（一） 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
本作品針對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在湖南等低風(fēng)速地區(qū)發(fā)電能力不足的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)風(fēng)資源特性、葉片運(yùn)行特點(diǎn)的綜合分析，結(jié)合仿生學(xué)原理，研究海豚躍出水面的形態(tài)作為仿生翼型，并利用Profili軟件分析仿生翼型氣動(dòng)性能，開(kāi)發(fā)了低風(fēng)速啟動(dòng)的高升力仿生風(fēng)電翼型;根據(jù)仿生學(xué)原理，改進(jìn)了基于海豚背鰭仿生的渦流發(fā)生器布局位置；改進(jìn)傳統(tǒng)BEM理論，開(kāi)發(fā)了低風(fēng)速啟動(dòng)的高升力風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件；設(shè)計(jì)了低風(fēng)速啟動(dòng)的高升力風(fēng)電葉片。
（二） 研究目的
針對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在湖南等低風(fēng)速地區(qū)發(fā)電能力不足的問(wèn)題，我們產(chǎn)生了對(duì)風(fēng)電葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行改進(jìn)的想法，項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)風(fēng)資源特性、葉片運(yùn)行特點(diǎn)的綜合分析，結(jié)合仿生學(xué)原理，研究海豚躍出水面的形態(tài)，設(shè)計(jì)適應(yīng)于低風(fēng)速條件的高效仿生風(fēng)電翼型，并通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)動(dòng)量葉素理論（BEM），開(kāi)發(fā)一種適應(yīng)于低風(fēng)速地區(qū)的高升力仿生風(fēng)電葉片，希望可以促進(jìn)低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
（三） 研究?jī)?nèi)容
（1）依據(jù)仿生學(xué)原理，研究海豚躍出水面的形態(tài)，并利用Profili軟件分析其氣動(dòng)性能，設(shè)計(jì)一款適應(yīng)于低風(fēng)速條件的高效仿生風(fēng)電翼型；
（2）依據(jù)仿生學(xué)原理，基于海豚背鰭的仿生研究，對(duì)能改善小型風(fēng)電葉片升力特性的渦流發(fā)生器在葉片上的安裝位置進(jìn)行改進(jìn)；
（3）基于傳統(tǒng)BEM理論，并通過(guò)對(duì)風(fēng)資源特性、葉片運(yùn)行特點(diǎn)的綜合分析，開(kāi)發(fā)一款低風(fēng)速風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)一種適于低風(fēng)速地區(qū)的高升力小型風(fēng)電機(jī)葉片。
（四） 國(guó)、內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)
能源安全與環(huán)境污染問(wèn)題是當(dāng)今能源業(yè)界關(guān)注的兩大熱點(diǎn)問(wèn)題。為了應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)化石能源日益枯竭、全球環(huán)境污染加劇、以及碳排放過(guò)量引起全球氣候變化等問(wèn)題，世界各國(guó)于2009年12月19日在哥本哈根聯(lián)合國(guó)氣候變化大會(huì)上簽訂了《哥本哈根協(xié)議》，同意根據(jù)各國(guó)GDP大小減少二氧化碳排放量，同時(shí)風(fēng)能因其可觀的總量，受到全球各國(guó)的重視。我國(guó)于2016年11月發(fā)布的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出：到2020年底，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1億千瓦以上，風(fēng)電年發(fā)電量確保達(dá)到4200億千瓦時(shí)，約占全國(guó)總發(fā)電量的6%。2018年底我國(guó)風(fēng)電累積裝機(jī)容量達(dá)到213.9GW，新增裝機(jī)容量25.9GW，兩者均位居世界第一。在國(guó)家中長(zhǎng)期能源政策的鼓勵(lì)與支持下，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展前景非常廣闊。
小型風(fēng)力發(fā)電也是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要組成部分,我國(guó)能源局于2017年6月發(fā)布了《關(guān)于加快推進(jìn)分散式接入風(fēng)電項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)要求的通知》，明確提出要“本地平衡、就近消納”支持分散式風(fēng)電發(fā)展，且分散式風(fēng)電項(xiàng)目不受年度指導(dǎo)規(guī)模限制，為加快發(fā)展分散式小型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了機(jī)遇。
風(fēng)電葉片是風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的重要部件，直接影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率，因此風(fēng)電葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提高風(fēng)電機(jī)組的性能具有重大影響。目前國(guó)內(nèi)外科研工作者在風(fēng)電葉片氣動(dòng)性能分析、氣動(dòng)布局、仿生設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面進(jìn)行了較多研究。NitinTenguria[1]基于動(dòng)量葉素理論（BEM）對(duì)水平軸風(fēng)電葉片的NACA翼型進(jìn)行研究，通過(guò)改變翼型形狀增強(qiáng)了葉片的升力系數(shù)；李典[2]采用仿生技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片截面翼型進(jìn)行改進(jìn)，仿照鳥(niǎo)類翼型進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)，在一定范圍內(nèi)能夠延遲失速攻角、減小流動(dòng)分離；陳彩鳳【3】利用ANSYS workbench 對(duì)零轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下覆冰葉片進(jìn)行模態(tài)分析，得到覆冰葉片在零轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下前 12 階振型和頻率的變化情況，對(duì)失效部位進(jìn)行六西格瑪優(yōu)化，減少葉片質(zhì)量從而使風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)改進(jìn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化；吳映芳【4】研究發(fā)現(xiàn)在額定風(fēng)速附近葉片的攻角增大，加裝渦流發(fā)生器后可避免葉片失速，增加年發(fā)電量。葉片氣動(dòng)性能不佳，風(fēng)速和轉(zhuǎn)速不能匹配時(shí)，葉片的攻角增大，加裝渦流發(fā)生器有助于改善葉片的氣動(dòng)性能，增加發(fā)電量，還能定槳葉片，使額定風(fēng)速較大，葉片的攻角較大，增功效果顯著；Han Yang【5】根據(jù)低風(fēng)速地區(qū)的特征結(jié)合動(dòng)量葉素理論，優(yōu)化高風(fēng)速地區(qū)使用的風(fēng)電機(jī)葉片的比例模型為依據(jù)，設(shè)計(jì)適合于低風(fēng)速地區(qū)高氣動(dòng)性能的風(fēng)電葉片；王昊【6】通過(guò)比較 Wilson優(yōu)化方法、遺傳算法優(yōu)化方法和聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)設(shè)計(jì)變量弦長(zhǎng)進(jìn)行改進(jìn)，重新搜索尋優(yōu)得到該優(yōu)化方法下葉片的外形數(shù)據(jù)得到氣動(dòng)外形數(shù)據(jù)和氣動(dòng)外形結(jié)果；王驥月[7]利用便攜式三維掃描儀，掃描標(biāo)準(zhǔn)葉片，獲得標(biāo)準(zhǔn)葉片掃描點(diǎn)云，利用Imageware進(jìn)行點(diǎn)云處理，利用Geomagic Studio進(jìn)行逆向工程建模，得到標(biāo)準(zhǔn)葉片三維模型圖，通過(guò)截取橫截面，獲取標(biāo)準(zhǔn)翼型；陳亞瓊【8】基于翼型噪聲預(yù)測(cè)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停捎?XFOIL 程序計(jì)算翼型氣動(dòng)性能，通過(guò)遺傳算法得到了具有更好氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能的優(yōu)化翼型；于洪文[9]基于NACA0015翼型及鴿子數(shù)據(jù)特征，將優(yōu)緣凸起、后緣凸起及前后緣凸起三類翼型與NACA0015翼型進(jìn)行對(duì)比，分析得到翼型上下表面壓力分布、表面流場(chǎng)變化、剪切應(yīng)力分布及增升減阻各氣動(dòng)系數(shù)。
湖南等低風(fēng)速地區(qū)這幾年也在加快小型風(fēng)電的應(yīng)用，目前在風(fēng)光互補(bǔ)路燈（見(jiàn)圖1）、離網(wǎng)型通訊基站、家庭戶用風(fēng)電系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）等方面也有很多應(yīng)用實(shí)例，但湖南屬于中國(guó)低風(fēng)速地區(qū)，本項(xiàng)目組通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)湖南長(zhǎng)沙地區(qū)10m高度日平均風(fēng)速一般在1.5~6.5m/s之間，在應(yīng)用上述風(fēng)電系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)常面臨風(fēng)能利用效率較低、甚至停機(jī)的問(wèn)題，限制了湖南等低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
針對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在湖南等低風(fēng)速地區(qū)發(fā)電能力不足的問(wèn)題，我們項(xiàng)目組希望博采眾長(zhǎng)，能夠研發(fā)出更高效率、更優(yōu)外形、更低成本和更安全的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，促進(jìn)低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
 
圖1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈 圖2 家庭戶用風(fēng)電系統(tǒng)
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（五） 創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色
(1) 設(shè)計(jì)了基于海豚運(yùn)動(dòng)形態(tài)的低風(fēng)速仿生風(fēng)電翼型。
(2) 開(kāi)發(fā)了適應(yīng)于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件。
(3) 改進(jìn)了基于海豚背鰭仿生的渦流發(fā)生器布局位置。
(4) 改進(jìn)了適應(yīng)于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電葉片的氣動(dòng)布局。
（六） 技術(shù)路線、擬解決的問(wèn)題及預(yù)期成果
本項(xiàng)目組針對(duì)低風(fēng)速條件下高升力仿生風(fēng)電葉片開(kāi)發(fā)的技術(shù)路線如圖10所示。
圖10 技術(shù)路線簡(jiǎn)圖
擬解決以下主要問(wèn)題：
① 低風(fēng)速條件下高升力風(fēng)電翼型的設(shè)計(jì)問(wèn)題；
② 低風(fēng)速條件下渦流發(fā)生器的位置布局問(wèn)題；
③ 低風(fēng)速條件下風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題；
④ 低風(fēng)速條件下風(fēng)電葉片翼型、弦長(zhǎng)、扭角的協(xié)同布局問(wèn)題；
預(yù)期成果：
本項(xiàng)目針對(duì)風(fēng)電葉片在低風(fēng)速地區(qū)存在的啟動(dòng)困難和發(fā)電能力不足的問(wèn)題，結(jié)合風(fēng)電葉片運(yùn)行特點(diǎn)和仿生學(xué)原理開(kāi)展研究， 預(yù)期可取得以下研究成果：
① 預(yù)期可改進(jìn)和完善自主開(kāi)發(fā)的一款適于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電仿生翼型。
② 預(yù)期可改進(jìn)和完善自主開(kāi)發(fā)的一款適于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件。
③ 預(yù)期可制出一套適于低風(fēng)速地區(qū)的高升力風(fēng)電翼型和風(fēng)電葉片實(shí)物模型。
④ 提交一套適用于低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電仿生翼型和葉片氣動(dòng)特性分析報(bào)告。
（七） 項(xiàng)目研究進(jìn)度安排
年度目標(biāo)和工作內(nèi)容
1、2019.3~2019.6，對(duì)海豚的運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步觀察，通過(guò)Profilil軟件對(duì)其進(jìn)行氣動(dòng)特性和壓力分布分析，改進(jìn)和完善低風(fēng)速仿生風(fēng)電翼型設(shè)計(jì)；
2、2019.7~2019.10，對(duì)風(fēng)電葉片的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行進(jìn)一步分析，改進(jìn)和完善低風(fēng)速風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件；
3、2019.11~2020.1，改進(jìn)和完善低風(fēng)速高升力仿生風(fēng)電葉片外形參數(shù)的協(xié)同設(shè)計(jì)，并制作出實(shí)物模型。
4、2020.2~2020.5，搭建仿生風(fēng)電葉片實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的低風(fēng)速仿生葉片的氣動(dòng)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證。
5、2020.6~2020.12，完成低風(fēng)速風(fēng)電仿生翼型和葉片氣動(dòng)特性分析報(bào)告，完成項(xiàng)目結(jié)題。
（八） 已有基礎(chǔ)
1. 與本項(xiàng)目有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)
（1）項(xiàng)目組對(duì)湖南長(zhǎng)沙地區(qū)的風(fēng)資源狀況進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)湖南長(zhǎng)沙地區(qū)低風(fēng)速地區(qū)10m高度日平均風(fēng)速一般在1.5~6.5m/s之間，如圖3所示，在應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，經(jīng)常面臨風(fēng)能利用效率較低、甚至停機(jī)的問(wèn)題，急需解決低風(fēng)速條件下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)與高效運(yùn)行問(wèn)題。
圖3 長(zhǎng)沙地區(qū)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)
（2）項(xiàng)目組通過(guò)觀測(cè)研究海豚躍出水面的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)一頭1.5m海豚的體重為50kg左右，躍出水面的形態(tài)體現(xiàn)出它能產(chǎn)生很大升力，這種小攻角躍出水面的形態(tài)與風(fēng)力機(jī)葉片的運(yùn)行特征也很類似，如圖4所示，設(shè)計(jì)出了一種仿生翼型，如圖5所示，并利用Profili軟件對(duì)其形態(tài)進(jìn)行了氣動(dòng)性能分析，如圖6、7所示，發(fā)現(xiàn)此仿生翼型的升力系數(shù)和升阻比都比傳統(tǒng)風(fēng)電翼型高，主要原因是仿生翼型上的壓力分布比較均勻，如圖8所示，為設(shè)計(jì)適應(yīng)于低風(fēng)速條件的高效仿生翼型提供了理論依據(jù)。
圖4 豚躍出水面形態(tài)圖
圖6 仿生翼型與傳統(tǒng)翼型升力系數(shù)與阻力系數(shù)對(duì)比圖
圖7 仿生翼型與傳統(tǒng)翼型升阻比與力矩系數(shù)對(duì)比圖
圖8 仿生翼型壓力分布圖
（3）項(xiàng)目組通過(guò)認(rèn)真分析風(fēng)電葉片運(yùn)行時(shí)的工作特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電葉片在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的發(fā)電功率主要由葉片前三分之一段決定，因此如何提高風(fēng)電機(jī)葉片前三分之一段的捕風(fēng)能力是克服風(fēng)電葉片在低風(fēng)速地區(qū)發(fā)電效率不高的關(guān)鍵因素，項(xiàng)目組自主開(kāi)發(fā)了低風(fēng)速風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件，如圖9所示，為改進(jìn)低風(fēng)速條件下風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)提供軟件支持。
圖9 自主開(kāi)發(fā)的低風(fēng)速風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)軟件界面
2. 已具備的條件，尚缺少的條件及解決方法
目前已具有Profili翼型仿真分析軟件和風(fēng)電場(chǎng)仿真分析軟件WT、已自主開(kāi)發(fā)了低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片程序、本學(xué)院已建有風(fēng)電仿真機(jī)房、并已搭建了風(fēng)光互補(bǔ)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具備完成本項(xiàng)目的良好軟硬件條件。
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