COE = Cost / Energy =TCO / AEP*Years
虽然通过该方法可以获得最接近于全局最优的设计结果,但是这是以巨大的计算量作为代价的。由于叶片的形状设计与风力资源情况、风轮的控制策略以及电机的设计有较强的关联,而叶片的结构设计则需要考虑各种结构、材料和工艺的选择,这样将叶片的形状设计和结构设计进行整合,意味着将风机设计几乎全部工作整合在一起,带来的巨大计算量大大减少了该方法在工程设计中的应用。
通过对以上已有的风机叶片设计过程和优缺点的分析,我们不难看出:风机叶片设计过程的难点在于形状设计和结构设计之间的关系的处理,或者称叶片设计过程的民主化问题(Design democracy)[4],即如何在形状设计和结构设计众多的设计参数中合理的选出优先的优化参数和优化目标。形状设计和结构设计是相互制约的两个过程,如果形状设计在完全不考虑结构设计的情况下进行,其结果很可能无法在结构上得以实现;而如果在形状设计阶段过多的考虑结构设计,则又会因计算复杂度的激增而影响工程可行性。
本文在对原有三种设计方法研究的基础上,综合考虑设计结果的优化、设计难度、运算量、工程可行性、软件实现等因素,最终提出了结构优先的设计方法。
2 结构优先的叶片设计方法
结构优先的叶片设计方法的主要思路是:通过给叶片的形状设计制定以叶片形状作为描述参数的叶型规则,将那些对叶片形状设计有重大影响的叶片结构设计相关的决策分析工作,提前到叶片的形状设计之前进行,以便在叶片的形状设计过程中克服结构设计可能存在的主要难点,从而获得更接近全局最优的设计。
该方法是以传统的先形状后结果的设计方法为基础的,其设计步骤如下:
1) 设计前提:明确叶片设计的基本的前提,包括材料、工艺、风力资源、工作环境等,尤其是要明确该前提与现有设计之间的关系;
2) 结构分析:基于结构分析,获得在以上前提条件下“结构优良叶型”的特征;
3) 形状设计:将“结构优良叶型”的特征用叶型参数表达,作为形状设计的约束条件,进行叶片形状设计;
4) 结构设计:以叶片形状设计的结果为基础,进行叶片结构设计;
5) 结果调整:对设计结果的确认和调整。