在19世紀(jì)，大型渦輪驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)被化石燃料驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)取代，以滿足工業(yè)需求和經(jīng)濟(jì)需求。與此相伴的是實(shí)施全國分布的電力網(wǎng)絡(luò)，您猜想它是在化石燃料上運(yùn)行的。但是，當(dāng)全球能源需求和氣候變化開始侵蝕社會(huì)需求時(shí)，在21世紀(jì)初出現(xiàn)了對(duì)風(fēng)能的回歸。更好地了解空氣動(dòng)力學(xué)和材料（尤其是聚合物）的進(jìn)步也有助于這一點(diǎn)。在本文中，我們將討論如何再次優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)，尤其是風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)，但是這次是借助在線仿真。 

風(fēng)力渦輪機(jī)：優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

如今，大多數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)被設(shè)計(jì)為可發(fā)電的，實(shí)際上被認(rèn)為是世界上增長(zhǎng)最快的能源之一。風(fēng)力渦輪機(jī)的優(yōu)勢(shì)包括但不限于成本效益，作為清潔燃料的來源，可持續(xù)性以及將這些機(jī)制構(gòu)建在現(xiàn)有土地上的能力，例如農(nóng)場(chǎng)或牧場(chǎng)（在某些情況下，他們甚至被放置在海上作為海上風(fēng)電場(chǎng)！）。

但是，由于高風(fēng)地區(qū)通常偏遠(yuǎn)并且遠(yuǎn)離需要電力的地區(qū)，因此風(fēng)力發(fā)電也具有挑戰(zhàn)性。為了實(shí)施，風(fēng)能仍需要在成本基礎(chǔ)上與化石燃料競(jìng)爭(zhēng)，并且在某些情況下，風(fēng)能被認(rèn)為不是特定土地上最有利可圖的用途。隨之而來的是，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)可能會(huì)傷害當(dāng)?shù)氐囊吧鷦?dòng)植物（例如鳥類）。由于這些原因，優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)以減輕這些挑戰(zhàn)比以往任何時(shí)候都更為重要。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

具有水平安裝且平行于地面的軸的渦輪機(jī)稱為水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)或HAWT。大多數(shù)HAWT具有兩葉或三葉旋轉(zhuǎn)螺旋槳。垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)（VAWT）的軸垂直于地面。不管是水平定向還是垂直定向，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片都將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為可用的軸功率，稱為轉(zhuǎn)矩。這是通過在風(fēng)在葉片上移動(dòng)時(shí)使風(fēng)減速來從風(fēng)中獲取能量而產(chǎn)生的。使風(fēng)減速的力與使葉片旋轉(zhuǎn)的推力式提升力相等并且相反。優(yōu)化渦輪機(jī)并由此增加風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵在于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)。

風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)

風(fēng)力渦輪機(jī)葉片以其彎曲形狀產(chǎn)生升力。彎曲最大的一側(cè)產(chǎn)生的空氣壓力較低，而與此同時(shí)，葉片形翼型另一側(cè)受力作用下的高壓空氣。最終結(jié)果是垂直于渦輪葉片上方的空氣流動(dòng)的提升力。這里的訣竅是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子葉片，以使其產(chǎn)生適量的轉(zhuǎn)子葉片升力和推力，從而產(chǎn)生最佳的空氣減速效果，從而提高葉片效率。

如果渦輪機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)太慢，則有太多的風(fēng)會(huì)不受干擾地通過，因此它無法獲得盡可能多的能量。另一方面，如果螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)太快，它將像大的扁平旋轉(zhuǎn)盤一樣作用在風(fēng)中，從而產(chǎn)生大量的阻力，但作用相同但相反。

最佳葉尖速度比（TSR）定義為轉(zhuǎn)子葉尖速度與傳入風(fēng)速之比，取決于轉(zhuǎn)子葉片形狀輪廓，渦輪葉片的數(shù)量以及風(fēng)力渦輪機(jī)螺旋槳葉片設(shè)計(jì)本身。那么，哪種葉片形狀和設(shè)計(jì)最適合風(fēng)力渦輪機(jī)葉片？

通常，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片被成形為以最小的建造成本從風(fēng)產(chǎn)生最大的功率。但是，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片制造商一直在尋求開發(fā)更高效的葉片設(shè)計(jì)。風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)產(chǎn)生了新的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)更緊湊，更安靜，并且能夠通過更少的風(fēng)力產(chǎn)生更多的功率。它相信，通過稍微彎曲渦輪機(jī)葉片，它們能夠捕獲更多的5％至10％的風(fēng)能，并在風(fēng)速通常較低的地區(qū)更高效地運(yùn)行。

詳細(xì)介紹了現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)原理，包括葉片平面形狀/數(shù)量，機(jī)翼選擇和最佳迎角。可以使用在線風(fēng)力渦輪機(jī)模擬器工具進(jìn)一步優(yōu)化和測(cè)試這些設(shè)計(jì)。

如何使用風(fēng)力渦輪機(jī)模擬器工具優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)

那么，如何優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)呢？哪種形狀可以幫助您產(chǎn)生最大的凈能量？為了確定風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的類型，形狀，大小等，工程師需要測(cè)試會(huì)在現(xiàn)實(shí)世界中波動(dòng)的不同環(huán)境因素，例如風(fēng)速和溫度。這可以通過SimScale等在線平臺(tái)通過在線計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真來完成。評(píng)估通常集中在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)和不同設(shè)計(jì)迭代的測(cè)試上。例如，扁平葉片是當(dāng)今仍然使用的最古老的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)，但是，由于在向上沖程期間風(fēng)向葉片自身推回，旋轉(zhuǎn)能力降低，扁平葉片變得不那么受歡迎。

然而，與其他風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)相比，扁平葉片更易于設(shè)計(jì)。它們的生產(chǎn)成本更低，葉片形狀和尺寸一致性更易于復(fù)制，并且所需的專家知識(shí)更少。對(duì)于扁平的風(fēng)輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)，仍然可以通過在線仿真和評(píng)估設(shè)計(jì)迭代來進(jìn)行優(yōu)化；從測(cè)試不同的材料（通過FEA模擬）到各種長(zhǎng)度和寬度，這些都與一定的季節(jié)或適用環(huán)境相對(duì)應(yīng)。使用SimScale，我們的許多用戶可以在不同的風(fēng)速下模擬他們的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)，以優(yōu)化其設(shè)計(jì)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬器：SimScale

使用SimScale的風(fēng)力渦輪機(jī)模擬器使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，用戶可以通過復(fù)制此公共項(xiàng)目并將其用作模板來優(yōu)化其風(fēng)力渦輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)，甚至可以從頭開始使用他們自己的渦輪機(jī)設(shè)計(jì)。

在此示例項(xiàng)目中，模擬了水平軸風(fēng)力渦輪機(jī)（HAWT）周圍的氣流以及作用在轉(zhuǎn)子上的合力。通過一些有關(guān)如何運(yùn)行仿真以及獲得的結(jié)果的說明，該項(xiàng)目演示了如何使用SimScale評(píng)估任何大小或形狀的風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)。