升阻组合型垂直轴风力机气动特性的研究

论文摘要

近年来能源危机正在不断的加剧,可再生能源发展受到全世界的前所未有的广泛关注,风能作为可再生能源家族当中储量巨大、分布广泛、无污染又利用成本较低的一种清洁能源,越来越受到各国各行业的重视。就我国而言,近几年风电事业发展也十分迅速,2009年总装机容量就达到13803MW,一跃成为全世界第二大风电产业国家。未来能源格局会更加有利于风能的增长,特别是2011年正处在“十二五”开局之年,风能已被列入能源领域的重点发展方向,随着国内新进入厂商的陆续量产,国产风电设备份额也有望稳步提高,风能的发展风能领域的研究会日趋前进。在大型风电设备装机持续发展的同时,在风资源较贫乏地区也应加快小型离网型风力机的设计与开发,作为其他能源的有力补充。然而经过世界各国科学家多年的研究,风力机的技术已经取得了突飞猛进的发展,风力机的理论趋于成熟,种类趋于稳定。在这种情况下,开发新型风力机需要新思路,新思想。本论文即采用了组合法的思想,将具有性能互补性的两种风力机组合使用,发挥各自优势,从而开发出符合需求的新型风力机。本研究将阻力型风力机与升力型风力机进行组合。利用阻力型风力机启动性能好的特点来改进升力型风力机的启动特性,利用计算和试验的方法研究二者组合后风力机的空气动力特性变化,为新型垂直轴风力机的研究和应用提供理论依据。具体研究内容和研究结论如下:1)对哈尔滨郊区东北农业大学校园进行了风资源的调查,得到该地区年平均风速为3.09m/s。说明该地区属于低风速区,需要导入适用于低风速地区的小型垂直轴风力机。2)利用双多流管理论自行编制了直线翼垂直轴风力机的设计软件,利用该软件设计了一台额定功率1500W的风力机(额定风速12m/s)。以该风力机为基础,将异相三段萨喔纽斯风力机与其组合,设计了升阻组合型风力机。并进行了组合风力机的性能模拟。3)对单独型直线翼垂直轴风力机和组合型风力机进行了风洞试验研究,结果表明在低风速时,单独直线翼垂直轴风力机无法自启动,而组合型风力机可以顺利启动,在较高转速时的输出功率也有一定的提高。当在较高风速时,组合型风力机的启动特性较单独型有一定的提高,但在高转速时组合型风力机的输出功率较单独型有一定程度的降低。通过组合风力机与单独风力机流场与压力场的数值模拟计算结果表明,阻力风轮的存在影响了风轮后直线叶片的流入风速和压力,对叶片的气动特性产生了一定的影响,由此导致组合型风力机的输出特性降低。在后续的研究中要继续研究阻力风轮与风力机之间的最佳结构组合,在改善启动特性的同时,不对输出特性产生影响,当达到过风速阶段,使组合的Savonius风力机提早帮助直线翼垂直风力机刹车,使得风力机不致于因过高风速遭到破坏。4)分析试验结果与计算模拟结果可知,在低风速时计算与试验结果存在一定的差异,今后要进一步改进设计软件,提高精度,为垂直轴风力机的开发提供有力的设计工具。本研究可为低风速和风资源不丰富地区的风能开发与利用,新型垂直轴风力机的研发提供理论与试验参考。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 风能利用现状
• 1.2 垂直轴风力机分类及特点
• 1.2.1 升力型垂直轴风力机
• 1.2.2 阻力型垂直轴风力机
• 1.2.3 垂直轴风力机的特点
• 1.3 垂直轴风力机的发展和研究现状
• 1.4 本论文的研究目的和研究内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 2 垂直轴风力机相关理论
• 2.1 风力机性能参数
• 2.2 垂直轴风力机气动特性计算方法
• 2.2.1 动量理论
• 2.2.2 叶素理论
• 2.2.3 流管模型
• 2.2.4 涡流模型
• 3 研究内容与方法
• 3.1 东北农业大学校园内风资源调查
• 3.1.1 风资源评估理论与参数
• 3.1.2 测试装置与方法
• 3.2 升阻组合型垂直轴风力机设计
• 3.2.1 组合型风力机模拟计算方法
• 3.2.2 组合型风力机性能计算与分析
• 3.2.3 组合型风力机配合角度选择
• 3.2.4 组合型风力机几何参数及模型建立
• 3.3 风洞试验研究
• 3.3.1 风洞试验基本理论
• 3.3.2 试验装置与方法
• 3.4 数值计算研究
• 3.4.1 数值计算原理
• 3.4.2 计算参数设置
• 4 结果与分析
• 4.1 风资源调查结果与分析
• 4.2 风洞试验结果与分析
• 4.3 数值计算结果与分析
• 5 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文