發(fā)布時(shí)間：2020-09-10 18:45

　　 風(fēng)能是一種可再生的清潔能源,其大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)已日趨成熟,而風(fēng)力發(fā)電又是其中發(fā)展最快,最具開(kāi)發(fā)潛力的新能源技術(shù),是最符合中國(guó)能源發(fā)展國(guó)情的清潔發(fā)電方式之一。風(fēng)力機(jī)是風(fēng)力發(fā)電中把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿年P(guān)鍵部件。目前工程上實(shí)際使用的風(fēng)力機(jī)大都是依靠其葉片上產(chǎn)生升力的方式,捕獲大氣流動(dòng)的動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)變成機(jī)械能,進(jìn)一步通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。根據(jù)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向,可將風(fēng)力機(jī)分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩大類。與技術(shù)相對(duì)成熟并已廣泛應(yīng)用的水平軸風(fēng)力機(jī)相比,大型垂直軸風(fēng)力機(jī)的研發(fā)相對(duì)滯后,商業(yè)化程度較低,市場(chǎng)占有率較小。由于垂直軸風(fēng)力機(jī)工作時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相比水平軸風(fēng)力機(jī)工作時(shí)更加復(fù)雜,不適合采用傳統(tǒng)理論進(jìn)行分析設(shè)計(jì),使得采用傳統(tǒng)理論設(shè)計(jì)出的水平軸風(fēng)力機(jī)的理論和實(shí)際運(yùn)行效率高于垂直軸。這也成為大型垂直軸風(fēng)力機(jī)長(zhǎng)期得不到發(fā)展的一個(gè)重要原因。但是,在國(guó)內(nèi)得到大力推廣的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)并沒(méi)有在發(fā)電成本方面表現(xiàn)出突出的優(yōu)點(diǎn),發(fā)電企業(yè)還需依靠政策性補(bǔ)貼才可以存活。為了提高工作效率和降低發(fā)電成本,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向大型化和功能進(jìn)一步完善的方向發(fā)展,同時(shí)也逐漸提高了其建造、安裝和維修費(fèi)用,使得水平軸風(fēng)力發(fā)電的成本居高不下�？梢哉f(shuō)目前水平軸風(fēng)力發(fā)電的相對(duì)高效率是以其高成本為代價(jià)的。相對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)“高高在上”、“頭重腳輕”、“擺頭迎風(fēng)”、“變槳平速”、“齒輪箱升速發(fā)電”等技術(shù)的特征,垂直軸風(fēng)力機(jī)以其不需要調(diào)整風(fēng)向,發(fā)電機(jī)、齒輪箱等設(shè)備可放置于地面的特點(diǎn),避免了水平軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)上諸多固有缺陷,對(duì)其進(jìn)行深入研究,有望顯著提升其運(yùn)行效率,降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)成本和運(yùn)行成本,從而更經(jīng)濟(jì)地獲得風(fēng)力提供的能源。本文以一種基于馬格納斯效應(yīng)的輪軌式垂直軸風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象,在給出總體方案的基礎(chǔ)上,對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了較詳盡的分析和可行性研究。系統(tǒng)地對(duì)比分析了本方案與水平軸風(fēng)力機(jī)和同類別垂直軸風(fēng)力機(jī)的技術(shù)特點(diǎn),認(rèn)為該風(fēng)力機(jī)是一種有望大幅降低發(fā)電成本,擁有很大發(fā)展?jié)撃艿娘L(fēng)力發(fā)電方式。為此,本文對(duì)基于馬格納斯效應(yīng)的輪軌式風(fēng)力機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)的理論研究。論文分以下五章內(nèi)容進(jìn)行論述:第一章介紹了國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展概況,對(duì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)裝備——風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)梳理,并對(duì)一種尚沒(méi)有被廣泛關(guān)注的基于馬格納斯效應(yīng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。論文從不同分類角度對(duì)各類風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了性能和工作特點(diǎn)的比較,認(rèn)為基于馬格納斯效應(yīng)的輪軌式垂直軸風(fēng)力機(jī)有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),并有很好的發(fā)展前景。論文從馬格納斯效應(yīng)的原理開(kāi)始,從垂直軸風(fēng)力機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理角度,介紹了圓柱繞流理論的研究現(xiàn)狀、風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能預(yù)測(cè)方法以及馬格納斯風(fēng)力機(jī)的研究概況。通過(guò)對(duì)輪軌式馬格納斯風(fēng)力發(fā)電概念的三點(diǎn)再思考,分析研究了馬格納斯風(fēng)力機(jī)的工程意義。認(rèn)為對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究、數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析具有重要的理論價(jià)值和工程指導(dǎo)意義。第二章使用圓柱薄壁圓筒葉片翼型代替?zhèn)鹘y(tǒng)垂直軸風(fēng)力機(jī)流線翼型,提出了馬格納斯輪軌式風(fēng)力機(jī)的概念,并給出了馬格納斯風(fēng)力機(jī)的數(shù)學(xué)模型。從模型出發(fā),基于圓柱繞流理論,對(duì)馬格納斯風(fēng)力機(jī)運(yùn)動(dòng)特性和機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析,推導(dǎo)出了模型中有效驅(qū)動(dòng)力和輸出轉(zhuǎn)矩與方位角的關(guān)系。分析論證了圓柱葉片馬格納斯效應(yīng)變化趨勢(shì),以及最大化馬格納斯力的實(shí)現(xiàn)途徑。在對(duì)馬格納斯效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機(jī)圓柱葉片運(yùn)行中自轉(zhuǎn)換向點(diǎn)與其所處方位角以及馬格納斯力與其有效驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行系統(tǒng)研究后,以風(fēng)力機(jī)獲得最大有效驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和圓柱葉片所需最低驅(qū)動(dòng)能量(控制葉片轉(zhuǎn)速和加速度)為目標(biāo),提出了實(shí)現(xiàn)馬格納斯效應(yīng)風(fēng)力機(jī)圓柱葉片的最優(yōu)運(yùn)轉(zhuǎn)控制策略。第三章提出了馬格納斯風(fēng)力機(jī)雙致動(dòng)盤多流管理論模型,模型主要用來(lái)計(jì)算并預(yù)測(cè)分析馬格納斯風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷與性能。認(rèn)為馬格納斯風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷與性能取決于兩次通過(guò)葉片掃掠面的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。對(duì)轉(zhuǎn)子的上風(fēng)誘導(dǎo)速度與下風(fēng)誘導(dǎo)速度存在的差異以及其與葉片尖速比的關(guān)系進(jìn)行了分析,且該差別隨著尖速比的增大而增大,該問(wèn)題可以通過(guò)雙致動(dòng)盤多流管方法解決。通過(guò)雙致動(dòng)盤多流管模型,采用局部流動(dòng)條件下的串聯(lián)雙致動(dòng)盤原理,對(duì)應(yīng)各自的雷諾數(shù)與局部攻角,分別獲得了葉素在上風(fēng)區(qū)域和下風(fēng)區(qū)域中的氣動(dòng)特性。誘導(dǎo)速度變化使得上風(fēng)轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)載荷較大,下風(fēng)轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)載荷較小。通過(guò)分別計(jì)算上風(fēng)區(qū)域和下風(fēng)區(qū)域的轉(zhuǎn)子扭矩與功率,得出了轉(zhuǎn)子的總扭矩與功率。同時(shí)獲得特定相位的葉片氣動(dòng)載荷分布,提高對(duì)氣動(dòng)載荷與性能的預(yù)測(cè)精度。第四章基于第二章所提出的馬格納斯風(fēng)力機(jī)數(shù)學(xué)模型,對(duì)單圓柱葉片進(jìn)行了模擬仿真數(shù)值計(jì)算,從虛擬的角度驗(yàn)證了馬格納斯效應(yīng),計(jì)算出了單圓柱葉片的馬格納斯理論升力。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,得出了當(dāng)圓柱自轉(zhuǎn)周向速度達(dá)到來(lái)流風(fēng)速四倍時(shí)候,馬格納斯升力達(dá)到極限。這一結(jié)論不但驗(yàn)證了第二章的理論模型,也驗(yàn)證了幾十年前普朗特對(duì)馬格納斯升力極限的理論分析預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,模擬同理論和實(shí)驗(yàn)均相吻合。第五章針對(duì)整機(jī)二維模型進(jìn)行了全葉片模擬仿真數(shù)值計(jì)算。從區(qū)域運(yùn)動(dòng)模型和動(dòng)網(wǎng)格模型分別模擬了風(fēng)力機(jī)流場(chǎng),分析比較二者彼此的優(yōu)劣,得到動(dòng)網(wǎng)格模型可以更加貼近實(shí)際的風(fēng)力機(jī)的工作情況,從宏觀上看出不同模型計(jì)算得到的輸出力矩的區(qū)別。另外,為了進(jìn)行微觀的觀測(cè)整機(jī)模型中每一個(gè)葉片的實(shí)際工作情況,還對(duì)整機(jī)模型中單葉片進(jìn)行“高速攝影”式的分區(qū)域模擬,得到葉片在不同特殊點(diǎn)處的受力及轉(zhuǎn)矩情況,分析得到整機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性。綜上所述,本文突破傳統(tǒng)理論,結(jié)合現(xiàn)有技術(shù),拓展性地給出了一種新型垂直軸風(fēng)力機(jī)創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計(jì)的新原理、新方法。結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)模擬仿真和數(shù)值計(jì)算等技術(shù),對(duì)理論的驗(yàn)證從理論分析和數(shù)值模擬及計(jì)算分析兩方面展開(kāi),取得了對(duì)工程實(shí)踐有較大指導(dǎo)意義的研究結(jié)論與成果。
【學(xué)位單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM315
【部分圖文】：

風(fēng)力機(jī)根據(jù)其轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向分為兩大類，即水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。水逡逑平軸風(fēng)力機(jī)通過(guò)一個(gè)螺旋槳式轉(zhuǎn)子和它的回轉(zhuǎn)軸來(lái)獲得風(fēng)能，其轉(zhuǎn)軸方向與風(fēng)的方逡逑向平行，如圖１．２所示。垂直軸風(fēng)力機(jī)直接使用直葉片或彎葉片轉(zhuǎn)子捕獲風(fēng)能，其逡逑回轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)的流動(dòng)方向。它們可以捕捉到任何來(lái)流風(fēng)向的風(fēng)能。逡逑３逡逑

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本文編號(hào)：2816178