直線翼垂直軸風力機是一種結構簡單、風能利用效率高并且維護保養(yǎng)簡單的升力型垂直軸風力機。近年來，隨著中小型風電市場的發(fā)展，直線翼垂直軸風力機已經受到越來越多的關注。直線翼垂直軸風力機的性能主要包括起動性能和輸出性能，其中起動性能反映了風力機在低風速下起動的能力，輸出特性則反映了風力機工作時對風能的利用能力。 直線翼垂直軸風力機的起動性不佳一直是影響其發(fā)展的主要原因之一，而其起動性能主要是由其結構參數(shù)所決定的。改善直線翼垂直軸風力機起動性能的方法主要有兩種，一種是改變其自身結構，另一種是安裝輔助起動裝置。直線翼垂直軸風力機的自身結構參數(shù)主要包括葉片翼型、風力機半徑、葉片個數(shù)等，探明這些主要結構參數(shù)對起動性能的影響對改善其起動性能有重要的意義。對于安裝輔助起動裝置的方法，通常將Savonius阻力風輪與直線翼垂直軸風力機進行組合。然而，如果阻力風輪與直線翼垂直軸風力機的結合角度等組合方式不當會影響起動性能和轉動后的性能。因此，研究結合角度對直線翼垂直軸風力機起動性能的影響十分必要。本文重點研究了葉片翼型與結合角度對直線翼垂直軸風力機起動性能的影響。在葉片翼型的研究中，選擇了NACA0018、NACA5520以及FX63-145三種翼型，其中NACA0018為對稱翼型，NACA5520為非對稱厚翼型，F(xiàn)X63-145為非對稱薄翼型。利用風洞試驗測試了不同翼型風力機在不同攻角下的起動風速得出，采用對稱翼型的直線翼垂直軸風力機起動性能高于采用非對稱翼型的風力機；采用厚翼型的直線翼風力機的起動性能高于采用薄翼型的直線翼垂直軸風力機。在結合角度的研究中，分別將采用對稱翼型和非對稱翼型的直線翼垂直軸風力機的最佳起動區(qū)域和最差起動區(qū)域與阻力風輪的最佳起動區(qū)域進行結合。利用風洞試驗測試了各種組合后的風力機在不同攻角下的起動風速得出，當直線翼垂直軸風力機的最佳起動區(qū)域與Savonius風輪的最佳起動區(qū)域相對應可以更好的改善直線翼垂直軸風力機的起動性。 在研究了結構參數(shù)對直線翼垂直軸風力機及起動性影響的基礎上，又對在低轉速下風力機的輸出性能進行了研究。目前，國內外對直線翼垂直軸風力機輸出性能的研究主要集中在其正常工作及高尖速比的狀態(tài)下，而起動后的低轉速階段的輸出性能對于風力機的起動性能以及正常輸出性能都有較大的影響。本文利用風洞試驗的方法研究葉片翼型、風力機半徑、葉片個數(shù)以及阻力風輪對直線翼垂直軸風力機低轉速下輸出性能的影響。其中葉片翼型采用NACA0018和NACA5520，葉片個數(shù)選擇2、3、4，風力機半徑選擇0.3m和0.4m。利用風洞試驗測試了由不同結構參數(shù)組成的風力機安裝阻力風輪前后在低轉速下的輸出性能。對于不帶阻力風輪的直線翼垂直軸風力機，葉片翼型、葉片個數(shù)以及風力機半徑都對風力機低轉速下的輸出性能造成了一定的影響。安裝阻力風輪后，直線翼垂直軸風力機低轉速下的輸出性能總體得到了提升，對比各結構參數(shù)下的改善率可知，Savonius阻力風輪對采用對稱翼型風力機的輸出性能的改善情況比采用非對稱翼型風力機要好且穩(wěn)定。 另外，本研究還通過數(shù)值模擬的方法研究了阻力風輪與直線翼垂直軸風力機的直徑比對直線翼垂直軸風力機輸出性能的影響。選用了0.25、0.33、0.5三種直徑比進行計算，并將計算結果與單機結果進行了對比。通過研究得出直徑比為0.5時直線翼垂直軸風力機的輸出性能最佳，同時其起動性能相對于單機提高了約2倍。 綜上所述，本研究通過風洞試驗和數(shù)值模擬計算的方法從結構參數(shù)的角度對直線翼垂直軸風力機的性能進行了較為系統(tǒng)的研究。主要的創(chuàng)新點包括以下兩點：一、提出了與Savonius風輪組合時的結合角度對直線翼風力機起動性能的影響并進行了風洞試驗研究，提出了較優(yōu)的組合方式；二、利用風洞試驗的方法實際測試了主要結構參數(shù)對風力機低轉速下的輸出性能，并探索出了一定影響規(guī)律，為風力機的設計提供了有益的參考。
【學位單位】：東北農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2013
【中圖分類】：TK83
【部分圖文】：

[1-5]。圖1-1 全球風電累計和新增裝機變化趨勢（1996-2011 年）Fig 1-1 Global wind power cumulative and new power change trend（1996-2011）我國在地理位置上處于亞洲大陸的東部，并且瀕臨太平洋，擁有 1.8 萬公里的海岸線，同時我國內陸地區(qū)又多山，改變了氣壓分布，因此全國約 20%的國土面積有比較豐富的風能資源，根據(jù)計算我國風能總儲量約為 32.26 億 KW,可開發(fā)量約為 2.53 億 KW[6]。因此，我國對風能的大力開發(fā)與應用是勢在必行的。我國的風電事業(yè)經過了多年的快速增長期后正開始步入穩(wěn)健發(fā)展期，截止 2011 年年底，中國累計風電機組 45894 臺

[7]。圖1-2 中國新增及累計風電裝機總量（2001-2011 年）Fig 1-2 New and cumulative wind power capacity of China風力機是將風能轉換為機械能、電能的主要設備，按照其轉軸的方向可以分為水平軸風力機與垂直軸風力機兩類。近年來對大型水平軸風力機的研究已經相對成熟，水平軸風力機已經被廣泛的應用于海上、陸地的風力發(fā)電。然而，隨著水平軸風力機快速發(fā)展，一些存在的問題也被暴露了出來，如結構復雜、安裝維修困難、噪聲污染等。其中，很多問題都是由水平軸風力機的結構所決定的，因此開發(fā)出更加符合市場需要的產品需要在結構上有所突破[8-9]。垂直軸風力機作為風力機家族中重要的一員，在現(xiàn)代風電產業(yè)發(fā)展過程未能被給予足夠的重視，其原因主要是在以往的研究中普遍認為水平軸風力機的風能的利用率要高于垂直軸風力機。然而

Savonius 風輪Savonius VAWT圖1-3 典型的垂直風力機Fig 1-3 Some typical Vertical Axis Wind Turbines1.2.1 升力型垂直軸風力機升力型垂直軸風力機是利用葉片的升力產生轉矩從而使風力機獲得轉速的風力機，典型的升力型直線翼風力機為法國科學家在 1931 年發(fā)明的達里厄型垂直軸風力機以及在其基礎上衍生出的直線翼垂直軸風力機[19]。1.2.1.1 達里厄型垂直軸風力機達里厄型風力機有著優(yōu)越的空氣動力學性能，在目前已有的垂直軸風力機中，達里厄型的風能利用率是最高的，可以達到 0.35-0.4 左右[20]。達里厄風力機一般由以下幾部分構成：風輪系統(tǒng)（包括葉片、轉軸及其固定裝置）、制動系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和支架、拉索等輔助裝置，如圖 1-2 所示。
【參考文獻】

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本文編號：2841424