小型垂直轴阻力型风力发电机功率计算方法分析

摘要

在人类生存和发展的过程中，能源毫无疑问是其重要的物质基础，因此能源成为当今世界政治、经济、军事、外交等所关注的焦点也是必然的。但是随着一次能源的不断消耗，其储量也越来越少，如今全世界各个国家都越来越重视对可再生能源的研究开发，以此来应对正在不断加重的能源危机问题。可再生能源就是指除了常规能源外在自然界中可以不断再生、持续利用、取之不尽、用之不竭的能源资源，它包括风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等能源资源。其中风能的优势非常之大，比如巨大的储量、应用技术相对成熟、比较低廉的成本、简单的利用过程和污染问题很少等特点，这便使风能在众多可再生能源中脱颖而出。在风力机将风能转变为机械能的过程中，受风力作用而旋转的风轮是其最主要的部件，因此根据风轮的结构及其在气流中的位置我们通常把风力机分为两大类:水平轴风力机和垂直轴风力机。水平轴风力机是传统的风力机机型，技术相比于垂直轴风力机要成熟，生产批量大，已经成为当今风力机的主流机型。但由于其种种先天性的不足（如启动风速高、工作噪音大、抗风能力差等），使得其进一步的开发受到了抑制，而垂直轴风力机却具有启动风速低，气动噪音小，受风性能更好的特点，因此人们开始把注意力逐渐聚焦到垂直轴风力机身上，各国的风电研究者也正在努力研制更多新形式的垂直轴风力机。在对垂直轴风力发电机的研发改进过程中，我们一直以使其能更好的利用风能资源为目标，因此风力机输出功率的多少便成为我们比较关注的问题了。综上所述，本文应用了计算流体方面的相关知识，针对小型垂直轴风力发电机平均功率的计算方法进行了研究分析。
　　首先，对有关垂直轴风力发电机的概念以及与其功率计算相关的基本理论进行了论述，在此基础上，利用计算流体理论并结合Matlab软件编程计算的方法，来对小型垂直轴阻力S型风力机的平均功率进行具体的计算，并得到了比较准确的结果。并在计算分析的过程中提出了计算垂直轴风力机功率的具体方法及其计算所要用到的相关计算公式，根据计算结果得出了风速分别与平均功率、风能利用系数之间的关系曲线。
　　然后，应用计算流体力学软件ANSYSFluent对垂直轴回旋式阻力型风力发电机的功率进行了模拟计算。对风力机进行二维模型简化，并完成流场网格的划分，设定边界条件具体赋值，开始模拟计算。在计算过程中对残差和叶片受到的力矩系数进行监测，得到残差曲线和转矩监测曲线。得到具体扭矩数值M，根据功率计算公式P=2π×n/60×M，就可得理论值平均功率P。
　　最后，为验证上述应用Fluent软件对垂直轴风力机功率模拟计算的正确性，设计组装了一套功率检测系统来对已有风力机进行动率检测，通过实验来测量收集风力机的功率数值，并与计算机模拟计算的结果做对比，从而验证模拟计算风力机功率的方法的正确性。经过实验验证了以上方法是正确可行的。