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《风力机桨叶总体优化设计的复合形法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第22卷第2期太阳能学报Vol.22,No.22001年4月ACTAENERGIAESOLARISSINICAApr.,2001文章编号:0254-0096(2001)02-0157-05风力机桨叶总体优化设计的复合形法刘雄,陈严,叶枝全(汕头大学能源科学研究所,汕头515063)摘要:提出了以年能量输出最大为优化目标,使用复合形法搜索最优点的风力机桨叶总体优化设计模型。根据南澳风电场风速分布函数,使用该模型设计了600kW风力机。对比总体优化设计结果和引进的NM600kW风力机的实际数据,分析了设计结果的合理性;对比Wilson方法的设计结果,分析了总体优化设计方法的优越性。关键词
2、:风力机;优化设计;复合形法中图分类号:TK83文献标识码:A文提出了风力机桨叶的总体优化设计方法。总体优0引言[1][3]化设计方法采用较精确的片条理论(StripTheo-传统的风力机桨叶优化设计方法以桨叶各截面ry)计算风力机气动性能,以桨叶各截面弦长和扭角在设计风速处具有最大的功率系数为设计目标,比为设计变量,综合考虑了桨叶截面翼型气动特性、桨[1]如Glauert优化设计模型及Wilson修正模型。在叶截面之间的约束和风速的年分布情况,以风力机[2]早期的风力机设计中,这些方法得到了广泛的应用,的年能量输出最大为设计目标,采用复合形法作所设计的桨叶在设计点也能产生较大的功率
3、系数,为优化搜索方法。并且这种桨叶被认为是“最优”的。但是传统设计方[1]1风速的统计理论法忽略了一些重要问题,包括风场风况、桨叶各截面之间的约束等,所以采用这些方法所设计出来的桨1.1垂直高度对风速的影响[2]叶是否最优还值得商榷。由于风与地表摩擦的结果,所以风速是随着垂衡量风力机性能的基本尺度是风力机的年能量直高度的增加而增大,只有离地面300m以上的高[1]输出,也就是风力机全年内释放给消费者的电能。空才不受影响。在考虑高度对风速的影响中,常用风力机系统作为风能转换系统,显然,它产出的净能的是指数模型:量不但依赖于风力机组的效率,而且依赖于流过风vZU(Z)=UR(1)轮扫掠面
4、积的风所携带的能量。风场的风速总在随ZR时间不断变化,这可以由风速的年分布曲线来描述。式中Z———高度,U(Z)———高度Z处的风速,传统的设计方法在事先确定一个设计风速的情ZR———参考高度,UR———参考高度处的风速,况下进行,所以设计实际上是针对稳定风速的,而应v———经验风剪指数。经验风剪指数v随风场的地用中因为风速的变化往往使风力机偏离设计点运面粗糙程度和空气的温度梯度变化而不同,其数值行,所以并不能得到最大的功率系数。同时传统设通常在0.1～0.4之间。计方法没有考虑各个设计截面之间的约束,所设计1.2风速的周期变化的桨叶扭曲严重,难以加工,需要人为修正,而修正风速的周期
5、变化通常采用风速的频率特性来描势必带来性能误差。针对传统设计方法的弊端,本述。风速频率,又称风速的重复性,它一般指一年中收稿日期:1999-12-01基金项目:国家自然科学基金(59976020)和广东省自然科学基金(980434)资助。158太阳能学报22卷发生相同风速的时间数。在描述风速的分布情况扭角。中,Weibull模型应用最为广泛。1)设计变量KUK-1UK设计变量x确定为叶尖截面、叶根截面的弦长-fW(U)=eC(2)CC和每个截面的扭角。即:Ctip,Croot,β1,β2,…,βn。其中C为经验Weibull形状因子,K为经验Weibull中间截面的弦长使用线性插值得
6、到:标度因子,它们共同表征风电场的特性。平均风速Ci=Ctip+(Croot-Ctip)·(i-1)/(n-1)i=1,2,U与风速U的关系是:…,n(4)∞U=∫0Ufw(U)dU(3)2)目标函数:2复合形法简介maxOBJ=maxOBJ(β1,β2,…,βn,Ctip,Croot)(5)因为风力机的年能量输出E等于风力机的年复合形法是求解约束优化问题的一种最重要的平均功率和年总时间的乘积,而年总时间为常数,所直接解法。它的基本思路是在可行域内构造一个具以在计算中可以使用年平均功率作为设计目标。有k个顶点的初始复合形(见图1)。对该复合形各因此,定义目标函数为:顶点的目标函数值进
7、行比较,去掉目标函数值最大maxOBJ(β1,β2,…,βn,Ctip,Croot)=maxP(6)的顶点(称最坏点),然后按一定的法则求出目标函U数值有所下降的可行的新点,并用此点代替最坏点,P=∫0maxP(U)f(U)dU(7)构成新的复合形。复合形的形状每改变一次,就向其中P(U)为来流风速为U时的气动出功,f(U)为最优点移动一步,直至逼近最优点。该方法的适应风速频率的Weibull分布函数。性较强,在优化设计中得到广泛应用[3]。3)约束方程总
