【摘要】：Savonius風力機具有結(jié)構(gòu)簡單,不易受風向影響、相對其它風力機來說啟動性能較佳等優(yōu)點,但風能利用率偏低,成為了限制其發(fā)展的主要原因。同時,在某些方位角下靜態(tài)力矩系數(shù)偏低,也影響了風力機啟動特性發(fā)揮。為了提高Savonius風力機的輸出功率性能和靜態(tài)啟動力矩特性,本研究設計了一種折線形導流板,可以安裝在Savonius風力機風輪的外部,用以更好地引入來流,改善風輪周圍流場,提高風力機的整體性能。通過數(shù)值計算和風洞試驗的方法對折線形導流的三個主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究,包括導流板數(shù)量、導流板與風力機距離,導流板與來流夾角。另外,在導流板研究之前,本研究首先對Savonius風力機的重疊比進行了研究,利用數(shù)值模擬的方法計算了具有三種典型重疊比的Savonius風力機靜態(tài)啟動力矩,還通過PIV可視化試驗的手段獲得了風輪周圍的流動情況,并與數(shù)值計算結(jié)果進行了對比分析。主要研究內(nèi)容如下:(1)選取了三種重疊比,分別為:0,0.2,0.5,利用數(shù)值計算方法研究具有三種重疊比Savonius風力機的靜態(tài)啟動力矩。通過PIV可視化試驗的方法測試了在35°、90°和165°方位角下的風輪周圍流場,并與數(shù)值計算結(jié)果進行了對比分析。(2)設計了一種折線形導流板,對導流板的參數(shù)進行了定義,并選取了導流板數(shù)量、導流板與風力機距離,導流板與來流夾角三個主要參數(shù)進行研究。借助正交設計方法得到9組參數(shù)配置方案,以最大平均靜態(tài)力矩系數(shù)為目標,利用數(shù)值計算的方法對風力機的靜態(tài)力矩進行了研究,獲得了一組較優(yōu)的導流板結(jié)構(gòu)參數(shù),進行了風洞試驗,與數(shù)值計算結(jié)果進行了對比分析。(3)針對所獲得的較優(yōu)導流板結(jié)構(gòu)參數(shù),利用數(shù)值計算和風洞試驗相結(jié)合的手段,對在三種風速下的風力機輸出功率特性進行了研究。對在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的動態(tài)力矩特性也進行了計算,分析了風輪周圍的流動情況。通過上述研究,在本研究的條件下獲得的主要結(jié)論如下:(1)重疊比對Savonius風力機的靜態(tài)力矩特具有顯著影響。相對重疊比為0和0.5的情況,重疊比為0.2時,風力機具有較好的力矩系數(shù)。通過分析計算和試驗所獲流場發(fā)現(xiàn),重疊比的存在可以有效消除風力機風輪內(nèi)部渦旋,減少能量消耗,提升力矩系數(shù)。(2)折線形導流板在整體上可以提高Savonius風力機的靜態(tài)力矩特性。在大多數(shù)方位角下,導流板改善了風力機在靜止狀態(tài)下的來流入流情況。獲得了一組較優(yōu)的導流板參數(shù):導流板數(shù)量為4個,導流板與來流夾角為15°,導流板與風力機距離為46 mm,其平均靜力距系數(shù)較無導流板風力機提高了45.9%。(3)對于輸出功率特性,具有較優(yōu)導流板參數(shù)的Savonius風力機的風能利用率較無導流板風力機有一定的提升,且隨著風速的增加改善效果更加顯著。導流板也改善了風力機風輪周圍動態(tài)流場,在大多數(shù)方位角下的動態(tài)力矩也有不同程度的提升。通過本研究獲得的結(jié)果,可以為Savonius風力機性能的整體改善研究提供參考和借鑒,為導流型Savonius風力機的研究提供新的思路。
【圖文】：

1 引言1.1 風能利用現(xiàn)狀隨著化石燃料的大量使用而導致資源匱乏以及對環(huán)境的污染，可再生能源的開發(fā)顯現(xiàn)的尤為重要�？稍偕茉粗�，風能不但對環(huán)境不造成污染，而且取之不盡，用之不竭，不產(chǎn)生廢棄物。世界上風能資源十分豐富，多分布在沿海地區(qū)。風能最大利用途徑為風力發(fā)電，現(xiàn)在的風力發(fā)電技術(shù)比較成熟，是目前應用規(guī)模最大的新能源發(fā)電方式。發(fā)展風電已成為許多國家推進能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應對氣候變化的重要途徑，也是我國深入推進能源生產(chǎn)和消費革命、促進大氣污染防治的重要手段[1]。國家能源局出臺的《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提到，到 2020 年底，風電累計并網(wǎng)裝機將達到 2.1 億千瓦以上，風電年發(fā)電量將達到 4200 億千瓦時，約占全國總發(fā)電量 6%。到2020 年，全球的風力發(fā)電能力將達 400GW[1]。我國風電行業(yè)的發(fā)展減弱了我國對化石燃料的依賴，對減少大氣污染和控制溫室效應的影響巨大，并且?guī)恿讼嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增加了就業(yè)人數(shù)。

圖 1-2 全球累計裝機容量Fig. 1-2 The global total installed capacity目前，風力發(fā)電未來的發(fā)展方向主要朝著以下幾點進行。首先，對于大型的陸上風力發(fā)電系統(tǒng)，未來的單機容量會不斷增大，風機的高度也在不斷上升，產(chǎn)出效率也會不斷增加。其次，未來小型的風力發(fā)電領(lǐng)域可能會迅速發(fā)展。中小型風力發(fā)電場的創(chuàng)建成本低，相對于常規(guī)電力優(yōu)勢凸顯。目前需要克服的主要問題是無風期間不能供電，，針對這個問題，可以在發(fā)電機組配備少量蓄電池，同時風力發(fā)電組還可以和其他動力源聯(lián)合使用。最后，海上風電發(fā)展前景良好，因為海上風電具有風能優(yōu)勢。風電產(chǎn)生的噪音早已影響到人類的生活，在海上發(fā)展風電，有利于人類的健康。成本回收高，海上風力發(fā)電也是我國發(fā)展的迫切需要[3]。1.2 風力機分類風力機又被稱為風車，是一種風的動能轉(zhuǎn)化為機械能，而又轉(zhuǎn)化為熱能或者電能等的一種能量轉(zhuǎn)換裝置[3]。風能最初用于人類的提水以及碾磨。19 世紀末，丹麥人首先開始研究風力發(fā)電，從此風力發(fā)電的研究在世界上開始了新的征程。1973 年，由于出現(xiàn)了石油危機，因
【學位授予單位】：東北農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM315

【參考文獻】

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本文編號：2678518