具有折线形导流板Savonius风力机气动特性研究
发布时间：2020-05-24 05:21
【摘要】：Savonius风力机具有结构简单,不易受风向影响、相对其它风力机来说启动性能较佳等优点,但风能利用率偏低,成为了限制其发展的主要原因。同时,在某些方位角下静态力矩系数偏低,也影响了风力机启动特性发挥。为了提高Savonius风力机的输出功率性能和静态启动力矩特性,本研究设计了一种折线形导流板,可以安装在Savonius风力机风轮的外部,用以更好地引入来流,改善风轮周围流场,提高风力机的整体性能。通过数值计算和风洞试验的方法对折线形导流的三个主要结构参数进行了研究,包括导流板数量、导流板与风力机距离,导流板与来流夹角。另外,在导流板研究之前,本研究首先对Savonius风力机的重叠比进行了研究,利用数值模拟的方法计算了具有三种典型重叠比的Savonius风力机静态启动力矩,还通过PIV可视化试验的手段获得了风轮周围的流动情况,并与数值计算结果进行了对比分析。主要研究内容如下:(1)选取了三种重叠比,分别为:0,0.2,0.5,利用数值计算方法研究具有三种重叠比Savonius风力机的静态启动力矩。通过PIV可视化试验的方法测试了在35°、90°和165°方位角下的风轮周围流场,并与数值计算结果进行了对比分析。(2)设计了一种折线形导流板,对导流板的参数进行了定义,并选取了导流板数量、导流板与风力机距离,导流板与来流夹角三个主要参数进行研究。借助正交设计方法得到9组参数配置方案,以最大平均静态力矩系数为目标,利用数值计算的方法对风力机的静态力矩进行了研究,获得了一组较优的导流板结构参数,进行了风洞试验,与数值计算结果进行了对比分析。(3)针对所获得的较优导流板结构参数,利用数值计算和风洞试验相结合的手段,对在三种风速下的风力机输出功率特性进行了研究。对在一个旋转周期内的动态力矩特性也进行了计算,分析了风轮周围的流动情况。通过上述研究,在本研究的条件下获得的主要结论如下:(1)重叠比对Savonius风力机的静态力矩特具有显著影响。相对重叠比为0和0.5的情况,重叠比为0.2时,风力机具有较好的力矩系数。通过分析计算和试验所获流场发现,重叠比的存在可以有效消除风力机风轮内部涡旋,减少能量消耗,提升力矩系数。(2)折线形导流板在整体上可以提高Savonius风力机的静态力矩特性。在大多数方位角下,导流板改善了风力机在静止状态下的来流入流情况。获得了一组较优的导流板参数:导流板数量为4个,导流板与来流夹角为15°,导流板与风力机距离为46 mm,其平均静力距系数较无导流板风力机提高了45.9%。(3)对于输出功率特性,具有较优导流板参数的Savonius风力机的风能利用率较无导流板风力机有一定的提升,且随着风速的增加改善效果更加显著。导流板也改善了风力机风轮周围动态流场,在大多数方位角下的动态力矩也有不同程度的提升。通过本研究获得的结果,可以为Savonius风力机性能的整体改善研究提供参考和借鉴,为导流型Savonius风力机的研究提供新的思路。
【图文】：
1 引言1.1 风能利用现状随着化石燃料的大量使用而导致资源匮乏以及对环境的污染，可再生能源的开发显现的尤为重要。可再生能源中，风能不但对环境不造成污染，而且取之不尽，用之不竭，不产生废弃物。世界上风能资源十分丰富，多分布在沿海地区。风能最大利用途径为风力发电，现在的风力发电技术比较成熟，是目前应用规模最大的新能源发电方式。发展风电已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，也是我国深入推进能源生产和消费革命、促进大气污染防治的重要手段[1]。国家能源局出台的《风电发展“十三五”规划》中提到，到 2020 年底，风电累计并网装机将达到 2.1 亿千瓦以上，风电年发电量将达到 4200 亿千瓦时，约占全国总发电量 6%。到2020 年，全球的风力发电能力将达 400GW[1]。我国风电行业的发展减弱了我国对化石燃料的依赖，对减少大气污染和控制温室效应的影响巨大，并且带动了相关产业的发展，增加了就业人数。
图 1-2 全球累计装机容量Fig. 1-2 The global total installed capacity目前，风力发电未来的发展方向主要朝着以下几点进行。首先，对于大型的陆上风力发电系统，未来的单机容量会不断增大，风机的高度也在不断上升，产出效率也会不断增加。其次，未来小型的风力发电领域可能会迅速发展。中小型风力发电场的创建成本低，相对于常规电力优势凸显。目前需要克服的主要问题是无风期间不能供电，，针对这个问题，可以在发电机组配备少量蓄电池，同时风力发电组还可以和其他动力源联合使用。最后，海上风电发展前景良好，因为海上风电具有风能优势。风电产生的噪音早已影响到人类的生活，在海上发展风电，有利于人类的健康。成本回收高，海上风力发电也是我国发展的迫切需要[3]。1.2 风力机分类风力机又被称为风车，是一种风的动能转化为机械能，而又转化为热能或者电能等的一种能量转换装置[3]。风能最初用于人类的提水以及碾磨。19 世纪末，丹麦人首先开始研究风力发电，从此风力发电的研究在世界上开始了新的征程。1973 年，由于出现了石油危机，因
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315
【图文】：
1 引言1.1 风能利用现状随着化石燃料的大量使用而导致资源匮乏以及对环境的污染，可再生能源的开发显现的尤为重要。可再生能源中，风能不但对环境不造成污染，而且取之不尽，用之不竭，不产生废弃物。世界上风能资源十分丰富，多分布在沿海地区。风能最大利用途径为风力发电，现在的风力发电技术比较成熟，是目前应用规模最大的新能源发电方式。发展风电已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，也是我国深入推进能源生产和消费革命、促进大气污染防治的重要手段[1]。国家能源局出台的《风电发展“十三五”规划》中提到，到 2020 年底，风电累计并网装机将达到 2.1 亿千瓦以上，风电年发电量将达到 4200 亿千瓦时，约占全国总发电量 6%。到2020 年，全球的风力发电能力将达 400GW[1]。我国风电行业的发展减弱了我国对化石燃料的依赖，对减少大气污染和控制温室效应的影响巨大，并且带动了相关产业的发展，增加了就业人数。
图 1-2 全球累计装机容量Fig. 1-2 The global total installed capacity目前，风力发电未来的发展方向主要朝着以下几点进行。首先，对于大型的陆上风力发电系统，未来的单机容量会不断增大，风机的高度也在不断上升，产出效率也会不断增加。其次，未来小型的风力发电领域可能会迅速发展。中小型风力发电场的创建成本低，相对于常规电力优势凸显。目前需要克服的主要问题是无风期间不能供电，，针对这个问题，可以在发电机组配备少量蓄电池，同时风力发电组还可以和其他动力源联合使用。最后，海上风电发展前景良好，因为海上风电具有风能优势。风电产生的噪音早已影响到人类的生活，在海上发展风电，有利于人类的健康。成本回收高，海上风力发电也是我国发展的迫切需要[3]。1.2 风力机分类风力机又被称为风车，是一种风的动能转化为机械能，而又转化为热能或者电能等的一种能量转换装置[3]。风能最初用于人类的提水以及碾磨。19 世纪末，丹麦人首先开始研究风力发电，从此风力发电的研究在世界上开始了新的征程。1973 年，由于出现了石油危机，因
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315
【参考文献】
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本文编号：2678518
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