片气动性能优化设计对提升低风速风力发电机组风能转换效率和降低机组成本起到关键性的作用。在国家自然科学基金项目：“兆瓦级风能发电机组

3、叶片的动态特性研究与寿命预测”（51065026）和自治区自然科学基金项目：“兆瓦级风力发电机叶片状态退化及失效机理研究”（2011211A002）的资助下，本课题围绕大型低风速风力发电机组叶片形状优化设计方法、理论及关键技术开展了如下主要研究工作：首先在至今没有一台风力发电机组最大风能利用系数能超过贝茨理论所表明的风力发电机组最大风能利用系数为0.593的背景下，在分析风力发电机组的设计理论之后，认为叶素－动量理论仍然是确定风力发电机组叶片的设计参数以及载荷的依据。然后针对低风速地区即风能可利用区尝试采用经过修正的片条理论模型为设计方法，以此确定了切入风

4、速、额定风速和切出风速，另外，其他相关参数如额定功率、叶尖速比和风轮直径等也可确定下来，低风速风力发电机组叶片的基本设计参数的选定至此完成。继而对翼型的基本概念进行了阐述，按传统和专用两个类别对风力机翼型展开了描述。之后基于CFD流体分析软件Fluent对三种适用于低风速区的S系列翼型S816、S817和S818进行了包括压力场、速度场以及升阻比特性在内的I新疆大学硕士研究生学位论文气动性能分析，由分析结果可得这三种翼型的空气动力性能；然后对这些翼型进行叶片实体建模与性能验证，结果符合设计任务书的要求。最后建立了低风速风力机叶片形状优化数学模型，其中将优化

5、目标定为最大升阻比系数，将优化变量定为叶片弦长与扭角。参考优化学中的遗传算法思想，利用前述建立的优化模型，优化设计了前文中已设计好的2MW大型低风速风力机叶片，优化结果显示优化后的叶片空气动力性能较优化前的叶片空气动力性能有明显提升｡关键词：低风速风力发电机组；翼型；气动性能；遗传算法；叶片优化设计II新疆大学硕士研究生学位论文AbstractChinaisacountrywithvastterritoryanditswindenergyresourceissignificantlyrich.Butwiththerapiddevelopmentoflarg

6、e-scalewindpowerindustry,theexploitationofwindenergyresourceinhigherwindspeedonlandisclosetosaturation,andtheuseoftechnologyisroundedtomature.Actuallythewindenergyresourcesofourcountryinlowwindspeedarericherandwidelydistribution,occupyingabout70%ofthewholecountry’swindenergyresour

7、cesandhavinghugedevelopmentvalue.Thereforetheexploitationscaleofwindpowerprojectapplicabletofourwindresourcearea(includingweakthreewindresourcearea)isgraduallyexpanding;theneedsoflowspeedwindturbinehaveincreaseddramatically.Thekernelofexploitationoflow-wind-speedwindpowerliesinthe

8、energycaptureefficiencyofwindturb