恒速变桨风力发电机风轮工作特性分析

发布时间：2017-09-04 08:17

  本文关键词：恒速变桨风力发电机风轮工作特性分析

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【摘要】：全球经济的发展加速了能源的消耗,其中煤、石油、天然气等不可再生能源在我国的能源结构中占着主导地位。过度的能源消耗,加速了化石能源的枯竭,不利于能源的可持续发展。同时大量使用化石能源不可避免的产生二氧化碳等对环境有害的物质,对人们的生活健康有着不利影响。风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的重视。除了水能外,风能是最具有开发利用价值的可再生能源。风能的利用方式主要有并网型和离网型,中小型风力发电机既可以用作独立系统为用户生产和生活用电提供电力,也可以作为用户侧分布式并网系统,为用户侧电网输送电力。5k W风力发电机组由于容量适宜、运输维护方便、占地面积少受到了广泛的应用。风力机在生产应用中,为使风力机输出的频率与用户所需频率或电网频率相兼容,一般在风力发电机与电网间加入了复杂的换流系统,这个系统增加了电流中的谐波成份;增加了频率控制的电能功耗;增加了发电机的故障率;降低了发电机的可靠性。要实现中小型风力发电机的高可靠性就必须减少复杂、可靠性差的换流系统,因此研究一种高风能利用率的变桨恒速风力发电机非常有必要。本文首先由Wilson设计方法设计计算风轮的气动外形,同时基于叶素理论推导分析了5k W风力发电机在运行过程中的变桨原理,提出了不同风速下桨距角调节量的计算方法。然后利用MATLAB软件编程计算叶片的外形参数以及桨距角的调节量,并根据坐标转换原理将二维坐标转化成三维坐标,在Gambit软件中建立风轮模型。接着利用Ansys软件对风轮进行不同桨距角工况的数值模拟,模拟风力机在定桨运行时的功率输出特性以及风力机在变桨运行时的功率输出特性。最后以相似理论为依据,制作物理风轮实验模型,对实物模型的功率性能进行野外车载实验验证。本文通过对恒速变桨风力机风轮工作特性的研究,得到了以下成果:1.在风速低于额定风速下,为使风力机风能利用系数最大化,获得了变桨风力机的最佳桨距角与风速的对应关系;2.风速超过额定风速后,在风力机保持稳定的功率输出的条件下,获得了桨距角调节量与风速的关系;3.对风轮进行数值模拟,得到了风轮的在变桨工况下的功率输出特性;4.车载实验验证实物风力机定桨与变桨工况的输出特性。
【关键词】：恒速风力机 变桨 数值模拟 车载实验
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-13
• 1.1 研究背景及意义8-9
• 1.2 风力机的运行方式及技术方案路线9-10
• 1.2.1 变速恒频风力发电机9
• 1.2.2 恒速恒频风力发电机9-10
• 1.3 国内外研究现状10-11
• 1.3.1 国内研究现状10-11
• 1.3.2 国外研究现状11
• 1.4 本文主要研究内容11-13
• 第二章 恒速变桨风力机叶片气动性能计算13-21
• 2.1 叶片变桨气动性原理13-16
• 2.2 叶片气动外形设计16-18
• 2.3 风轮变桨方案设计18-20
• 2.4 本章小结20-21
• 第三章 变桨风力机叶片设计及三维建模21-32
• 3.1 风轮参数设计21-23
• 3.1.1 叶片数设计21-22
• 3.1.2 设计风速的选择22
• 3.1.3 风轮直径的计算22
• 3.1.4 叶尖速比的选择22-23
• 3.1.5 风轮实度的确定23
• 3.1.6 叶片翼型的选择23
• 3.2 MATLAB编程计算及外形优化计算23-29
• 3.2.1 最佳攻角确定及扭角计算23-26
• 3.2.2 弦长及扭角修正26-27
• 3.2.3 恒速变桨方案计算27-28
• 3.2.4 叶片三维坐标转换28-29
• 3.3 风轮三维建模29-31
• 3.4 本章小结31-32
• 第四章 风轮仿真模拟及分析32-45
• 4.1 ANSYS仿真原理介绍32-35
• 4.1.1 CFD控制方程32-34
• 4.1.2 CFD湍流模型34-35
• 4.1.3 CFD气动性能数值模拟35
• 4.2 风轮仿真模拟35-39
• 4.2.1 计算域划分35-36
• 4.2.2 网格划分36-37
• 4.2.3 网格质量检查37-38
• 4.2.4 边界条件及求解器设置38-39
• 4.3 仿真模拟结果分析39-43
• 4.3.1 变桨风轮功率输出特性分析41-42
• 4.3.2 定桨与变桨风力机输出特性对比分析42-43
• 4.4 本章小结43-45
• 第五章 风力机实物模型实验45-57
• 5.1 相似理论简介45
• 5.2 风轮相似模拟计算45-46
• 5.3 实物模型参数计算及制作46-47
• 5.4 风力机车载实验47-52
• 5.5 实验数据处理及结果分析52-56
• 5.5.1 实物模型风机功率特性分析52-55
• 5.5.2 原型风机与模型风机功率特性分析55-56
• 5.6 本章小结56-57
• 第六章 结论与展望57-59
• 6.1 结论57-58
• 6.2 展望58-59
• 参考文献59-61
• 致谢61-62
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果62

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 赵福盛;;小型风力发电系统(三)[A];中国农机工业协会风能设备分会《中小型风能设备与应用》（2013年第4期）[C];2013年

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本文编号：790367