一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片的制作方法

本发明涉及风力发电机叶片设计领域、仿生技术领域，尤其是涉及一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片。

背景技术：

风力发电机叶片的外形设计在整个风力机设计工作中起到至关重要的作用，叶片的形状及其气动性直接影响到风力发电机风能转换的效率，影响发电量。风力发电机叶片的设计大多是以动量—叶素理论为指导，通过选取高升阻比的翼型，按各翼型的气动中心对其进行展向排列来提高风力发电机的风能转换效率。

随着技术的发展，风力发电机叶片的设计方法有了新的研究进展。许多生物在长期生长过程中经过自然选择与其自身的进化表现出许多自身特有的优势。经过数百万年的进化，鸮形目鸟类的翅膀形成了不同于其它鸟类的独有特征，如主飞羽前缘的“锯齿”、羽毛后缘的“刘海”、翅膀表面的绒毛等。因此，本领域技术人员通过提取鸮翼非光滑的前缘结构和鸮翅膀的截面翼型设计出一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片，从而获得更高的风能转换效率，提高发电量。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片，主要特征包括风力发电机叶片所使用的翼型是仿生翼型，风力发电机叶片的前缘是非光滑结构。

所述风力发电机叶片使用的翼型是仿生翼型，该翼型是从鸮的翅膀截面中提取出来的。翼型提取使用到了三维逆向建模、曲线拟合等技术手段。提取出的翼型通过使用改进的wilson算法设计出具有仿生翼型的风力发电机叶片。

所述风力机叶片前缘的非光滑结构是由鸮翅膀前缘的非光滑特征提取出来的。所提取的非光滑特征是近似于正弦函数驱动的曲线，曲线的波长、振幅是根据翅膀的截面弦长所决定的。根据相似理论，将提取的非光滑前缘与设计出的仿生翼型风力发电机叶片进行耦合设计，从而设计出仿生风力发电机叶片。

附图说明

图1为本发明立体示意图。

图2为鸮翅膀50%截面翼型提取结果图。

图3为本发明翼型与非光滑前缘耦合风力发电机叶片图。

图4为在相同的风速条件下，仿生风力发电机叶片与标准风力发电机叶片的功率系数对比图。

图中，l—叶片长度、c1—最大弦长、c2—最小弦长、a—振幅、b—波长。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。根据专利要求，如图1所示本发明公开的是一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片。本发明具体实施方式采用的技术方案是：本发明的风力发电机叶片所使用的翼型是由鸮的翅膀50%截面翼型所提取出来的，风力发电机叶片的前缘的非光滑结构是根据鸮翅膀的非光滑前缘特征根据相似理论设计到风力发电机叶片前缘的。

本实施例中，所述翼型的具体形状如图2所示。翼型的提取是通过在鸮翅膀的三维模型中，选取翅膀模型50%处的截面通过曲线拟合得到的。所提取出的翼型弦长c为100mm，翼型的最大厚度为10.98mm，在弦长的10.28%位置处；最大曲率为7.49mm，在弦长的37.6%位置处。

由提取出的翼型通过改进的wilson算法首先设计出仿生翼型风力发电机叶片，所述仿生翼型风力发电机叶片的长度l为1333mm，叶片的最大弦长c1为279.3mm，最小弦长c2为56.9mm。

本实施例中，通过提取鸮翅膀三维模型的前缘特征，得到前缘凸起高度与凸起的中线间距之比为0.12~0.19。并且翼型非光滑前缘结构在一定范围内均与弦长成正比关系，决定前缘非光滑结构主要特征是波长与振幅，因此把非光滑前缘设定为连续的正弦曲线，正弦曲线的波长和振幅与风力发电机叶片翼型的弦长成正比。

所述的仿生翼型风力发电机叶片的扭角、弦长均沿展向方向发生变化，因此仿生非光滑前缘的波长和振幅也随着叶片的弦长而变化，但是变化范围与上述提取的非光滑前缘的变化范围保持一致。依据风力机叶片设计叶素理论，将设计的仿生翼型风力发电机叶片分成10份，每一份的弦长取该段前、后弦的平均弦长，每一份的前缘曲线均为正弦函数驱动的方程。以此可得仿生风力发电机叶片三维模型如图3所示，仿生风力发电机叶片的设计数据如表1所示。

表1

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图4为在相同的风速条件下，仿生风力发电机叶片与标准风力发电机叶片的功率系数对比图。风力发电机的功率系越高说明该风力发电机对风能的转换的效率越高，在相同的时间内发电量越高。在额定风速下(5m/s)通过改变叶尖速比对标准型风力发电机叶片和仿生风力发电机叶片的功率系数进行比较。由图可得功率系数随着叶尖速比的增大都出现先增加后降低趋势，但是在低叶尖速比下(tsr=1~4)仿生风力发电机叶片的功率系数相对于标准风力发电机叶片增加并不明显，在高叶尖速比下(tsr=4~7)仿生风力发电机叶片的功率系数相比于标准风力发电机叶片提高了17.7%。

通过对所述仿生风力发电机叶片的分析可以看出，在相同的风速条件下仿生风力发电机叶片能够获得更高的风能转换效率，进而提高发电量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片，主要包括风力发电机叶片所使用的翼型是仿生翼型和风力发电机叶片的前缘是非光滑结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片，其特征在于：使用的翼型是仿生翼型，该翼型是提取鸮翅膀50%截面翼型后经过拟合得到的，最后得到的翼型弦长为100mm时，翼型的最大厚度为10.83mm，在弦长的9%位置处；最大曲率为7.49mm，在弦长的37.6%位置处。

3.根据权利要求1所述的一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片，其特征在于：风力发电机叶片的前缘是非光滑结构，该非光滑结构是根据鸮翅膀的非光滑前缘特征按照相似理论设计到风力发电机叶片前缘的，该非光滑前缘结构是有振幅和波长所决定的正弦曲线。

4.根据权利要求2~3所述的一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片，其特征在于：所述的风力发电机叶片是由翼型与非光滑前缘特征进行耦合设计而形成的一种仿生风力发电机叶片，所述仿生翼型风力发电机叶片长度l为1333mm，叶片的最大弦长c1为279.3mm，最小弦长c2为56.9mm。

5.所述仿生风力发电机叶片的基本参数满足：

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技术总结
本发明涉及一种基于生物特征的仿生风力发电机叶片。鸮形目鸟类在飞行中翅膀所具有的结构以及截面翼型能表现出良好的气动性。因此，依据仿生学思想，使用逆向工程、曲线拟合等技术手段提取鸮翅膀50%处的截面翼型，以及鸮翅膀前缘的非光滑特征。根据提取出的翼型使用Wilson算法首先设计出仿生翼型风力发电机叶片，然后根据相似理论把提取出的非光滑前缘特征与设计出的仿生翼型风力发电机叶片进行耦合设计，得到仿生风力发电机叶片。所设计出的仿生风力发电机叶片在大叶尖速比下能获得更高的风能转换效率，从而提高发电量。

技术研发人员：陈坤;姚伟伟;冯文慧;魏建晖;高瑞彪
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：2020.11.03
技术公布日：2021.01.12