新型自启动垂直轴风力机设计与实验

摘要

直叶片垂直轴风力机作为最简单的结构形式,不需要对风调节,并且能直接将风能通过旋转轴传递到地面设备,因此广泛的应用于提水、加热、提纯、充电等,还可以作为小型发电站独立使用。高效率的达里厄(Darrieus)风力机因其不能自启动而无法应用于以上各项目中。早期人们试图用优化叶片几何参数的方式提高其自启动能力,包括:改进风力机实度、改进叶片弧度和厚度、调节叶片桨距角和攻角;后来又提出了另外改进风力机自启动能力的方法如:带弧形截面的叶片、倾斜叶片、柔性帆、萨沃纽斯和达里厄型混合型风力机、可调桨距角叶片。尽管这些方法在一定程度上能够增加启动力矩,但是较低的峰值效率和正常工作的风速范围仍是需要解决的主要问题。
　　本文通过对传统 NACA翼型改进来提高垂直轴风力机的自启动性能,提出了三种可以提高风力机自启动性能的方案:组合翼型、可展开式翼型和带倾斜拖尾翼型。组合翼型的前30％弦长段采用 NACA0018翼型,后70%弦长采用 NACA0015翼型,通过这种组合方式来产生自启动所需要的转矩;对于可展开式翼型方案,当叶尖速比较低时,将传统的 NACA0018翼型展开,这时风力机相当于阻力型风力机,使用此时产生的阻力来使风力机进行自启动,风力机开始旋转,达到较高叶尖速比后,闭合翼型叶片,风力机相当于升力型风力机,这时可进行正常的风力发电;带倾斜拖尾翼型是将传统 NACA0018翼型分割成翼型主体和尾翼两部分,尾翼长度为整个翼型长度的30%,安装在翼型主体尾部,并且可绕翼型主体尾部旋转,风力机静止时,尾翼与翼型主体成一定角度,这样风力机可以产生较高的升力来实现低叶尖速比时实现自启动,风力机开始旋转后,通过弹簧和离心力的作用实现较在高叶尖速比时使叶片尾部可以回到正常位置。采用计算流体力学商业软件 Fluent来模拟计算上述三种方法的自启动能力和工作效率,仿真结果表明在上述三种方法之中,带倾斜拖尾翼型方法表现出了较好的自启动性能,同时风能利用率可达到33%。因此本文根据带倾斜拖尾翼型方案来进行样机的研制。
　　本文分析了风力机原型的工作原理并建立了数学模型,设计参数并初步仿真,根据初步仿真结果以及风洞实验环境要求,设计了自启动垂直轴风力机的原型样机。根据风力机样机的特点,开发了在实验室中加工叶片的方法,以方便地、经济地制造加工风机叶片和倾斜拖尾翼;并应用该方法设计并制造了用于加工叶片的模具,同时使用激光跟踪仪和空间分析软件检查风机叶片和倾斜拖尾翼的加工质量,以玻璃纤维为原材料自主制造了风机叶片和倾斜拖尾翼,完成试验样机整机的研制。
　　本文设计并进行了风洞实验,为了方便测试,风力机旋转轴设计成与发电机轴直接相连的形式,同时使用电炉丝作为载荷来评估风力机在不同角速度下的性能。风洞测试结果表明:在较高的风速下改进的翼型和传统的翼型一样都能启动风力机,拖尾倾斜角超过一定值时,随着拖尾倾斜角的增加,风力机的启动风速也将增加,同时改进的翼型也降低了旋转速度。实验结果显示:改变可倾斜尾翼的角度增加了风机启动所需的风速值,可倾斜尾翼的角度为30°时,风机甚至不能启动,而风力机在启动之后其转速在负载作用下的变动范围也非常小,这需要进一步解决。通过实验发现:使用本文设计的带倾斜拖尾翼型结构的风力机,在10 m/s的情况下能够自启动,分析实验测试数据得出以下结论:“在风速低于10 m/s的情况下,带倾斜拖尾翼型的直叶片垂直轴风力机有可能实现自启动,但是风力机的叶尖速比不能超过0.5”。

目录

封面

Abstract

摘要

Contents

List of Figures and Tables

List of Tables

List of Abbreviations and Acronyms

Chapter 1 Introduction

1.1 Background, Objective and Significance of the study

1.2 Historical background of wind energy

1.3 Wind energy and its prospect

1.4 Energy demand world wide

1.5 Status of Wind energy worldwide

1.6 Statement of the problem

1.7 Main structure of the Thesis

Chapter 2 Review of Vertical Axis Wind Turbines

2.1 Introduction

2.2 Vertical axis wind turbines (VAWTs)

2.3 Performance prediction of VAWTs

2.4 Review of Issues confronted with VAWTs

2.5 Summary

Chapter 3 Proposed Self-starting Design concept and Computational Analysis

3.1 Introduction

3.2 Proposed self- starting approaches

3.3 Computational analysis of the proposed self- starting approaches

3.4 Computational analysis results

3.5 Performance Comparison of the proposed approaches based on computational analysis results

3.6 Summary

Chapter 4 Prototype Turbine model Design

4.1 Introduction

4.2 Design Parameters of Prototype model

4.3 Trailing tail inclination mechanism Design

4.4 Part Description of the Turbine model

4.5 Summary

Chapter 5 Turbine blade Manufacturing and Inspection

5.1 Introduction

5.2 Blade Material and the Required Properties

5.3 Blade manufacturing

5.4 Inspection of the turbine blade

5.5 Inspection results and discussion

5.6 Summary

Chapter 6 Wind Tunnel test

6.1 Introduction

6.2 Experimental set up

6.3 Wind tunnel test result and discussion

6.4 Summary

Conclusion and Recommendations

结论与建议

References

Appendices

Publications

Declaration

Acknowledgments

Resume