分布式发电用垂直轴风力发电机的建模和分析

摘要

随着全球能源危机、环境问题的不断凸显，越来越多的国家及地区开始重视风力发电的开发与利用。风力发电机按照风轮轴与地面的位置，分为水平轴风机和垂直轴风机。随着计算机技术的发展，计算流体力学的应用为垂直轴风机的研究提供了基础。垂直轴风机拥有高效、无噪声、便于维修保养、无需安装偏航装置等优势，近年来受到各国研究人员的广泛关注。　　本文介绍了目前热门的垂直轴风力发电机，简述了塞内加尔式风机的结构和工作原理，并结合垂直轴风机和水平轴风机的特点，提出了一种风轮水平放置的新型风机结构。基于空气动力学原理和流体力学软件，通过求解N-S方程，采用Simple算法，对新型风机与空气的流固耦合作用进行模拟仿真。分析风机在风场中的综合受力状态，由此引入双排风机和三排风机的机组结构并分别仿真分析，与单个风机的仿真数据进行对比。研究结果表明:新型结构的风机具有较高的风能利用系数，转矩波动小，机组结构比起单个风机提高了风能利用率。由于采用特有的两自由度发电机，带动风轮旋转后仍能正面迎风，充分利用了风能，为以后该类风机的进一步设计与优化提供了依据。通过提出并建立新型垂直轴风机的三维模型，使用Ansys Workbench软件中cfx和Fluent模块对模型进行求解。基于上述模型，在MATLAB软件环境下建立风力发电系统模型，结合电解制氢的负载特性，进行了仿真分析。结果表明，所建立的模型和仿真分析方法符合实际，对该种发电机系统的仿真分析与储能应用等提供了借鉴和参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2．1 风能简介

1．2．2 国内的历史与发展

1．2．3 国外的历史与发展

1．2．4 市场现状和发展优势

1．3 本文的主要研究内容

第2章 垂直轴风力发电机的基本概念和理论

2．1 垂直轴风机有关的物理学

2．1．1 叶片数量

2．1．2 捕获风能的力

2．1．3 叶片截面形状

2．2 影响风机运行的重要参数

2．2．1 雷诺数

2．2．2 扇叶尖速比

2．2．3 流体机械能

2．3 本章小结

第3章 垂直轴风机叶片的简述与仿真

3．1 风机计算流体力学介绍

3．1．1 简史

3．1．2 计算流体基本方程

3．2 新型垂直轴风机的结构

3．2．1 塞内加尔式风机

3．2．2 塞内加尔式风机的改良

3．3 仿真计算软件简述及应用

3．3．1 CFX软件概述

3．3．2 FLUENT软件概述

3．4 垂直轴风机建模过程

3．4．1 风机模型的搭建

3．4．2 风机模型的网格划分

3．4．3 仿真结果分析

3．4．3 新型垂直轴风机优势

3．5 仿真结果与实际结果的比较

3．6 风机流场分析

3．6．1 流场概述

3．6．2 流场的仿真

3．7 本章小结

第4章 垂直轴风机机组的仿真分析

4．1 风机上游加设障碍物

4．2 双排风机组

4．2．1 仿真结果流场分析

4．2．2 仿真结果计算分析

4．3 三排风机组

4．4 本章小结

第5章 分布式永磁同步发电机的设计与分析

5．1 分布式永磁同步发电机的构造

5．2 偏转式永磁同步发电机的磁场解析分析

5．2．1 磁场区域的划分

5．2．2 标量磁位的通解及其边界条件

5．3 偏转式永磁同步发电机的求解与仿真

5．3．1 解析模型求解

5．3．2 有限元模型求解

5．4 本章小结

第6章 考虑制氢负载的发电性能的仿真

6．1 储能数学模型的建立

6．2 仿真实验结果

6．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢