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,最具開發(fā)潛力的新能源技術(shù),是最符合中國能源發(fā)展國情的清潔發(fā)電方式之一。風(fēng)力機是風(fēng)力發(fā)電中把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿年P(guān)鍵部件。目前工程上實際使用的風(fēng)力機大都是依靠其葉片上產(chǎn)生升力的方式,捕獲大氣流動的動能并將其轉(zhuǎn)變成機械能,進一步通過發(fā)電機轉(zhuǎn)變成電能。根據(jù)風(fēng)力機轉(zhuǎn)動軸的方向,可將風(fēng)力機分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機兩大類。與技術(shù)相對成熟并已廣泛應(yīng)用的水平軸風(fēng)力機相比,大型垂直軸風(fēng)力機的研發(fā)相對滯后,商業(yè)化程度較低,市場占有率較小。由于垂直軸風(fēng)力機工作時的流場結(jié)構(gòu)相比水平軸風(fēng)力機工作時更加復(fù)雜,不適合采用傳統(tǒng)理論進行分析設(shè)計,使得采用傳統(tǒng)理論設(shè)計出的水平軸風(fēng)力機的理論和實際運行效率高于垂直軸。這也成為大型垂直軸風(fēng)力機長期得不到發(fā)展的一個重要原因。但是,在國內(nèi)得到大力推廣的水平軸風(fēng)力發(fā)電機并沒有在發(fā)電成本方面表現(xiàn)出突出的優(yōu)點,發(fā)電企業(yè)還需依靠政策性補貼才可以存活。為了提高工作效率和降低發(fā)電成本,水平軸風(fēng)力發(fā)電機組向大型化和功能進一步完善的方向發(fā)展,同時也逐漸提高了其建造、安裝和維修費用,使得水平軸風(fēng)力發(fā)電的成本居高不下�？梢哉f目前水平軸風(fēng)力發(fā)電的相對高效率是以其高成本為代價的。相對水平軸風(fēng)力機“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)力機以其不需要調(diào)整風(fēng)向,發(fā)電機、齒輪箱等設(shè)備可放置于地面的特點,避免了水平軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)上諸多固有缺陷,對其進行深入研究,有望顯著提升其運行效率,降低風(fēng)力發(fā)電機生產(chǎn)成本和運行成本,從而更經(jīng)濟地獲得風(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)力機為研究對象,在給出總體方案的基礎(chǔ)上,對其技術(shù)特點進行了較詳盡的分析和可行性研究。系統(tǒng)地對比分析了本方案與水平軸風(fēng)力機和同類別垂直軸風(fēng)力機的技術(shù)特點,認為該風(fēng)力機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,本文對基于馬格納斯效應(yīng)的輪軌式風(fēng)力機關(guān)鍵技術(shù)進行了較系統(tǒng)的理論研究。論文分以下五章內(nèi)容進行論述:第一章介紹了國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展概況,對實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)裝備——風(fēng)力機進行了系統(tǒng)梳理,并對一種尚沒有被廣泛關(guān)注的基于馬格納斯效應(yīng)的垂直軸風(fēng)力機進行了系統(tǒng)研究。論文從不同分類角度對各類風(fēng)力機進行了性能和工作特點的比較,認為基于馬格納斯效應(yīng)的輪軌式垂直軸風(fēng)力機有著獨特的優(yōu)點,并有很好的發(fā)展前景。論文從馬格納斯效應(yīng)的原理開始,從垂直軸風(fēng)力機的運動機理角度,介紹了圓柱繞流理論的研究現(xiàn)狀、風(fēng)力機氣動性能預(yù)測方法以及馬格納斯風(fēng)力機的研究概況。通過對輪軌式馬格納斯風(fēng)力發(fā)電概念的三點再思考,分析研究了馬格納斯風(fēng)力機的工程意義。認為對其進行進一步的理論研究、數(shù)值計算和實驗分析具有重要的理論價值和工程指導(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)力機流線翼型,提出了馬格納斯輪軌式風(fēng)力機的概念,并給出了馬格納斯風(fēng)力機的數(shù)學(xué)模型。從模型出發(fā),基于圓柱繞流理論,對馬格納斯風(fēng)力機運動特性和機理進行了系統(tǒng)分析,推導(dǎo)出了模型中有效驅(qū)動力和輸出轉(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,以及最大化馬格納斯力的實現(xiàn)途徑。在對馬格納斯效應(yīng)垂直軸風(fēng)力機圓柱葉片運行中自轉(zhuǎn)換向點與其所處方位角以及馬格納斯力與其有效驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行系統(tǒng)研究后,以風(fēng)力機獲得最大有效驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和圓柱葉片所需最低驅(qū)動能量(控制葉片轉(zhuǎn)速和加速度)為目標,提出了實現(xiàn)馬格納斯效應(yīng)風(fēng)力機圓柱葉片的最優(yōu)運轉(zhuǎn)控制策略。第三章提出了馬格納斯風(fēng)力機雙致動盤多流管理論模型,模型主要用來計算并預(yù)測分析馬格納斯風(fēng)力機的氣動載荷與性能。認為馬格納斯風(fēng)力機的氣動載荷與性能取決于兩次通過葉片掃掠面的流場結(jié)構(gòu)。對轉(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)系進行了分析,且該差別隨著尖速比的增大而增大,該問題可以通過雙致動盤多流管方法解決。通過雙致動盤多流管模型,采用局部流動條件下的串聯(lián)雙致動盤原理,對應(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)域中的氣動特性。誘導(dǎo)速度變化使得上風(fēng)轉(zhuǎn)子的氣動載荷較大,下風(fēng)轉(zhuǎn)子的氣動載荷較小。通過分別計算上風(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。同時獲得特定相位的葉片氣動載荷分布,提高對氣動載荷與性能的預(yù)測精度。第四章基于第二章所提出的馬格納斯風(fēng)力機數(shù)學(xué)模型,對單圓柱葉片進行了模擬仿真數(shù)值計算,從虛擬的角度驗證了馬格納斯效應(yīng),計算出了單圓柱葉片的馬格納斯理論升力。對模擬結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析,得出了當(dāng)圓柱自轉(zhuǎn)周向速度達到來流風(fēng)速四倍時候,馬格納斯升力達到極限。這一結(jié)論不但驗證了第二章的理論模型,也驗證了幾十年前普朗特對馬格納斯升力極限的理論分析預(yù)測和實驗結(jié)果,模擬同理論和實驗均相吻合。第五章針對整機二維模型進行了全葉片模擬仿真數(shù)值計算。從區(qū)域運動模型和動網(wǎng)格模型分別模擬了風(fēng)力機流場,分析比較二者彼此的優(yōu)劣,得到動網(wǎng)格模型可以更加貼近實際的風(fēng)力機的工作情況,從宏觀上看出不同模型計算得到的輸出力矩的區(qū)別。另外,為了進行微觀的觀測整機模型中每一個葉片的實際工作情況,還對整機模型中單葉片進行“高速攝影”式的分區(qū)域模擬,得到葉片在不同特殊點處的受力及轉(zhuǎn)矩情況,分析得到整機的運動特性。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)力機創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計的新原理、新方法。結(jié)合現(xiàn)代計算機模擬仿真和數(shù)值計算等技術(shù),對理論的驗證從理論分析和數(shù)值模擬及計算分析兩方面展開,取得了對工程實踐有較大指導(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)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM315
【部分圖文】：

風(fēng)力機根據(jù)其轉(zhuǎn)動軸的方向分為兩大類，即水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機。水逡逑平軸風(fēng)力機通過一個螺旋槳式轉(zhuǎn)子和它的回轉(zhuǎn)軸來獲得風(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)的流動方向。它們可以捕捉到任何來流風(fēng)向的風(fēng)能。逡逑３逡逑

Ｖ＜｜Ｓ｜｜邋？．逡逑，媂

本文編號：2816178