CN107829876A - 一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，属于风力发电技术领域，通过不断的改变叶片的转动半径的初始值R(在高度h为叶片顶端处的R)，直至获得与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等的变倾角垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角，然后将垂直轴风力发电装置的叶片倾角设置为该最优叶片倾角，可以降低风剪效应对叶片载荷的影响，提高垂直轴风力发电装置的使用寿命；通过优化垂直轴风力发电装置的叶片倾角改善垂直轴风力发电装置的叶片载荷不均的现象，通过将垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化为最佳倾角，保证垂直轴风力发电装置的使用寿命和工作稳定性。
Description
技术领域
本申请实施例涉及风力发电技术领域，特别涉及一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法。
背景技术
随着全球经济的快速发展，大量的煤、石油和天然气等化石燃料被消耗掉，使得全球面临前所未有的能源危机和环境威胁，能源和环保已经成为目前亟待解决的重大问题。而风能是一种可再生能源，具有储量大、清洁无污染、地域分布广等诸多优点。而且，从技术角度上讲，地球上可以利用的风能资源比水能资源更丰富，约为200亿kW，发电量达到13PW·h，能够很好地满足全球电力需求，因此越来越多的人意识到开发风能的重要性。
已有技术中，风力发电装置主要包括阻力性和升力型，其中，升力型风力发电装置又包括水平轴风力发电装置和垂直轴风力发电装置。垂直轴风力发电装置相对水平轴风力发电装置具有如下优点：1、垂直轴风力发电装置的噪音极低，且安全性高，不会伤害飞行中的鸟类；2、不需要特殊的对风装置，可以接受任意方向的风力，风向的影响较小；3、垂直轴风力发电装置的塔架低，承载性能高且日常维护方便；4、垂直轴风力发电装置不需要设置沉重的齿轮箱和机舱，具有较高的系统稳定性和较小的成本；5、垂直轴风力发电装置的叶片制造工艺简单且具有较高的受力强度，其使用寿命长、稳定性高。
伴随世界能源需求持续增长，大量的陆地和海上风电场投入使用，风力发电装置机组的风轮直径不断增大，受到风剪切、塔影效应、湍流等因素的影响也不断增加，运行时的不平衡受力荷载也随之增大。风剪效应是指在垂直方向上风速随高度的增加而变化。如图1所示，在高度10～50m范围内风速增长趋势很明显，在高度大于50m时，风速增长趋势减缓。随着风力机功率越大，结构尺寸越大，叶片越长，上下两端风速差值越大，即叶片受到的载荷越不均匀，而风力机主要依靠叶片将风中的动能转化为机械能，叶片是风力机最主要的受力部件，风电机组中其它零部件受到的载荷也主要是由叶片上受到的载荷造成的，所以如何降低风剪效应对叶片载荷的影响，是提高垂直轴风力发电装置的使用寿命中亟待解决的技术难题。
发明内容
本申请实施例提供了一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，旨在通过优化垂直轴风力发电装置的叶片倾角改善垂直轴风力发电装置的叶片载荷不均的现象，通过将垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化为最佳倾角，保证垂直轴风力发电装置的使用寿命和工作稳定性。
第一方面，本发明提供了一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，所述方法包括：
步骤110：叶片顶端高度设置为高度h的初始值和叶片的转动半径设置为初始值R，并获取初始时刻的叶片载荷；
步骤120：将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷；
步骤130：获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一高度下的叶片载荷的差值的和的平方值；
步骤140：将同一叶片顶端高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一高度下的叶片载荷的差值的和的平方值中的最小值对应的叶片的转动半径确定为高度减小△h之后的叶片的转动半径最优值；
步骤150：循环执行步骤120、步骤130和步骤140，直至高度变为预设的最小值，执行步骤160；
步骤160：对一系列的高度值和对应的转动半径最优值进行数值拟合，确定数值拟合之后的曲线斜率，并将所述曲线斜率确定为垂直轴风力发电装置的叶片倾角；
步骤170：判断所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率是否相等；
步骤180：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率不相等，改变叶片的转动半径的初始值R(叶片顶端高度处)的大小，重新执行步骤110～步骤170；
步骤190：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等，则确定所述叶片倾角为垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角值。
可选的，所述将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷，具体为：
将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围(R-Range,R+Range)之内按照预设的步长Δr进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷。
可选的，叶片顶端高度设置为高度h的初始值，其中，所述h的范围为叶片上下端的高度范围：15米～45米。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明实施例提供的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，通过不断的改变叶片的转动半径的初始值R(在高度h为叶片顶端处的R)，直至获得与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等的变倾角垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角，然后将垂直轴风力发电装置的叶片倾角设置为该最优叶片倾角，可以降低风剪效应对叶片载荷的影响，提高垂直轴风力发电装置的使用寿命；也即本发明实施例提供的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，通过优化垂直轴风力发电装置的叶片倾角改善垂直轴风力发电装置的叶片载荷不均的现象，通过将垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化为最佳倾角，保证垂直轴风力发电装置的使用寿命和工作稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个示例性的不同高度的风速分布示意图；
图2为本申请一个示例性的垂直轴风力发电装置的整体结构图；
图3为本申请一个示例性的垂直轴风力发电装置的装配结构图；
图4为图3中A部分的局部放大图；
图5为图3中B部分的局部放大图；
图6为本申请一个示例性的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法的流程示意图；
图7为本申请一个示例性的垂直轴风力发电装置的叶片倾角调节示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”和“第八”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在对本发明实施例的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法进行详细说明之前，先简单介绍一下本发明实施例的方法的使用场景。本发明实施例的方法应用于垂直轴风力发电装置，其中，示例的，垂直轴风力发电装置的结构如图2、图3、图4和图5所示。下面将结合图2、图3、图4和图5，对垂直轴风力发电装置的结构做简单介绍。
参考图2所示，垂直轴风力发电装置包括叶片1、风力发电主体b和用于将叶片1固定在风力发电主体b上的叶片固定装置a。示例的，参考图2和图3所示，垂直轴风力发电装置包括5个叶片1，10个叶片固定装置a和1个风力发电主体b，其中，5个叶片固定装置a的一端与风力发电主体b的上端连接，其另一端分别与5个叶片1的上端连接，另5个叶片固定装置a的一端与风力发电主体b的下端连接，其另一端分别与5个叶片1的下端连接，即通过叶片固定装置a将叶片1的两端分别固定在风力发电主体b的两端，提高了叶片与风力发电主体间的连接强度。
参考图3所示，叶片固定装置a包括叶片支撑装置、用于将叶片1固定在叶片固定装置a上的叶片固定箍2，叶片支撑装置包括直臂3、支撑杆5、支撑架6、顶杆18、推杆19和卡爪20，其中，叶片固定箍2与直臂3的一端连接，直臂3的另一端与支撑杆5的端部采用第一固定螺栓4铰接，支撑架6固定在支撑杆5上，顶杆18的一端与推杆19的一端相连接，推杆19的另一端与叶片固定箍2通过卡爪20铰接；即当顶杆18沿支撑杆5的长度方向运动时，可以带动推杆19运动，进而在推杆19的带动下，叶片固定箍2和直臂3一起绕直臂3与支撑杆5之间的铰接轴转动。
参考图3所示，风力发电主体b包括顶盖8、上凸轮盘9、支撑杆固定座10、凹槽11、上轴承12、主轴13、凸轮盘连接杆14、下轴承15、下凸轮盘16、滚子21和基座17，其中，下凸轮盘9设置在基座17的上方，下轴承15设置在下凸轮盘16的中心孔内，主轴13的下端设置在下轴承15的中心孔内，即下凸轮盘16可以绕主轴13的中心线旋转；凸轮盘连接杆14的下端固定在下凸轮盘16，凸轮盘连接杆14的上端固定在上凸轮盘9上，上轴承12设置在上凸轮盘9的中心孔内，主轴13的上端设置在上轴承12的中心孔内，即上凸轮盘9可以绕主轴13的中心线旋转。其中，通过第二固定螺栓7将支撑杆5固定在支撑杆固定座10上。
参考图3和图4所示，上凸轮盘9和下凸轮盘16上均设置有凹槽11，凹槽11内设置有滚子21，滚子21与顶杆18连接。
进一步的，参考图3所示，上凸轮盘9和下凸轮盘16结构相同，上凸轮盘9和下凸轮盘16对称安装，也即上凸轮盘9和下凸轮盘16安装固定之后，其表面设置的凹槽11位于其远离凸轮盘连接杆14的表面。上凸轮盘9和下凸轮盘16对称安装，可以在保证上凸轮盘9和下凸轮盘16正常工作的情况下，将上凸轮盘9和下凸轮盘16设置成相同的结构，且表面设置相同的凹槽，进而降低凸轮盘的加工成本和凹槽的设置难度。
参考图4所示，滚子21安装在凹槽11内，即滚子21可以在凹槽11内沿凹槽的轮廓滚动，也即滚子21与凹槽11相互配合。
参考图3所示，垂直轴风力发电装置还包括风舵22和顶盖8，其中，风舵22固定在上凸轮盘9的表面，即上凸轮盘9可以在风舵22的带动下绕主轴13的中心线旋转。顶盖8设置在支撑杆固定座10上，具体的，主轴13设置在支撑杆固定座10的中心孔内，顶盖8设置在主轴13的上端，用于密封支撑杆固定座10上用于安装主轴13的中心孔，防止雨水和灰尘沿支撑杆固定座10的中心孔进入主轴13和上轴承12之间的间隙内，提高主轴13和上轴承12的工作寿命。
参考图3和图5所示，滚子21与顶杆18通过销钉铰接，顶杆18与推杆19通过销钉铰接，顶杆18可以沿支撑杆5主体的轴线方向运动。参考图3所示，叶片1与叶片固定箍2通过螺钉23固定，即采用螺钉23将叶片1和叶片固定箍2固定在一起。
旨在通过优化垂直轴风力发电装置的叶片倾角改善上述的垂直轴风力发电装置的叶片载荷不均的现象，本发明实施例提供一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，通过不断的改变叶片的转动半径的初始值R(在高度h为叶片顶端处的R)，直至获得与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等的变倾角垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角，然后将垂直轴风力发电装置的叶片倾角设置为该最优叶片倾角，可以降低风剪效应对叶片载荷的影响，提高垂直轴风力发电装置的使用寿命；也即本发明实施例提供的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，通过优化垂直轴风力发电装置的叶片倾角改善垂直轴风力发电装置的叶片载荷不均的现象，通过将垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化为最佳倾角，保证垂直轴风力发电装置的使用寿命和工作稳定性。
下面将参考图6～图7所示，对本发明实施例的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法进行详细说明。
参考图6所示，本发明实施例的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法包括：
步骤110：叶片顶端高度设置为高度h的初始值和叶片的转动半径设置为初始值R，并获取初始时刻的叶片载荷。
具体的，将叶片顶端高度设置为高度h的初始值和叶片的转动半径设置为初始值R，然后，计算该高度和叶片的转动半径下的叶片载荷，也即计算初始时刻的叶片载荷。需要说明的是，对于初始时刻的叶片载荷的具体计算方法和计算公式，本发明实施例不做具体限定，本发明实施例在此不再累述，本领域技术人员可以参考已有技术。
示例的，高度的初始值h的范围为15米～45米。参考图7所示，叶片的转动半径的初始值R如图7所示。
步骤120：将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷。
在高度设置的初始值h的基础上，将高度减小△h之后，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷。具体的，将高度的初始值h减小△h之后，叶片的转动半径在预设的数值范围(R-Range,R+Range)之内按照预设的步长Δr进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷。
步骤130：获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一高度下的叶片载荷的差值的和的平方值。
具体的，在高度为(h-Δh)的位置，半径r在(R-Range,R+Range)变化的过程中，基于双致动盘多流管理论，计算在不同半径、高度的组合下的叶片载荷N，然后计算同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷N与上一高度下的叶片载荷N0的差值的和的平方值。
步骤140：将同一叶片顶端高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一高度下的叶片载荷的差值的和的平方值中的最小值对应的叶片的转动半径确定为高度减小△h之后的叶片的转动半径最优值。
步骤150：循环执行步骤120、步骤130和步骤140，直至高度变为预设的最小值，执行步骤160。
通过不断的减小高度，循环执行步骤120、步骤130和步骤140，直至高度变为预设的最小值，示例的，直至高度变为预设的最小值15米，可以获得一系列的高度值和对应的转动半径最优值。
步骤160：对一系列的高度值和对应的转动半径最优值进行数值拟合，确定数值拟合之后的曲线斜率，并将所述曲线斜率确定为垂直轴风力发电装置的叶片倾角。
需要说明的是，在步骤160的执行过程中，对一系列的高度值和对应的转动半径最优值进行数值拟合，示例的，数值拟合的方法可以选用最小二乘法，确定数值拟合之后的曲线斜率，并将曲线斜率确定为垂直轴风力发电装置的叶片倾角。
步骤170：判断所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率是否相等。
具体的，根据ΔP＝|P(β,r)-P0(β0,r0)|＝0判断叶片倾角为曲线斜率的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率是否相等。
步骤180：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率不相等，改变叶片的转动半径的初始值R(叶片顶端高度处)的大小，重新执行步骤110～步骤170。
具体的，如果叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率不相等，则说明当前的斜率不是最优的叶片倾角，则改变叶片的转动半径的初始值R(叶片顶端高度处)的大小，重新执行步骤110～步骤170。示例的，可以增大或者减小叶改变叶片的转动半径的初始值R(叶片顶端高度处)的大小，重新执行步骤110～步骤170。
步骤190：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等，则确定所述叶片倾角为垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角值。
如果叶片倾角为曲线斜率的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等，则确定该曲线斜率为垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角值。
具体的，在步骤120、步骤130和步骤140的执行过程中，首先给定一个初始半径r的变化范围(R-Range,R+Range)，变化步长为Δr，计算每变化一个初始半径值，对应倾斜后的风力发电装置与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的风功率之差，寻找最小功率之差对应的初始半径r1。接着将初始半径r设置为r1，接着在(r1-Δr,r1+Δr)范围内改变叶片的转动半径，其中，变化梯度为Δr1(Δr1＜Δr，即缩小半径的变化值，提高计算精度)，再计算每变化一个初始半径值，对应倾斜后的风力发电装置与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的风功率之差，寻找最小功率之差对应的初始半径r2；然后再提高精度，直至倾斜后的风力发电装置与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的风功率之差为零，直至得到最优叶片倾角β和最佳初始半径R。
参考图7所示，叶片倾角为0°的垂直轴风力发电装置如图7所示，其中，垂直轴风力发电装置的叶片倾角调大和调小的调节示意图如图7所示，对此，本发明实施例不做累述，本领域技术人员可以参考图7，结合已有技术进行调整。
本发明实施例提供的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，通过不断的改变叶片的转动半径的初始值R(在高度h为叶片顶端处的R)，直至获得与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等的变倾角垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角，然后将垂直轴风力发电装置的叶片倾角设置为该最优叶片倾角，可以降低风剪效应对叶片载荷的影响，提高垂直轴风力发电装置的使用寿命；也即本发明实施例提供的一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，通过优化垂直轴风力发电装置的叶片倾角改善垂直轴风力发电装置的叶片载荷不均的现象，通过将垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化为最佳倾角，保证垂直轴风力发电装置的使用寿命和工作稳定性。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤110：叶片顶端高度设置为高度h的初始值和叶片的转动半径设置为初始值R，并获取初始时刻的叶片载荷；
步骤120：将高度h减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷；
步骤130：获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一高度下的叶片载荷的差值的和的平方值；
步骤140：将同一叶片顶端高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷与上一叶片高度下的叶片载荷的差值的和的平方值中的最小值对应的叶片的转动半径确定为高度减小△h之后的叶片的转动半径最优值；
步骤150：循环执行步骤120、步骤130和步骤140，直至高度变为预设的最小值，执行步骤160；
步骤160：对一系列的高度值和对应的转动半径最优值进行数值拟合，确定数值拟合之后的曲线斜率，并将所述曲线斜率确定为垂直轴风力发电装置的叶片倾角；
步骤170：判断所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率是否相等；
步骤180：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率不相等，改变叶片的转动半径的初始值R(叶片顶端高度处)的大小，重新执行步骤110～步骤170；
步骤190：如果所述叶片倾角的垂直轴风力发电装置的功率与叶片倾角为0的垂直轴风力发电装置的功率相等，则确定所述叶片倾角为垂直轴风力发电装置的最优叶片倾角值。
2.根据权利要求1所述的用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，其特征在于，所述将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围之内按照预设的步长进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷，具体为：
将高度减小△h，叶片的转动半径在预设的数值范围(R-Range,R+Range)之内按照预设的步长Δr进行变化，获取同一高度、不同叶片的转动半径时的叶片载荷。
3.根据权利要求2所述的用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法，其特征在于，叶片顶端高度设置为高度h的初始值，其中，所述h的范围为叶片上下端的高度范围：15米～45米。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN201711012193.2A CN107829876A (zh) | 2017-10-26 | 2017-10-26 | 一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201711012193.2A CN107829876A (zh) | 2017-10-26 | 2017-10-26 | 一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法 |
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| CN107829876A true CN107829876A (zh) | 2018-03-23 |
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| CN201711012193.2A Pending CN107829876A (zh) | 2017-10-26 | 2017-10-26 | 一种用于垂直轴风力发电装置的叶片倾角优化方法 |
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108536932A (zh) * | 2018-03-26 | 2018-09-14 | 华中科技大学 | 基于互扭约束条件下的航空叶片积叠轴垂直度计算方法 |
| CN109855598A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-06-07 | 五邑大学 | 一种基于无人机雷达测距的天线下倾角测量方法和装置 |
| EP3726050A1 (en) * | 2019-04-16 | 2020-10-21 | Mataro Holding BV | Turbine system with guide strip |
| CN112128058A (zh) * | 2020-09-23 | 2020-12-25 | 中国石油大学(华东) | 一种高效稳定的变倾角h型垂直轴风力发电机 |
| CN113969868A (zh) * | 2021-10-15 | 2022-01-25 | 长春光华学院 | 一种利用风力发电的风力发电机组igbt发电转换装置 |
-
2017
- 2017-10-26 CN CN201711012193.2A patent/CN107829876A/zh active Pending
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