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风光塔式发电装置及方法的研究

作　者: 白文娟
导　师: 杨卫民
学　校: 青岛科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 风能热气流数值模拟 FLUENT 叶轮叶片
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在能源短缺、大气污染,水环境恶化与矿物质能源枯竭的今天,利用可再生清洁能源转化为电能,日益被世界各国所重视和开发。因此,风能开发有着巨大的经济、社会、环境价值和发展前景。所谓可再生能源是指风能、太阳能、生物质能、潮汐能和地热能等清洁能源转化为电能,而风力发电正是利用自然界气候变化引起大气环境过程中产生的风能造福人类。本文概述了风光发电的背景及意义,简要说明了该技术在国内外的发展状况及趋势,指出了风光发电技术的瓶颈所在,具体阐述了本课题的研究内容和所要实现的目标。针对目前风光利用和风机叶片的薄弱环节,提出了一种有效捕捉风能和利用微型风机叶片的风光塔式发电装置。根据该创新装置的简易图和多类型流道的对比,设计出单层八个空气流道的实验模型,运用计算流体力学软件FLUENT对其进行数值优化模拟分析；其次,采用对比法确定叶轮叶片的形状,用数值计算法设计其尺寸,用FLUENT软件对其进行优化模拟分析,运用模拟得出的数值进行计算,得出风能的有效利用率。最后依据设计的模型尺寸进行加工制造,搭建实验平台。在本文中,该装置利用风光进行发电,根据发电原理,为增大风道出口速度,风道内采用吸热材料；根据空气流道设计的进出口以及其他相关尺寸,运用三维软件UG进行建模,ICEM CFD软件进行网格划分,FLUENT软件进行数值模拟分析,运用得出的数值进行叶片相关参数计算。进行实验时,首先组装模型,选择适宜的实验环境；之后运用制造出的实验模型测定相关参数,计算得出叶轮叶片的离心力、风压力、气动力矩等。但经实验,结果表明：实验值与模拟值有很大差距,原因在于：叶轮叶片、转轴、发电机以及软件模拟的理想化等。通过对风光塔式发电装置的研究,充分发挥了大型CFD软件数值模拟的优点,可以根据数据进行多次模拟计算,节省实验过程中的人力和物力；此外,虽未达到理想结果,但不容否定的是：该风光发电装置大大减小了占地面积,降低了研究成本,增强了我国小型风光发电装置的开发能力,为以后风光塔式发电装置的进一步研究提供依据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
符号说明  9-11
1 绪论  11-21
  1.1 课题背景及意义  11-13
  1.2 风光发电技术在国内外的发展状况  13-18
    1.2.1 风光发电技术在国外的发展状况  14-15
    1.2.2 风光发电技术在国内的发展状况及趋势  15-18
  1.3 风光发电技术的瓶颈  18-19
    1.3.1 风能发电技术的瓶颈  18-19
    1.3.2 太阳能发电技术的瓶颈  19
  1.4 本课题的主要研究内容及目标  19-21
2 风光塔式发电装置的机理研究及外观模型建立  21-31
  2.1 风与风能  21-22
    2.1.1 风的形成  21
    2.1.2 风能  21-22
  2.2 风光发电概述  22-27
    2.2.1 风力发电系统概述  22-23
    2.2.2 太阳能热气流发电技术概述  23-24
    2.2.3 储能方式  24-26
    2.2.4 风光塔式发电装置的储能  26-27
  2.3 风光塔式发电装置发电方法及实验模型的建立  27-30
    2.3.1 风光塔式发电装置发电方法  27-29
    2.3.2 风光塔式发电装置的实体模型建立  29-30
  2.4 本章小结  30-31
3 风光塔式发电装置空气流道的设计与数值优化分析  31-55
  3.1 空气流道内的压力损失  31-33
    3.1.1 空气流道内的沿程压力损失  31-32
    3.1.2 空气流道内的局部压力损失  32-33
  3.2 空气流道的设计  33-39
    3.2.1 空气流道类型  33-34
    3.2.2 空气流道的设计方法  34-39
  3.3 空气流道数值模型的建立及模拟分析  39-54
    3.3.1 控制方程  39-41
    3.3.2 湍流模型  41
    3.3.3 控制方程的离散  41-43
    3.3.4 数值模型的建立  43-45
    3.3.5 网格划分  45-46
    3.3.6 模拟参数设置及求解  46-49
    3.3.7 计算结果分析  49-54
  3.4 本章小结  54-55
4 风光塔式发电装置风机叶片的设计与数值优化模拟  55-81
  4.1 叶片的设计方法与结构设计  55-67
    4.1.1 叶片设计参数  55-61
    4.1.2 翼型叶片的气动特性  61-62
    4.1.3 叶片的设计方法  62-65
    4.1.4 翼型叶片的结构设计  65-67
  4.2 翼型叶片的数值优化模拟  67-78
    4.2.1 数值模型的建立  67-68
    4.2.2 网格划分  68-69
    4.2.3 模拟参数设置及求解  69-73
    4.2.4 模拟结果分析  73-78
  4.3 翼型叶片参数计算  78-80
    4.3.1 风能利用率  78-79
    4.3.2 叶尖速比和实度的计算  79-80
  4.4 本章小结  80-81
5 风光塔式发电装置的实验研究及实验结果分析  81-88
  5.1 实验目的  81
  5.2 实验原理及实验装备  81-84
    5.2.1 实验原理  81
    5.2.2 实验装备  81-84
  5.3 实验方法  84-87
    5.3.1 实验准备  84
    5.3.2 数据的测量计算  84-86
    5.3.3 实验结果及结果分析  86-87
  5.4 本章小结  87-88
6 全文总结与展望  88-90
  6.1 全文总结  88-89
  6.2 展望  89-90
参考文献  90-93
致谢  93-94
攻读硕士期间发表的学术论文及其它研究成果  94-95

风光塔式发电装置及方法的研究

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