在19世紀，大型渦輪驅(qū)動的發(fā)電機被化石燃料驅(qū)動的發(fā)動機取代，以滿足工業(yè)需求和經(jīng)濟需求。與此相伴的是實施全國分布的電力網(wǎng)絡，您猜想它是在化石燃料上運行的。但是，當全球能源需求和氣候變化開始侵蝕社會需求時，在21世紀初出現(xiàn)了對風能的回歸。更好地了解空氣動力學和材料（尤其是聚合物）的進步也有助于這一點。在本文中，我們將討論如何再次優(yōu)化風力渦輪機設計，尤其是風力渦輪機葉片設計，但是這次是借助在線仿真。 

風力渦輪機：優(yōu)點和缺點

如今，大多數(shù)風力渦輪機被設計為可發(fā)電的，實際上被認為是世界上增長最快的能源之一。風力渦輪機的優(yōu)勢包括但不限于成本效益，作為清潔燃料的來源，可持續(xù)性以及將這些機制構(gòu)建在現(xiàn)有土地上的能力，例如農(nóng)場或牧場（在某些情況下，他們甚至被放置在海上作為海上風電場！）。

但是，由于高風地區(qū)通常偏遠并且遠離需要電力的地區(qū)，因此風力發(fā)電也具有挑戰(zhàn)性。為了實施，風能仍需要在成本基礎上與化石燃料競爭，并且在某些情況下，風能被認為不是特定土地上最有利可圖的用途。隨之而來的是，風力渦輪機葉片的設計可能會傷害當?shù)氐囊吧鷦又参铮ɡ瑛B類）。由于這些原因，優(yōu)化風力渦輪機設計以減輕這些挑戰(zhàn)比以往任何時候都更為重要。

風力發(fā)電機設計

具有水平安裝且平行于地面的軸的渦輪機稱為水平軸風力渦輪機或HAWT。大多數(shù)HAWT具有兩葉或三葉旋轉(zhuǎn)螺旋槳。垂直軸風力渦輪機（VAWT）的軸垂直于地面。不管是水平定向還是垂直定向，風力渦輪機葉片都將風能轉(zhuǎn)換為可用的軸功率，稱為轉(zhuǎn)矩。這是通過在風在葉片上移動時使風減速來從風中獲取能量而產(chǎn)生的。使風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)化渦輪機并由此增加風力發(fā)電的關(guān)鍵在于風力渦輪機葉片設計。

風力渦輪機葉片設計

風力渦輪機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，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的提升力。這里的訣竅是設計轉(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。

如果渦輪機的葉片旋轉(zhuǎn)太慢，則有太多的風會不受干擾地通過，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)量以及風力渦輪機螺旋槳葉片設計本身。那么，哪種葉片形狀和設計最適合風力渦輪機葉片？

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

詳細介紹了現(xiàn)代風力渦輪機葉片的空氣動力學設計原理，包括葉片平面形狀/數(shù)量，機翼選擇和最佳迎角。可以使用在線風力渦輪機模擬器工具進一步優(yōu)化和測試這些設計。

如何使用風力渦輪機模擬器工具優(yōu)化風力渦輪機葉片設計

那么，如何優(yōu)化風力渦輪機葉片設計呢？哪種形狀可以幫助您產(chǎn)生最大的凈能量？為了確定風力渦輪機設計的類型，形狀，大小等，工程師需要測試會在現(xiàn)實世界中波動的不同環(huán)境因素，例如風速和溫度。這可以通過SimScale等在線平臺通過在線計算流體動力學（CFD）仿真來完成。評估通常集中在風力渦輪機葉片設計和不同設計迭代的測試上。例如，扁平葉片是當今仍然使用的最古老的風力渦輪機葉片設計，但是，由于在向上沖程期間風向葉片自身推回，旋轉(zhuǎn)能力降低，扁平葉片變得不那么受歡迎。

然而，與其他風力渦輪機葉片設計相比，扁平葉片更易于設計。它們的生產(chǎn)成本更低，葉片形狀和尺寸一致性更易于復制，并且所需的專家知識更少。對于扁平的風輪機葉片設計，仍然可以通過在線仿真和評估設計迭代來進行優(yōu)化；從測試不同的材料（通過FEA模擬）到各種長度和寬度，這些都與一定的季節(jié)或適用環(huán)境相對應。使用SimScale，我們的許多用戶可以在不同的風速下模擬他們的風力渦輪機設計，以優(yōu)化其設計。

風力發(fā)電機模擬器：SimScale

使用SimScale的風力渦輪機模擬器使用計算流體動力學，用戶可以通過復制此公共項目并將其用作模板來優(yōu)化其風力渦輪機葉片設計，甚至可以從頭開始使用他們自己的渦輪機設計。

在此示例項目中，模擬了水平軸風力渦輪機（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)如何運行仿真以及獲得的結(jié)果的說明，該項目演示了如何使用SimScale評估任何大小或形狀的風力渦輪機設計。