在19世紀，大型渦輪驅動的發電機被化石燃料驅動的發動機取代，以滿足工業需求和經濟需求。與此相伴的是實施全國分布的電力網絡，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：優點和缺點

如今，大多數風力渦輪機被設計為可發電的，實際上被認為是世界上增長最快的能源之一。風力渦輪機的優勢包括但不限于成本效益，作為清潔燃料的來源，可持續性以及將這些機制構建在現有土地上的能力，例如農場或牧場（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，由于高風地區通常偏遠并且遠離需要電力的地區，因此風力發電也具有挑戰性。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地的野生動植物（例如鳥類）。由于這些原因，優化風力渦輪機設計以減輕這些挑戰比以往任何時候都更為重要。

風力發電機設計

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HAWT具有兩葉或三葉旋轉螺旋槳。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換為可用的軸功率，稱為轉矩。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生的。使風減速的力與使葉片旋轉的推力式提升力相等并且相反。優化渦輪機并由此增加風力發電的關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生升力。彎曲最大的一側產生的空氣壓力較低，而與此同時，葉片形翼型另一側受力作用下的高壓空氣。最終結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子葉片，以使其產生適量的轉子葉片升力和推力，從而產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太快，它將像大的扁平旋轉盤一樣作用在風中，從而產生大量的阻力，但作用相同但相反。

最佳葉尖速度比（TSR）定義為轉子葉尖速度與傳入風速之比，取決于轉子葉片形狀輪廓，渦輪葉片的數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更高效的葉片設計。風力渦輪機葉片設計的不斷改進產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更高效地運行。

詳細介紹了現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化和測試這些設計。

如何使用風力渦輪機模擬器工具優化風力渦輪機葉片設計

那么，如何優化風力渦輪機葉片設計呢？哪種形狀可以幫助您產生最大的凈能量？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實世界中波動的不同環境因素，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或適用環境相對應。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，以優化其設計。

風力發電機模擬器：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子上的合力。通過一些有關如何運行仿真以及獲得的結果的說明，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。