● 摘要
进入二十一世纪以来，风力发电逐步成为主要的绿色能源形式，在全球范围尤其是在中国，得到了迅猛发展。近年来随着中国优势风场资源开发接近饱和，以及电网承载能力的瓶颈问题，大型风电领域的发展步伐逐渐放缓。另一方面，人们从雾霾天气、能源危机等环境问题中，再次意识到全力推进绿色能源的发展必然趋势，而对于风电领域来说，近城市风场资源的开发与直接利用可以避免风场饱和与输电瓶颈的问题。然而，风向多变、流场紊乱的近城市风场以及与人类居住环境的相容性需求，给小型风力发电技术提出了更高的要求。垂直轴风机具有无需对风（适应各向来流）、噪音低、造型美观多样、可设计性强等优点，是近城市风场风电机型的首选。叶轮的性能是决定风机整体性能的核心，为了实现垂直轴风电技术的应用，如何提高叶轮气动效率、结构效率与使用寿命是关键。同时，垂直轴风机的叶轮设计与垂直轴水轮机的叶轮设计有相似之处，研究水相垂直轴叶轮设计方法与性能对潮汐发电技术的发展有重要意义。
本论文从应用领域对垂直轴叶轮的技术需求出发，采用多尺度结构仿生设计、材料设计的方法，系统地研究了风机复合材料叶轮的气动行为、承载行为、发电效率等方面，对叶轮的结构和材料进行了优化，并对叶轮进行了综合性能的分析；在此基础上，针对水相中垂直轴复合材料叶轮，研究了结构设计和旋转行为，研究成果为高性能垂直轴绿色发电装置的设计、制造奠定了重要的理论和技术基础。
首先，在气动性能设计与分析的基础上，研究了翼型、叶片安装角度、叶片实度、阻力叶片对垂直轴树脂基复合材料叶轮气动性能的影响规律。研究表明，翼型对叶轮气动性能影响较大，其中对称翼型启动性能较弱，高风速效率较高，弯度翼型气动性能较高，小弯度翼型的高风速性能也很好；安装角度对不同翼型叶轮的气动性能影响显著，每种翼型均有不同的最优安装角度；在目前的研究范围内，叶片实度越大风轮气动性能越好；阻力叶片可以有效改善风轮的气动性能，同时，也在一定程度上提高了启动性能。
针对发电功率300W垂直轴风电系统，依据风机设计标准与风场类别，对复合材料叶轮进行了气动载荷分析与结构校核，优化了叶轮的跨度与叶片的铺层结构，分析了叶轮的振动特性，形成了垂直轴风电复合材料叶轮的结构设计方法；依据所设计的叶片结构，采用复合材料叶轮的一体化成型工艺，实现了叶柄、叶片模具与叶片的制备，并达到了承载性能要求。
为了复合材料叶轮的进一步轻量化，并提高其耐候性与气动效率，依据已设计的复合材料夹层结构叶片，通过纳米材料和仿生材料技术等，研究了芯材和蒙皮的增强方法。针对泡沫芯材，采用纳米碳管、植物纤维等对泡沫进行增强，实现了泡沫压缩强度30~50%的提升；对蒙皮运行面进行仿生结构的构筑，以减小其气动阻力，在叶片蒙皮表面制备了仿鸽子羽毛的微米级沟槽结构，研究了沟槽在叶片不同位置对叶轮气动性能的影响；开展了叶片防风沙涂层材料的探索研究，利用旋转平台—喷涂的方法，制备了仿贝壳叠层结构的涂层材料，证明所获得涂层的抗风沙性能明显优于现有涂层与天然贝壳材料。
为了评价所设计的垂直轴叶轮的发电性能，自主设计组建了发电机和垂直轴风机性能测试系统，研究了风轮形式、叶片数量、风轮直径、安装角度以及阻力叶片对发电效果的影响规律，结果表明，优化设计的叶轮所构成的垂直轴风力发电机组性能优异，启动风速1.5~2.7m/s，额定风速12~13m/s，额定功率300W，并在城市路灯照明系统中得到了应用。
在垂直风电叶轮研究的基础上，进一步研究了在洋流发电、河流发电领域应用的水相发电叶轮，设计了水相叶轮阻力评价系统，研究了沟槽表面、疏水表面、集气表面等仿生材料表面的制备方法，分析了其减阻性能。实验结果表明，具有表面沟槽结构的复合材料叶轮有显著的减阻效果，其中转速为60rpm时，减阻63.6%，转速为90rpm时，减阻40.8%。