（机械电子工程专业论文）小型垂直轴风力发电系统的研究应用.pdf

摘要 摘要 风能是最具商业前景的新能源形式之一 根据e m e r g i n ge n e r g yr e s e a r c h 预估 在2 0 2 0 年之前 1 m w 以下中小型风电市场将呈现稳定发展 至2 0 2 0 年 中小型将占风电市场的1 1 3 3 同时我国占全国土地7 6 的风电场都是年平 均风速在3 5 m s 的低速风场 而年平均风速为3 5 r n s 的低速风场风力小 不稳 定 宜应用小型离网型风力发电机 因此 发展小型离网型风力发电技术也适 宜我国国情 具有特别重要的意义 在此背景下 论文选择以h 型垂直轴风力发电技术为对象开展了系列研究 工作 1 对比分析了不同类型风力发电技术的优缺点和研究现状 阐述了垂 直轴风力发电技术的基本理论 借助空气动力学的分析方法 给出了扫风面积 叶轮直径 叶尖速比 叶轮实度比和攻角等的分析方法并分析了各因素对于风 能利用率的影响规律 2 基于计算流体力学原理 在f l u e n t 软件平台上进行了 仿真研究 得到了不同叶轮直径 实度比 安装角 叶尖速比条件下叶轮周围 区域的压力分布云图 速度分布云图 叶片表面压力系数图及升阻比曲线图等 并进行了数据处理 得到了不同因素对于叶轮升力系数 阻力系数 力矩系数 风能利用率的影响规律 3 根据仿真分析结果 对1 5 k wh 型垂直轴风力发 电机的叶轮直径 叶片数 安装角等叶轮结构参数进行了优化设计 4 确定 了1 5 k w h 型垂直轴风力发电机机械结构总体设计方案 利用s o l i d w o i s 软件完成了垂直轴风力发电机零件建模与整体装配 对各机械结构零件进行了 参数设计和力学性能分析 并对整机结构可靠性及静态和动态载荷进行了分析 5 制作了1 5 k w h 型垂直轴风力发电机样机 并进行了调试和安装 综上所述 论文在针对h 性垂直轴风力发电技术的空气动力学性能影响因 素 整机的设计与制造进行研究中 取得了一定的成果 可在一定程度上促进 小型风力发电技术和低碳经济的发展 关键词 h 型垂直轴风力发电机 参数优化 计算流体力学 f l u e n t 效率 a b s t r a c t a b s t r a c t w i n dp o w e ri so n eo ft h en e we n e r g yw i t ht h e b e s tc o m m e r c i a lp r o s p e c t a c c o r d i n gt ot h ee m e r g i n ge n e r g yr e s e a r c hr e p o r t s m a l la n dm e d i u m s i z e dw i n d p o w e rm a r k e tw i l ld e v e l o ps t a b l yb yt h ey e a r2 0 2 0a n da c c o u n t f o r11 33 m a r k e tq u o t e a tt h es a m et i m e 3 5m sl o ws p e e dw i n df i e l do c c u p i e d7 6 o f t h e n a t i o n a ll a n di no u rc o u n t r yw h i c hi s s u i t a b l ef o rs m a l lo f f g r i dw i n dp o w e r g e n e r a t o ra p p l i c a t i o n t h e r e f o r e t h ed e v e l o p m e n to fs m a l lo f f g r i dt y p ew i n dp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y i sa l s os u i t a b l ef o rc h i n d sn a t i o n a lc o n d i t i o n sw h i c hh a s s p e c i a lm e a n i n g f o ra b o v ed i s c u s s t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h er e s e a r c hw o r kb a s e do nht y p e v e r t i c a la x i sw i n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y 1 a n a l y z e dt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tt y p ew i n dp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya n d t h e i rr e s e a r c h s i t u a t i o n e x p o u n d e dt h eb a s i ct h e o r y o fv e r t i c a la x i sw i n dp o w e rg e n e r a t i o n t e c h n o l o g y p r o v i d e dt h ea n a l y s i sm e t h o do fw i n da r e a w i n dw h e e ld i a m e t e r t i p s p e e dr a t i o i m p e l l e rr e a ld e g r e er a t i oa n da t t a c ka n g l ea n dt h ef a c t o r s a f f e c tl a w t o w i n dp o w e ru t i l i z a t i o nr a t e 2 p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n c l o u di m a g e t h ev e l o c i t y d i s t r i b u t i o nc l o u di m a g e l e a fs u r f a c ep r e s s u r ec o e f f i c i e n td i a g r a ma n dl i f t d r a gr a t i o c u r v ef o rd i f f e r e n ti m p e l l e rd i a m e t e r s o l i dd e g r e e st h a n i n s t a l l a t i o na n g l e t i ps p e e d r a t i oc o n d i t i o n si m p e l l e rp e r i p h e r a lr e g i o n e t ci so b t a i n e db yf l u e n ts o f t w a r eb a s e d o nc o m p u t a t i o n a lf l u i dm e c h a n i c sp r i n c i p l e i m p e l l e rl i f tc o e f f i c i e n t d r a gc o e f f i c i e n t m o m e n tc o e 伍c i e n t t h ei n f l u e n c el a wo fw i n du t i l i z a t i o ni so b t a i n e d 3 i m p e l l e r s t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha si m p e l l e rd i a m e t e r l e a fn u m b e di n s t a l l a t i o na n g l ea r e o p t i m i z e df o r1 5k w h t y p ev e r t i c a la x i sw i n d d r i v e ng e n e r a t o r b a s e do ns i m u l a t i o n r e s u l t s f 4 1d e s i g n e d t h e1 5k wht y p ev e r t i c a la x i sw i n d d r i v e ng e n e r a t o r m e c h a n i c a ls t r u c t u r e m e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fa l lc o m p o n e n t t h ew h o l es t r u c t u r e o fr e l i a b i l i t ya n ds t a t i ca n dd y n a m i cl o a da r ea n a l y z e db yu s i n gs o l i d w o r k s s o f t w a r e 5 1 5k wht y p ev e r t i c a la x i sw i n d d r i v e ng e n e r a t o rp r o t o t y p eh a sb e e n p r o d u c e da n d i n s t a l l e d t os u mu p t h i st h e s i sd i ds o m er e s e a r c ho na i rd y n a m i c sp e r f o r m a n c eo fht y p e a b s t r a c t 一 v e r t i c a la x i sw i n dp o w e rg e n e r a t o ra n dt h em a c h i n ed e s i g na n dm a n u f a c t u r em e t h o d s o m ev a l u a b l er e s u l th a sb e e no b t m n e dw h i c hc o u l dp r o m o t es m a l lw i n dp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n o l o g ya n dl o wc a r b o ne c o n o m i cd e v e l o p m e n t i nac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ht y p ev a w t p a r a m e t e ro p t i m i z e c f d f l u e n t e f f i c i e n c y i i i 第1 章引言 第1 章引言 1 1 引言 全球气候变暖 海平面上升 自然灾害频发己引起全世界对环境问题的广 泛关注和重视 各国纷纷采取措施减少化石能源的使用 扶持风电等新能源的 发展 风能作为一种清洁的可再生能源 越来越受到世界各国的重视 i 2 其蕴 量巨大 全球的风能约为2 7 4 x 1 0 6 g w 其中可利用的风能为2 x 1 0 4 g w 比地球 上可开发利用的水能总量还要大1 0 倍 大约是世界总能耗的3 倍 如果风能的 1 被利用 则可以减少世界3 的能量消耗 风能用于发电 可产生世界总电量 的8 9 3 4 1 此外 化石等一次性能源的特点如环境成本增加 不能再生等决 定了成本将不断上涨 如1 9 9 8 年以来国际油价持续上涨 于2 0 0 8 年曾达到1 4 7 美元每桶 此后受到全球金融危机的影响 油价大幅度下降 于0 9 年开始反弹 目前国际油价持续维持在约9 0 美元每桶的高位 油价持续维持高位 将大大减 弱风电等可再生能源的成本劣势 刺激风电等可再生能源的需求 另一方面 随着技术成熟和规模效应的发挥 风电 核电等新能源发电的成本将进一步降 低 在众多新能源中 风电是最具商业开发前景的新能源之一 基于以上背景 本论文以风力发电技术为对象展开研究工作 风力发电机是一种将风能转化成 电能的转换装置 风力发电机根据转轴和来流方向分 可分为水平轴风力发电 机 5 9 币d 垂直轴风力发电机 1 0 1 2 叶轮的旋转轴与风向平行的风力发电机被称作 水平轴风力发电机 叶轮的旋转轴与风向垂直的风力发电机被称作垂直轴风力 发电机 水平轴风力机扫风面积大 风能利用系数高 是目前世界上的主流风力机 也是目前国内外研制最多 最常见的一种风力机 常见的水平轴风力发电机如 图1 1 所示 其风轮叶片数一般为2 一5 叶 叶片形状一般为翼形 该风轮启动 力矩较大 风能利用系数高 鸟 鼗麟嚣 图1 1 水平轴风力发电机 节黼 第1 章引言 垂直轴风力机可分为两个主要类型 一类是利用空气动力的阻力做功 典 型的结构是s 型风轮 如图1 2 所示 图1 2s 型垂直轴风力发电机 另一类是利用翼型的升力做功 典型的结构是达里厄型风力机 如图1 3 所 示 达里厄风力机有多种形式 型 h 型 y 型和菱形 基本可分为直叶片和 弯叶片两种 这些风轮可以设计成单叶片 双叶片 三叶片或者多叶片 t 图1 3 达里厄型垂直轴风力发电机 目前水平轴风力机的技术发展比较成熟 但由于其自身固有的一些特点 使得制造成本和运营维护成本都较高 而垂直轴风力机因为结构简单等一些显 著优点 越来越受到重视 近年来 越来越多的机构和个人开始研究垂直轴的 风力发电机 并取得了长足的发展 下面将从六个方面比较两种类型的风力机 1 设计方法 水平轴风力发电机图1 1 的叶片设计 目前普遍采用的是动量一叶素理论 1 1 3 主要的方法有g l a u e r t 法 w i l s o n 法等 但是 由于叶素理论忽略了各叶素 之间的流动干扰 和叶片翼型的阻力 对风轮的风能利用率影响较大 同时 风轮各叶片之间的干扰也十分强烈 整个流动非常复杂 如果仅仅依靠叶素理 论是完全没有办法得出准确结果的 2 第1 章引言 垂直轴风力发电机图1 2 图1 3 风轮的流动比水平轴更加复杂 是典型的 大分离非定常流动 不适合用叶素理论进行分析 设计 这也是垂直轴风力发 电机长期得不到发展的一个重要原因 近年来 随着计算流体力学c f d 1 4 1 的进 步 目前的c f d 技术完全能模拟垂直轴风轮复杂外形下的复杂流动 而水平轴 叶片由于每个截面的扭角 弦长以及尖速比都不同 如果要用c f d 模拟的话 就必须采用三维模型 在普通商用p c 机上 如果设计一个风轮 可能需要几年 到十几年 这样的代价在工业设计中是很难接受的 而垂直轴叶片 h 型 s 型 的每个截面都一样 这样就能简化成二维情况 网格数大大下降 计算量也随 之下降 一般模拟一个工况只需4 h 从设计方法上讲 垂直轴风力发电机要远 比水平轴先进 2 风能利用系数比较 l 副 目前 由叶片设计方计算得到的水平轴风力发电机的风能利用率 一般在 4 0 以上 但对于小型水平轴风力发电机的风能利用率 中国空气动力研究与发 展中心曾做过相关的风洞实验 实测利用率在2 3 2 9 对于垂直轴而言 研究者通过c f d 模拟结果分析 垂直轴风轮的风能利用 率不比水平轴的低 国外也有机构经过实验表明垂直轴风轮的风能利用率在4 0 以上 另外 风场的气候比较恶劣 风向经常变化 水平轴风力机的迎风面不 可能总对着风向 会引起 对风损失 而垂直轴风轮可以接受来自任意方向 的风能 在考虑对风损失后 垂直轴风轮的风能利用率有可能超过水平轴风轮 3 起动风速与可承受风速比较 根据中国空气动力研究与发展中心对小型水平轴风力发电机所做的风洞实 验来看 起动风速一般在4 5 m s 之间 最大的达到5 9 m s 对于垂直轴风力发 电机 如d a r r i e u s 式 型风轮 几乎完全没有自启动能力 这也是限制垂直轴风 力发电机应用的一个原因 但是 对于d a r r i e u s 式h 型风轮 研究表明 只要 翼型和安装角选择合适 启动风速可以很小 如根据p 2 2 0 0 型垂直轴风力发电 机的风洞实验来看 启动风速只需要2 m s 优于上述的水平轴风力发电机 另 外 一般垂直轴风力机在5 0 m s 的风速下仍可运行 满负荷运行范围较宽 可以 更有效的利用高风速风能 同时由于垂直轴风力机的叶片可采用结构可靠的悬 臂梁结构 抗台风能力要强的多 4 结构比较 水平轴风力发电机的叶片在旋转一周的过程中 受惯性力和重力的综合作 3 第1 章引言 用 惯性力的方向是随时变化的 而重力的方向始终不变 叶片所受的是一个 交变载荷 对于叶片的疲劳强度非常不利 另外 水平轴风力机机仓放置在高 高的塔顶 安装维护不便 而且风力机重心高 易翻倒 垂直轴风力发电机组 的发电机 齿轮箱在底部 重心低 稳定 维护方便 并且降低了成本 垂直 轴风机不需要迎风调节系统 可以接受3 6 0 度方位中任何方向来风 主轴永远 向设计方向转动 垂直轴风力发电机叶片的尖速比要比水平轴的小 气动噪声 小 在城市公共设施 路灯 民宅等噪音不可过高的地方 都可以应用垂直轴 风力发电机 5 叶片寿命比较 水平轴风力机在旋转一周的过程中 叶片受到惯性力和重力的交变载荷 这对叶片的疲劳强度是非常不利的 而垂直轴风力机叶片在旋转过程中的受力 情况要比水平轴好的多 惯性力和重力的方向始终不变 受一恒定载荷 且垂 直轴风力机的叶片可由形状单一的翼型拉伸成t r o p o s k i e n 曲线 特殊的曲线形 式可保证叶片截面只承受拉应力 因此对叶片的强度要求也相应降低 叶片材 料通用且可以现场组装 因此垂直轴叶片的疲劳寿命要比水平轴长 能够有效 地降低叶片制造成本 6 环保问题比较 风力发电虽称清洁能源 能起到很好的环保作用 但随着越来越多大型风 电场的建立 一些由风力发电机引发的环保问题凸显出来 这些问题主要体现 在噪声及对当地生态环境的影响 水平轴风轮的尖速比一般在5 7 在这样的 高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音 同时 很多鸟类在这样的高速叶 片下很难幸免 垂直轴风轮的尖速比一般在1 5 2 这样的低转速基本不产生气动噪声 以前因为噪声问题不能应用风力发电机的场合 如城市公共设施 民宅等 现在 可以应用垂直轴风力发电机来解决 低尖速比带来的好处不仅仅是环保的优势 对于风机的整体性能也是非常有利的 从空气动力学上分析 物体速度越快 外形对流场的影响越大 当风力发电机在户外运行时 叶片上不可避免的受到 污染 这种污染实际上是改变了叶片的外形 对于水平轴风轮来讲 即使这种 外形变化很微小 也很大地降低了风轮的风能利用率 而垂直轴风轮因为转速 低 所以对外形的改变没那么敏感 这种叶片的污染基本上对风轮的气动性能 没有影响 4 第1 章引言 综上所述 垂直轴风力发电机相对于水平轴来说在诸多方面具有明显的优 势 且目前垂直轴风力发电机市场处于起步阶段 在此阶段进行小型垂直轴风 力发电技术的研究具有一定的先进性和较好的应用前景 1 2 国内外现状及发展趋势 1 2 1 国外发展现状 近二十年来 国外风电产业不断成长 风电界长期致力于通过采用新型机 组结构方式及材料 改善风电场选址和设计技术以提高风电机组系统安全性和 可靠性 提高效率 取得了一系列成果 目前 对于垂直轴小型风力机的研究 热点主要集中在以下几个方面 1 垂直轴风力机的空气动力学研究 空气动力学是叶轮设计与制造的理论基础 研究者在将空气动力学理论 空气动力学数值计算方法用于垂直轴叶轮设计方面进行了一些工作 如将经典 的涡模型与有限元分析相结合对叶轮的环量进行分析 在计算叶轮所受的升力 研究方面 取得了良好的效果 16 m a z h a r u li s l a m 等人研究了垂直轴风力机攻角 的变化情况 并讨论了动量模型在风力机气动性能计算时的优缺点 l7 1 引 针对 p 型达里厄垂直轴风力机 考虑风力机的陀螺效应以及结构阻尼特性 研究风力 机的转矩随转速变化的情况以及转矩在叶轮旋转一周过程中风轮波动的实度和 叶尖速比 这些对风力机的风能利用系数具有很大的影响 l9 根据动量理论和 旋涡理论对实度 叶尖速比以及风能利用系数的关系进行研究 2 目前 研究 最多 应用最广泛的垂直轴风力机的计算模型主要有动量模旋涡模型和激射模 型 2 这些模型主要用于预测和评估在不同的方位角和叶尖速比下 流过风轮 的风速和攻角的变化情况 确定作用于风力机叶轮的扭矩和推力 2 2 2 3 2 传统型式垂直轴风力机的改进 自启动性较差以及风能利用系数不高 是传统型式垂直轴风力机的主要缺 点 许多研究机构都在研究如何改进垂直轴风力机 以提高风力机的启动性能 和风能利用系数 如将阻力型风轮如s 轮与升力型风力机相结合 综合了两种 风轮的优点 启动时利用阻力型风轮提供较大的扭矩 发电时利用升力型风轮 提供较高风能利用率 2 4 1 为了克服 p 型达里厄垂直轴风力机叶轮不可调节的缺 点 国外一些研究者将垂直轴风力机的叶轮做成直叶轮 并且采用标准的翼型 第1 章引言 如n a c a 系列翼 利用机械或电子装置控制叶轮摆动 以获得较高的风能利用 率1 2 引 也有将固定翼直叶轮风轮分两层上下相差9 0 0 放置 做成直驱式6 k w 小 型风力机 并网或用蓄电池贮存电能 取得了较好的效果 2 6 3 风力机性能的优化 在对风力机评判时 主要是考虑风力机的风能利用系数 国外的一些研究 机构提出一种新的风力机评判标准一l o 标准 2 7 采用这种标准时 除考虑风力 机的风能利用系数 还要考虑截取同样的来流风向面积时 叶轮单积上的最大 机械应力以及单位面积上的发电量 针对由垂直轴风力机组成的恒速恒频风力 发电系统建立了经济性最优模型 通过考虑每千瓦时的花费确定风力机的尺寸 参数 4 国外垂直轴风力发电技术应用进展 在技术研究的基础上 垂直轴小型风力发电机商业化也获得了长足的发展 目前 国外商业化的小型垂直轴风力发电机 v a w t 主要 有 2 8 美国p a c w i n d 公司的v a w t 系统 其从风轮类型上可归属于阻力型风力机 通过增加叶轮数 目和改良设计 使迎风面积显著大于阻风面积从而减小了迎风阻力 其磁悬浮 轴联和较小的迎风面积损失大大提高了其风能转化效率 且不怕侧风和完全静 音 同时利用其有可编程多种线圈阻力的磁悬浮活动轴转换器设计解决了以前 限制垂直轴风力涡轮机的技术问题 并设计了独特的三相永磁发电机以在更低 的风速下有更高的发电量 芬兰的w i n d s i d e 公司推出一种外形独特德小型垂直 轴风力发电机系统 可提供给野外工作者为电池充电 具有极强的环境适应能 力 最大的特点是风速不高的情况下就可以供电 法国g u a li n d u s t r i e 公司研制 的v a w t 小型系统在垂直轴风轮周围增加了一圈导引叶轮 形成具有加速功能 的进流通道 增大了转子叶轮上的转速和转动扭矩 使用范围宽 发电量高 加拿大c l e a n f i e l de n e r g y 公司推出了屋顶v a w t 系统 在外形上可看做达利厄 风轮的h 型变形 整个系统由玻璃钢纤维和钢材组成 优秀的空气动力设计及 特殊的扭矩设计 使其具有启动风速低 抗强风性能好的特点 而且外观紧凑 结实 部件数也少于同功率的水平轴风力发电机 既节约维护费用 又延长使 用寿命 1 2 2 国内发展现状 中国的现代风电产业发展主要集中在大型风力发电机组的研究方面 国内 6 第1 章引言 从7 0 年代末开始并网式大型风力发电机组的研制 经过多年的努力 一些企业 和科研机构已经初步掌握了中等功率风电机组的部分核心设计技术 为我国风 电机组发展作出了很大贡献 2 只川j 在动力学结构分析和流场分析等方面 研究者通过求解非定长不可压缩 n a v i e r s t o k e s 方程 采用p i s o 速度压力修正算法 分析了不同时刻的速度场和 压力场分布及风轮叶片受力和转矩的变化规律 通过应用动网格技术 结合 s t a n d a r d k 湍流模型 采用分离隐式解算器对立轴风力机旋转流场进行了数值模 拟 根据数值模拟得出 当风力机转过一周后 风力机输出扭矩 功率 风能 利用系数逐渐呈现周期性变化 通过采用滑移网格技术对直叶片垂直轴风力机 进行非定常数值模拟 得到尾流速度 特定过流断面的速度分布规律 结果表 明 风力机三维旋转非定常流场的数值模拟能够反映风力机旋转过程中的本质 可为工程设计提供依据 巫发明等人以双向多流管理论为基础 采用遗传算法 开发了风轮优化设计模型 研究结果显示 额定风速取为年平均风速的1 3 6 倍 可让风力机在高风速时的风能得到充分吸收 郑云等人研究了不同弦长的小型h 型垂直轴风力机气动性能 采用移动网格技术建立了风轮外流场数值模拟 分 析了叶片弦长对小型h 型垂直轴风力机风轮气动性能的影响 牛海峰等人利用 a n s y s 软件对h 型垂直轴风力发电机的结构强度进行了研究 分析了支持翼及叶 片的受力情况 在小型垂直轴风力发电机的产业化方面 本世纪初我国开始了新型垂直轴 风机的研究 m u c e 做为研发主体 多家大学专家配合 2 0 0 2 年生产出首台新 型垂直轴风机 并在2 0 0 7 年将功率扩展至2 0 0 w 以上 其产品采用永磁悬浮技 术和自动迎风护罩式相结合的技术 无噪声 低风速启动 发电效率较同类型 要高 此外 国内还有广州 上海 青岛 长春等地公司也在生产不同规格 不同类型的垂直轴风力发电机 受惠于中国相对低廉的劳动力成本 近几年来 在民营资本的推动下 中国小型风电制造业迅速发展 中国出口的小型风机在 国外市场上具有明显的价格优势 约是欧美当地产品价格的2 3 因此中国的小 型风电在国际市场上销量很好 国内的小型风电机相对来说技术含量低 目前大多数市场上的小型风机处 于仿制阶段 缺乏自己的核心技术 严重影响到小型风机行业下一步的发展 如在垂直轴叶片新翼型的研究方面 早期的水平轴风机叶片普遍采用航空翼型 例如n a c a 4 4 和n a c a 2 3 0 系列 随着风机叶片技术的不断进步 人们逐渐开 7 第1 章引言 始认识到传统的航空翼型并不适合设计高性能的叶片 美国 瑞典和丹麦等风 能技术发达国家都在发展各自的翼型系列 在国内 风力发电机翼型的研究工 作仍停留在普通航空翼型阶段 对新翼型的研究很少 由于缺乏风力发电机专 用新翼型的几何参数和气动性能参数 直接影响了我国风力发电机气动设计水 平 在空气动力学性能的建模仿真与叶轮结构参数的优化方面 目前并没有形 成完善的理论体系 1 3 研究内容 1 空气动力学性能分析 借助空气动力学的分析方法 确定扫风面积 叶轮直径 叶尖速比 叶轮 实度比和攻角等的分析方法 分析各因素对于风能利用率的影响规律 2 叶轮结构的优化设计 垂直轴风力发电机在运行过程中 风能需要穿过叶轮 叶轮的结构会影响空 气的流场分布 影响风能利用效率 因此 有必要对叶轮结构进行空气动力学分析 在此基础上进行优化设计 具体研究内容如下 首先 基于计算流体力学原理 在f l u e n t 软件平台上进行了仿真研究 对不 同叶轮直径 实度比 安装角 叶尖速比条件下叶轮周围区域的压力分布 速 度分布 叶片表面压力系数及升阻比等进行分析 分析不同因素对于叶轮升力 系数 阻力系数 力矩系数 风能利用率的影响规律 然后依据仿真分析结果 对1 5 k wh 型垂直轴风力发电机的叶轮直径 叶 片数 安装角等叶轮结构参数进行优化 3 整机设计与调试 对1 5 k w h 型垂直轴风力发电机机械结构进行总体方案设计 利用 s o l i d w o r k s 软件对垂直轴风力发电机零件建模与整体装配 对各机械结构零 件进行参数设计和力学性能分析 并对整机结构可靠性及静态和动态载荷进行 分析 同时制作出1 5 k w h 型垂直轴风力发电机样机 并进行调试和安装 1 4 研究意义 近些年 随着风电技术的日益成熟 风电装机容量不断增大 并网性能不 断改善 发电效率不断提高 风电设备在全球能源设备中脱颖而出 风电机组 8 第1 章引言 约占风电投资的7 0 随着风电技术的成熟和规模效应的显现风电机组价格不 断下降 由此带来风电成本的持续降低 上世纪8 0 年代到9 0 年代初风电成本 下降较快 9 0 年代中期以来 成本下降趋缓 即使这样 风电成本也达到每5 年下降2 0 照此速度 到2 0 2 0 年 即使没有补贴 风电的成本将接近煤电等 常规能源 在此形势下 自2 0 0 1 年以来 全球每年风电装机容量增长速度为 2 0 一3 0 至2 0 0 9 年己突破1 5 0 g w 的装机容量 我国2 0 0 9 年全国风力装机 容量约为9 0 8 g w 至2 0 2 0 年全球累计装机量将达1 9 0 0 g w 值得关注的是 在全球发展智能电网分布式电力系统的大趋势下 小型风机 一般指单机容量在 1 0 0 w 1 0 k w 的风机类型 近年来成长迅速 小型风机之装置成本及发电成本与 太阳能 光电比较 相对低廉且回收期短 英国 美国 加拿大 爱尔兰 意大 利 葡萄牙 以及西班牙等国皆看准小风力发电机产业之商机 积极投入 目 前全球中小风机市场正快速发展 其中美国 英国 中国为前三大市场 美国 及中国由于地幅辽阔 基本市场固定存在 英国 日本 韩国等则提供优沃奖 励政策 以支持小型风机市场成形 非洲 南美洲 东南亚等电网未能普及之 地区则为潜力市场 根据e m e r g i n ge n e r g yr e s e a r c h 2 0 0 9 预估2 0 2 0 年之前 1 m w 以下中小型风电市场将呈现稳定发展 至2 0 2 0 年中小型将占风电市场的 1 1 3 3 中国为全球小风机第二大市场 市场成长快速 根据中国农机工业协会风 能设备分会统计 截止到2 0 1 0 年底 中小型风力发电机生产企业达到1 3 0 多家 主要生产企业3 8 家 年生产能力达2 0 万台 产量 保有量均列世界之首 另 一方面 以国内市场而言 中国目前仍有3 0 0 万无电户和l 1 4 7 万无电人口 偏 远无电地区对于生活用电或农牧渔民用电 为小风机或风光互补系统供电的广 大潜力市场 此外 包含城乡道路采用风电或风光互补路灯照明 行动通讯基 地约有3 0 万座机站需逐步由柴油发电改为风电 风光互补 风光柴互补供电 养殖业独立供电 或各变电站中控制系统的补充电源等皆为中国小风机潜在市 场 另据技术分析 年平均风速大于6 m s 的高速风场宜建造大型并网型风力发 电场 而年平均风速为3 5 r n s 的低速风场风力小 不稳定 宜应用小型离网型 风力发电机 我国占全国土地7 6 的风电场都是年平均风速在3 5 m s 的低速风 场 因此 发展小型离网型风力发电场对我国利用风能有特别重要的意义 9 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 2 1 垂直轴风力发电机的主要分类与应用 垂直轴风机的应用可以追溯到几千年前 人们利用垂直轴风机进行提水 但利用垂直轴进行发电的研究直到2 0 世纪2 0 年代后才开始 由于研究工具 方法的落后 结果导致认为垂直轴风机风能利用率不如水平轴风机 但制造工 艺 成本低于水平轴风机的结论 随着计算机技术的日新月异 c f d 技术得到 了飞速的发展 从最初的小扰动速势方程 到欧拉方程以及更加复杂的n s 方 程 尤其进入2 l 世纪后 已经可以模拟动态下的复杂外形气流流动 这为垂直 轴风机的研究提供了一个基础 传统的水平轴风力发电机叶片受其叶片特殊的 非等截面结构限制 目前还不能用c f d 方法设计 计算 只能靠大量的经验来 设计 对于h 型垂直轴风轮叶片 由于是等截面结构 已经可以用c f d 方法来 设计 计算精度要高于叶素理论方法 因此 目前世界上研究垂直轴风机的机 构也越来越多 垂直轴风力发电机可分为两种主要类别 一类是升力型 另一类是阻力型 2 1 1 阻力型垂直轴风力发电机 阻力型垂直轴风力发电机的典型结构为萨瓦纽斯型风力发电机 它是由芬 兰工程师萨瓦纽斯 s a v o n i u s 发明的 一种阻力型垂直轴风力发电机 所以此种 风力发电机被称为萨瓦纽斯型风力发电机 最初的设计如图2 1 所示 又称为 s 型风力发电机 图2 1 萨瓦纽斯型风力发电机 1 0 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 s 型风力发电机由两个半圆筒形叶片组成 两圆筒的轴线相互错开一段距 离 其优点是起动转矩较大 启动性能良好 但是它的尖速比小于1 从而转速 较低 风能利用系数也小于达里厄型垂直轴风力发电机 并且在运行中会产生 不对称气流 从而产生侧向推力 如果用于大型的风力发电机 受安全极限应 力与偏转的限制 采用该结构形式是比较困难的 2 1 2 升力型垂直轴风力发电机 升力型垂直轴风力机利用翼型的升力做功 最典型的是由法国工程师达里 厄 g j m d a r r i e u s 发明的达里厄型 d a r r i e u s t y p e 风力机 他于1 9 3 1 年获得 专利 但一直未被重视 2 0 世纪后期 经加拿大国家空气动力实验室和美国s a n d i a 实验室进行了大量的试验研究 结果认为与所有垂直轴风力机相比 该机的风 能利用系数最高 根据叶片的形状 达里厄型风力机可分为直叶片和弯叶片两 种 如图2 2 叶片的翼形剖面多为对称翼形 弯叶片 型 主要是使叶片只 承受张力 不承受离心力 但其几何形状固定不变 不便采用变桨距方法控制 转速 且弯叶片制造成本比直叶片高 直叶片一般都采用轮毂臂和拉索支撑 以防止离心力引起过大的弯曲应力 但这些支撑会产生气动阻力 降低效率 如图1 3 所示 达里厄型风力机有多种形式 h 型 型 形 y 型和 型等 其中以h 型风轮和 型风机最为典型 如图2 2 图2 3 所示 图2 2 达里厄型风力发电机实物图 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 群馘 囊甍纛 t 幺t 芸 黼 a b 图2 3 垂直轴风力发电机 a h 型 b 旋翼式 h 型风轮结构简单 但这种结构造成的离心力使叶片在其连结点处产生严重 的弯曲应力 另外 直叶片需要采用横杆或拉索支撑 这些支撑产生气动阻力 降低叶轮效率 型风轮所采用的t r o p o s k i e n 曲线叶片将离心力载荷转化为张 力 叶片不承受弯曲载荷 从而将弯曲应力减至最小 由于材料可承受的张力 比弯曲应力要强 所以对于相同强度的叶片 型叶片比较轻 且比直叶片h 型达里厄风力机具更高的尖速比 但是 型叶片不便采用变桨矩方法实现自起 动和控制转速 另外 对于高度和直径相同的风轮 型转子比h 型转子的扫 掠面积要小一些 但是这些缺点可通过扩大叶轮直径得以弥补 旋翼式风力机 可以看作是达里厄 d a r r i e u s h 型风力机的改进型 旋翼式风轮叶片可以调节 桨矩角 叶片转轴偏离截面几何质心 与气动力作用中心重合 作用在叶片上 的离心力使叶片能根据不同转速自动调节叶片的迎角 实现恒转速 鉴于翼型 俯仰力矩力臂与转轴重合 不会影响叶片攻角的变化 只对叶轮的转矩起作用 这种旋翼式风力机的自动变桨功能 还可以适应相对风速的变化 并实现白启 动 随着垂直轴风力发电机技术的发展 现在已有在风速为2 m s 时就可以带负 载自启动的h 型垂直轴风力发电机 并且风能利用率比水平轴风力发电机更高 旋翼式风力机的自动变桨可通过导杆或凸轮等机构实现 已有的经验证明此种 垂直轴风力机的效率较高 1 2 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 2 1 3h 型垂直轴风力机的应用 现有的中 小型h 型垂直轴风机不仅在系统效率上达到了中小型水平轴风 机的水平 而且还解决了低风速启动和高风速下自动限速的问题 使中 小型 垂直轴风机具有商业应用价值 同时由于垂直轴风机无噪声的特点 比中 小 型水平轴风机具有更广的应用范围 为中 小型h 型垂直轴风机的大规模商业 开发奠定了基础 近年来发展起来的许多新型技术应用于垂直轴风力发电机 取得了很好的效果 如电动和机械两种方式控制的变 攻角 技术 使垂直轴 风力发电机的风轮在转动过程中 当叶片处于不同位置时根据风速 风向的变 化情况 使叶片的 攻角 保持受控变化 使其始终处在最佳的 攻角 位置 从而达到最大的风能利用率 这项技术使大型升力型垂直轴风力发电机在风速 2 m s 时就可以带负载自启动 同时在额定风速下获得比水平轴风机更高的风能 利用率 在高风速环境下运行无噪声 而在风速超过额定风速后继续保持稳定 的输出功率 由于h 型垂直轴风机的特性 使得风力发电机的应用方式 应用领域发生 了改变 水平轴风机由于噪声 对风向等问题 风机要么用于风电场 要么用 于边远地区解决无电问题 这些应用场合都远离城市中心区域 但h 型风机将 扩展新的应用领域 比如 除了风电场应用以外 还可以充分利用大型建筑物 的集风作用和大型建筑物顶层的空间 高度 建造风电大楼和零能耗大楼 其 次 城市公共照明和高速公路亦可以通过风 光互补方式大量应用风力发电机 另外 具有风资源条件的企事业单位也可以大量应用h 型垂直风机 比如靠海边的 海水淡化装置 油田采油机和海上钻井平台等 2 2 垂直轴风力发电系统的整体结构 1 5 k w h 型垂直轴风力发电机总体设计方案如图2 4 所示 零部件主要包括 风轮 发电机 塔柱 负载 控制器 风轮 是风能收集部件 将 风能转化为发电机 的旋转进行发电 控制器 将电能稳定为交流和直流输出 供家电负载 用电 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 风轮 发电机 塔柱 负载 控制器 图2 4 总体设计方案 主要结构部件功能简介 风轮 垂直轴小型风力机的风轮叶片对称排列在风轮轴周围 它是把风能 转化为机械能的部件 传统的风轮叶片主要有两种材质 一种是玻璃钢材料 一般用玻璃丝布和调配好的环氧树脂在模型内手工糊制 在内腔填加一些填充 材料 手工糊制适用于不同形状和变截面的叶片但手工制作费工费时 产品质 量不易控制 另外一种是长纤增强尼龙材料 国外小风机也采用机械化生产等 截面叶片 大大提高了叶片生产的效率和产品质量 目前也有使用铝合金 高 分子材料 竹杆和碳纤维制作风叶的技术 可减少风叶的重量 本论文中采用 的风机叶片使用玻璃钢与环氧树脂材料制作 发电机 小型风力发电机采用直驱型稀土永磁发电机 由风轮驱动发电机 产生的交流电经过整流后变成可以储存在蓄电池中的直流电 蓄电池 发电系统中的一个非常重要的部件 多采用汽车用铅酸电瓶 近 年来国内有些厂家也开发出了风能太阳能专用铅酸蓄电池 也有选用镉镍碱性 蓄电池的 但价格较贵 本设计中的蓄电池采用胶体电池 用于储存电能 1 4 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 蓄电池充电控制器 风力机控制器的功能是控制和显示风力机对蓄电池的 充电 以保证蓄电池不至于过充和过放 以保证蓄电池的正常使用和整个系统 的可靠工作 风力机控制器附带一个耗能负载 在蓄电池瓶已充满的情况下 且外部负荷很小时用来吸纳风力机发出的电能 逆变器 逆变器是把直流电 1 2 v 2 4 v 3 6 v 4 8 v 变成2 2 0 v 交流电的 装置 因为目前市场上很多用电器是2 2 0 v 供电的 因此这一装置在很多应用场 合是必须的 调向机构 调速机构和停车机构 为了从风中获取能量 风轮旋转面应垂 直于风向 在小型风机中 随着风速的增加 要对风轮的转速有所限制 一方 面因为过快的转速会对风轮和风力机的其他部件造成损坏 另一方面也需要把 发电机的功率输出限定在一定范围内 在风速较大时 特别是蓄电池已经充满 的情况 应控制风力机停机 塔架 小型风力机离地面较近时 风的流动受地面的干扰会造成复杂的空 气流场分布 影响风力发电机的效率 因此需将风力发电机架设在一定高度的 塔架上 以提高风能利用效率 2 3 垂直轴风力发电技术基本理论 2 3 1 风功率 一团质量为m 的空气以速度v 运动 它所具有的动能 e m v 2 2 1 2 单位时间通过该平面的空气质量m 为 m v s p 2 2 则可得风功率为 p v s p v 2 三跏3 o 6 跏3 2 3 式中 旷空气密度 标准状态1 2 9 3 k g m 3 虑到气温等因素本论文中计算 取p 1 2 5 k g m 3 风能密度 单位时间内通过单位面积的动能 为 e 06 v 3 1 5 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 风压 垂直于气流方向的平面所受到的风的压力 为 w 三 2 o 6 v 2 根据国家标准 把风力发电机组的分为5 级 按年平均风速1 0 m s 8 5 m s 7 5 m s 6 m s 四种风速和特殊设计风速一个 设为9 r n s 本文再增加停机风 速2 5 m s 和起动风速3 m s 共七个风速来计算单位面积 每平方米 的风能密度 与风压 计算所得数据 3 1 3 2 女n 表2 1 表2 一l风能密度与风压计算结果 2 3 2 功率系数 由式 2 1 可推导 密度为9 体积为a l 面积a 距离l 的空气在以 速度v 运动时所具有的动能 可以表示为 e 1p a l v2 当空气在t 时间内 通过距离l 时 空气速度可以写成v l t 那么 上式则可以表示为 1 e w 寺p a v 3 f 2 4 二 因此 单位时间内通过面积a 的风的能量p w w j s 为 1 岛 与p a v 3 2 5 厶 如果将风力发电机组从风中可获得的单位时问内的能量称为功率p 那么风 力发电机组的功率p 与风的功率之比称为功率系数 用c p 表示 d c p 二一 2 6 三d 么y 3 2 即功率系数是衡量在风所具有的能量中 风力发电机组到底能从中获取多 少能量的性能评价指标 1 6 第2 章小型垂直轴风力发电机总体设计 2 3 3 升力与阻力 在流体中的物体所受到的力f 可分解为一个垂直于来流的升力分量l 1 i f t f o r c e 和一个平行于来流的阻力分量d d r a gc o e f f i c i e n t f 图2 5 升力与阻力 不同形状 不同大小的物体的升力和阻力是不同的 一般采用以下的无量 纲值 升力系数c l 和阻力系数c d 来加以分析比较 c l l 2 7 一1 p a u 2 2 c o 一 2 8 三d 彳u 2 2 式中 p k g m 3 为空气密度 a m 2 为物体相对于来流的投影面积 u m s 为来流速度 升力系数和阻力系数大小与物体