垂直轴风力机变桨距控制参数优化选择的研究

发布时间：2020-05-04 19:01

【摘要】：随着人类社会环境问题和能源问题的日益严峻,风能等可再生能源开始被人类大规模开发。风力发电是风能最主要的一种利用形式,风力发电机按主轴与地面的相对位置分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类。目前水平轴风力机研究应用最为广泛,其理论已经比较成熟。近几十年来,垂直轴风力机的研究和应用开始受到世人的关注,但风能利用率低的缺点始终制约着它的发展。本文就是以升力型垂直轴风力机为研究对象,以提高其风能利用率为目的而进行研究。为提高升力型垂直轴风力机的风能利用率,本文将变桨距技术应用于升力型垂直轴风力机中,对风力机不同方位角下的桨距角进行优化选择,得到变桨距角曲线,通过改变桨距角的大小,使叶片在不同的位置获得合适的攻角,进而获得较大的转动力矩,从而改善其气动性能,达到提高垂直轴风力机的风能利用系数的目的。论文首先介绍了风力机设计的基本理论,然后详细分析了垂直轴风力机变桨距原理;接着利用计算流体力学软件Fluent,对垂直轴风力机叶片进行了气动性能仿真,分析了攻角对风力机叶片气动性能的影响规律;对不同桨距角下的定桨距垂直轴风力机进行了气动性能仿真,得到了定桨距垂直轴风力机单叶片扭矩曲线和风能利用率—叶尖速比曲线(Cpλ曲线);通过分析垂直轴风力机单叶片扭矩的变化规律,确定了桨距角的优化选择原则,得到了不同叶尖速比下的变桨距角曲线。最后利用Fluent对变桨距垂直轴风力机进行气动性能仿真,得到其最大风能利用率为0.495,与定桨距垂直轴风力机相比提升率达32.4%。为了与仿真结果进行对比验证,论文设计、研制了垂直轴风力机实验样机,同时进行了叶片气动性能实验,得到的实验结果与仿真结果基本一致。
【图文】：

垂直轴风力机,20世纪,80年代,风能

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文中在水平轴螺旋桨式风力机上，所以达里厄风力机的出现并未引起风能界很大的重视。紧接着，，第二次世界大战的爆发使全世界风能技术的发展都处于停滞。战后至 20 世纪 60 年代，廉价石油的大量使用又使包括风能在内的所有可再生能源都没有受到重视。

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a) Mag-Wind 公司的风力机 b) Clean field Energy 公司的风力机图 1-2 两种投入市场的垂直轴风力机自 2000 年以来，垂直轴风力机迎来了第三次发展高峰，特别是直线翼达里厄垂直轴风力机的研究和应用受到了北美、欧洲和日本等国家和地区的关注，同时许多形状各异的商用中小型垂直轴风力机被成功投入市场。比如，美国的 Mag-Wind 公司和加拿大的 Clean field Energy 公司推出了可安装于屋顶的垂直轴风力系统（图 1-2）；法国的 Gual industrie 公司、芬兰的 Windside 公司和意大利的 Ropatec AG 等公司推出了改良后的阻力型垂直轴风力机，尤其是芬兰 Windside 公司的 WS 系列风力机可以在极端恶劣的气候环境中工作。在日本，东海大学的暍和市教授从 1976 年就开始从事直线翼垂直轴风力机的研究，开发了 TWT 系列风力机叶片专用翼型（图 1-3），在日本各地安装了多台样机进行现场实验，并且在日本大力推广这种风力机[6-15]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TK83

【引证文献】