低噪高效碟形风力机气动性能研究

发布时间：2020-08-15 18:17

【摘要】：近年来,全世界范围内风电产业蓬勃发展,风电已超过核电成为世界第三大主力能源,尤其在我国,风电累计装机和新增装机容量都已稳居世界第一位。但由于风电规划不均、电网承载能力不够等原因,风电消滞问题正在制约着我国风电产业的健康发展。发展分布式能源和小型风力发电是解决这一问题的有效手段,所以本文以此为出发点设计了全新形式的碟形风力发电机,并对其叶轮进行风洞试验和数值模拟,为其深入研究确定目标方向。具体的工作成果如下:(1)选定叶片安装角、叶轮开度作为主要研究对象,叶片数作为次要研究对象,根据设计思路确定模型尺寸并选定其中3个模型进行三维建模。采用3D打印技术和拆分打印的方法制作3个试验模型,设计并在风洞中安装测试实验台。(2)对3个模型分别进行风洞试验,包括启动性能和气动性能的试验,其中,每个模型安排多叶片对比试验。试验修正结果表明,30/45模型的整体性能优于其他两个模型,风能利用系数在0.42附近,可以在很低的风速下启动;30/30模型性能次之;60/45模型的性能与其他模型有明显的差距。(3)针对研究对象的特点,利用三维无厚度壁面的处理方法进行网格划分,通过对全尺寸系列的风力发电机模型进行基于正交试验方法的三维稳态数值模拟,获得其风能利用系数曲线和流场分布图,并对结果进行极差和方差分析。结果表明30/60模型具有最佳气动性能,叶片安装角对性能的影响最大。此外还对45/45模型进行了同阻塞比下的三维非稳态数值模拟,对其在风洞试验中出现的转速突变现象给出较为合理的解释。综合来看,风洞试验和数值模拟都证明了本文所研究的碟形风力机有着高于市场机型的风能利用系数,并且拥有很好的启动性能,结合其低噪的特点,将会成为小型风电研究发展的新方向之一。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK83
【图文】：

风电,装机容量,全球

第 1 章绪论为我国仅次于火电、火电的第三大主力能源。在世界范围内，风电经历了起步阶段（1990-1998 年）和缓慢发展阶段（1999-2007 年），装机容量从 2008 年开始，获得了指数型的增长：2016 年 2 月，全球风能委员会发布了《Global Wind Statistics 2015》，统计了直至 2015 年全球陆地及海上风力机的总装机容量。据报告显示，2015 年底全球风电累计装机容量达到 432419MW，较 2014 年底增长 17%，首次超过核能发电；2014年全球新增年装机容量为 63013MW，创历史新高[6]。全球风能协会表示，风电正在主导摆脱对化石燃料的依赖，全球风电市场逐步扩大，期待 2016 年能有更多的地区引进风电[6]。更多具体情况如图 1-1、图 1-2 所示。

对比图,风电,全球,装机容量

指数型的增长：2016 年 2 月，全球风能委员会发布了《Global Wind Statistics 2015》，统计了直至 2015 年全球陆地及海上风力机的总装机容量。据报告显示，2015 年底全球风电累计装机容量达到 432419MW，较 2014 年底增长 17%，首次超过核能发电；2014年全球新增年装机容量为 63013MW，创历史新高[6]。全球风能协会表示，风电正在主导摆脱对化石燃料的依赖，全球风电市场逐步扩大，期待 2016 年能有更多的地区引进风电[6]。更多具体情况如图 1-1、图 1-2 所示。图 1-1 2000-2015 年全球风电累计装机容量增长图[6]

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图 1-3 分布式小型风电应用分布式小型风力发电由于应用场景的限制，对设备的特性具有一定的要求，总的来讲包括：低噪声，高效率，切入风速低，设计美观，生态友好等。将传统风力发电机小型化作为一种解决思路的同时，更需要发展更符合分布式小型风力发电核心要求的机型，为风力发电打开新的道路。1.2 风力发电机类型与新型风力发电机研究1.2.1 风力发电机分类风力机是一种将风能转化为机械能，并可以通过一定的传动机构和发电设备实现电力和热力转换的一种机械，伴随着人类历史，已经发展了 2000 多年，从最初的风车，到达里厄（Darrieus）型和萨渥纽斯（Savonius）型风力机，直到现在广泛应用的航空翼型风力，种类和样式丰富，经典的风力机的形式如图 1-4 所示。根据不同的分类方式，可以将风力发电机划分成诸多个种类。其中，目前在风力行业利用和研究的最普遍使用的分类方法之一就是是阻力型和升

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