垂直轴风力发电机翼型动力学特性的研究

摘要

随着社会经济的发展，人类对能源的需求越来越大，传统的化石能源面临枯竭的危机，并且其在消耗的过程中，给环境带来了严重的污染。节约能源，保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件，开发和利用可再生能源已成为社会发展的迫切需要。风能作为一种可再生的清洁能源，从八十年代中期以来开始受到世界许多国家的重视。随着科学技术的发展，特别是空气动力学、尖端航天技术和大功率电力电子技术应用于风力发电机组的开发研制，使得风力发电在短短一、二十年里有了长足的发展。现在，风力发电在技术和经济上都已经具有了同燃煤、核电等发电技术相竞争的能力。 风力发电机通常可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两大类。尽管国内外应用最广的是水平轴螺旋桨式风力发电机，但由于垂直轴风力发电机不受风向的限制，发电机安装及维修比较方便等优点，正逐渐受到人们的重视。相对水平轴风力发电机而言，垂直轴风力发电机可供借鉴的数据资料比较缺乏。在风力发电机组中，叶片是关键部件，叶片的翼型安装角对风能的利用效率有重要的影响，所以本文为了寻找使垂直轴风力发电机做功最大的最佳翼型安装角，设计了垂直轴风力发电机翼型空气动力学特性测试系统，利用该系统进行风洞模拟试验，研究翼型在气流中的空气动力特性，测定使翼型绕主轴旋转的切向力；对应不同的翼型安装角，通过测量可以获得若干组数值；运用MATLAB的强大模拟及运算功能对测得的若干组数值进行处理分析，并对结果进行比较，确定其中做功最大的最佳翼型安装角，从而可以实现风力发电机的平稳运行及最大功率捕获。 本文研究的内容作为华南理工大学新能源研究中心承担的国家项目“分散式风力一太阳能发电系统的混合控制研究”(60534040)的一部分，得到了国家自然科学基金的资助。本文的研究结果，为实现垂直轴风力发电机在户外的良好运行并能获得最佳发电效率，提供了前期试验论证和数据支持。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外风电发展概况

1.2.1国外风电发展状况

1.2.2国内风电发展状况

1.3国内外风力发电机研究概况

1.3.1国外风力发电机的研究状况

1.3.2国内风力发电机的研究状况

1.4课题的主要研究内容

第二章风能及风能利用

2.1风能

2.1.1风能发电原理

2.1.2风能的计算

2.1.3风速分布概率密度函数

2.1.4用风速分布函数计算风能密度

2.2工作风速与输出功率

2.2.1风力发电机的输出效率

2.2.2工作风速与输出功率

2.3我国的风能资源及其分布

2.4本章小结

第三章风力机的基础理论

3.1贝茨理论及风力机的特征系数

3.1.1贝茨理论

3.1.2风力机的特征系数

3.2翼型的几何参数和空气动力特性

3.2.1翼型的几何参数和气流角

3.2.2作用在翼型上的空气动力

3.2.3升力系数和阻力系数变化曲线

3.2.4有限翼展的影响

3.3简化的风力机理论

3.3.1基本关系的确定

3.3.2基本关系的转换和简化

3.4涡流理论

3.4.1诱导速度的确定

3.4.2轴向推力和转矩计算

3.4.3当地功率系数

3.4.4叶片数的影响

3.5本章小结

第四章垂直轴风力机的特性及设计方法

4.1风力机的类型简介

4.1.1水平轴风力机

4.1.2垂直轴风力机

4.2垂直轴风力发电机的设计方法

4.3本章小结

第五章风力发电机翼型动力学特性试验

5.1试验目的及过程

5.2试验设备及仪器

5.2.1叶片翼型

5.2.2风速仪

5.2.3数据采集系统

5.2.4风洞

5.3试验数据及其处理

5.3.1确定最佳安装角所在区间

5.3.2寻找最佳安装角

5.4试验结果分析

5.5本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

评定意见