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低风速启动垂直轴风力机的性能研究

作　者: 赵炜
导　师: 李涛
学　校: 昆明理工大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 导流挡风垂直轴风力机低风速正交优化计算流体动力学
分类号: TK83
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

从八十年代中期以来,作为一种清洁的可再生能源,风能受到世界各国越来越多的重视。经过二十多年的发展,现在风力发电已经具备了能与燃煤、核电等发电技术相竞争的能力。虽然目前水平轴螺旋桨风力发电机应用最广,但是由于垂直轴风力发电机具有低风速启动、安装维修方便以及抗风能力强等特点,人们又重新对它重视起来。本论文通过比较国内外先进的垂直轴风力机的商用机型,发现所有这些机型的原型是S型风力机或涡轮型风力机。在比较了这两种基本风力机的历史与当前研究现状后,选定更适宜低风速启动的涡轮型风力机作为研究对象。本论文参考国内上海大学的研究者对S型风力机的改进措施和国外垂直轴风力机的商用机型的构造,对涡轮风力机加装了导流挡风板以提高其性能。对垂直轴风力机的性能分析,本文主要从数值模拟和实验两方面研究了涡轮风力机及其导流挡风板的利用风能效果。应用计算流体力学软件FLUENT,选用二维非定常隐式解法求解,采用Spalart-Allmaras湍流控制方程,对控制方程用二阶迎风格式离散,压力速度场的计算采用SIMPLE算法,对涡轮风力机及其加装导流挡风板后的风力机的流场进行数值模拟,分析二者的流场特征,解释了导流挡风板能大幅提高风力机风能利用率的原因。影响涡轮风力机和导流挡风板结构的设计参数有叶片形状、转子的叶片个数、转子的直径、导流挡风板的个数、导流挡风版的安装角等,不同的参数组合得到不同型式的风力机构造,为了使性能达到最优需要进行正交优化。经过优化的带导流挡风板的涡轮风力机的风能利用率又有了明显提高。为了对风力机设计参数的优化结果进行验证,建造了直流式低速实验风洞进行风洞实验。在风洞试验中,制作了具有代表性的设计参数的涡轮风力机模型以及导流挡风板的模型,借助风速表、转速表、变频器等仪器,研究不同型式的风力机转子的性能,以及增加导流挡风板对风力机性能的影响。从实验结果的分析可以看出,设计参数优化得到的涡轮风力机性能优于其他风力机,而加装了导流挡风板之后,涡轮风力机的启动风速降低了,转速提高了,输出扭矩增大了,总体性能得到了明显的改善,同时也验证了数值模拟结果的正确性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-28
  1.1 课题研究背景  10-11
  1.2 国内外风电发展概况  11-18
    1.2.1 全球风能资源的分布  11-12
    1.2.2 我国风能资源的分布  12-13
    1.2.3 国外风电发展概况  13-16
    1.2.4 我国风电发展概况  16-18
  1.3 国内外风力发电机研制概状  18-24
    1.3.1 国外风力发电机的研制概状  18-21
    1.3.2 国内风力发电机的研制概状  21-23
    1.3.3 国内外风力机性能比较  23-24
  1.4 论文的选题意义  24-26
    1.4.1 垂直轴风力机的独特优势  24-26
    1.4.2 研究低风速启动的垂直轴风力机的意义  26
  1.5 论文的主要研究内容  26-28
第二章风力机及其理论  28-52
  2.1 风力机对风能的利用  28-30
    2.1.1 风能发电原理  28
    2.1.2 风能的计算  28-30
  2.2 风力机的种类与特性  30-38
    2.2.1 风力机的分类  30-31
    2.2.2 水平轴风力机  31-34
    2.2.3 垂直轴风力机  34-38
  2.3 风力机中所涉及的空气动力学理论  38-42
    2.3.1 升力与阻力  38-40
    2.3.2 升力系数与阻力系数  40-41
    2.3.3 影响升力系数与阻力系数的因素  41-42
  2.4 风力机的工作原理  42-46
    2.4.1 水平轴风力机工作原理  43-44
    2.4.2 垂直轴风力机的工作原理  44-46
  2.5 风力机基础理论  46-48
    2.5.1 贝茨(Betz)理论  46-48
    2.5.2 简化的垂直轴风力机理论  48
  2.6 风力机的特征参数  48-50
    2.6.1 风速参数  48-49
    2.6.2 叶尖速比(Tip Speed Radio)λ  49
    2.6.3 风能利用系数(Power Coefficient)C_p  49-50
    2.6.4 扭矩系数C_M和推力系数C_F  50
    2.6.5 实度(Solidity)  50
  2.7 本章小结  50-52
第三章风力机的数值模拟  52-70
  3.1 计算流体动力学基础知识  52-55
    3.1.1 计算流体动力学概述  52-53
    3.1.2 CFD的求解计算过程  53-54
    3.1.3 商用CFD软件介绍  54-55
  3.2 确定研究对象的流体性质  55-57
  3.3 流体动力学的控制方程  57-61
    3.3.1 守恒定律的控制方程  57-58
    3.3.2 湍流控制方程  58-61
  3.4 控制方程的离散  61-63
  3.5 流场的数值计算  63-64
  3.6 网格的生成  64-65
  3.7 风力机的流场模拟  65-69
    3.7.1 计算区域网格划分与边界设定  65-66
    3.7.2 FLUENT求解过程  66-68
    3.7.3 分析收敛性  68-69
  3.8 本章小结  69-70
第四章低风速启动垂直轴风力机的选型与优化  70-88
  4.1 低风速启动垂直轴风力机的选型  70-75
    4.1.1 S型风力机  70-72
    4.1.2 涡轮型风力机  72-74
    4.1.3 本论文研究的垂直轴风力机  74-75
  4.2 涡轮型风力机的正交优化  75-82
    4.2.1 正交优化方法  75-76
    4.2.2 涡轮型风力机性能的初步正交优化  76-78
    4.2.3 涡轮型风力机性能的深入正交优化  78-82
  4.3 导流挡风板的选型与优化  82-84
  4.4 导流挡风型涡轮风力机的气动性能  84-87
  4.5 本章小结  87-88
第五章低风速启动垂直轴风力机的实验研究  88-98
  5.1 实验目的  88
  5.2 实验设备及原理  88-91
    5.2.1 实验设备  88-90
    5.2.2 实验原理  90-91
  5.3 风轮形状的实验验证  91-96
    5.3.1 不同叶片数的风力机性能试验  92-93
    5.3.2 不同叶片扫略扇面角的风力机性能实验  93-94
    5.3.3 不同内圆直径的风力机性能实验  94-95
    5.3.4 不同叶片圆弧半径的风力机性能实验  95-96
  5.4 导流挡风板性能的实验验证  96-97
  5.5 本章小结  97-98
第六章总结与展望  98-100
  6.1 总结  98
  6.2 展望  98-100
致谢  100-102
参考文献  102-106
附录攻读硕士期间发表学术论文  106

低风速启动垂直轴风力机的性能研究

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