自適應(yīng)阻升轉(zhuǎn)換垂直軸風(fēng)力機及其動態(tài)特性的研究.pdf

1、近年來,不斷增加的環(huán)境污染、激增的能源需求和礦物燃料的持續(xù)減少,使人們對可再生能源的關(guān)注顯著提高。在這些能源中,風(fēng)能是較廉價并且發(fā)展最快的可再生能源。因此人們進行了大量的工作來研究如何有效得利用這種能源,其中風(fēng)力機是最主要的一種形式。風(fēng)力機主要分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機,與水平軸風(fēng)力機相比,垂直軸風(fēng)力機具有無需對風(fēng)、易維護、葉片結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點越來越受到人們的重視。垂直軸風(fēng)力機主要分為阻力型風(fēng)力機、升力型風(fēng)力機和組合型風(fēng)力機。本課題綜

2、合阻力型和升力型風(fēng)力機的優(yōu)點,提出了一種自適應(yīng)阻升轉(zhuǎn)換垂直軸風(fēng)力機(VAWT-SDLC),該風(fēng)力機克服了傳統(tǒng)阻力型風(fēng)力機效率低和升力型風(fēng)力機起動困難的缺點。本文對該風(fēng)力機的動態(tài)特性進行了實驗研究和理論分析,并建立了工作模式判定模型和性能預(yù)測模型。
　　本文首先研制了VAWT-SDLC原理樣機及其性能測試裝置。風(fēng)力機主要由葉片、支撐臂和軸承座幾部分組成,明顯特征是每組葉片都由活動葉片和固定葉片組成,活動葉片可以根據(jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的情況進

3、行開合,使風(fēng)力機實現(xiàn)工作模式的自動轉(zhuǎn)換。測試裝置包括風(fēng)洞、風(fēng)力機本體和測試系統(tǒng),測試系統(tǒng)可以進行風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩采集,輸出信號可通過上位機界面顯示。風(fēng)力機原理樣機及其測試裝置的研制,為該風(fēng)力機動態(tài)特性的研究提供了實驗平臺。
　　VAWT-SDLC與傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力機不同,在阻力模式下工作時,活動葉片將在順風(fēng)邊打開,而在逆風(fēng)邊關(guān)閉?，F(xiàn)存的性能預(yù)測模型沒有一種完全適用于本風(fēng)力機。本文基于雙盤面多流管模型建立了本風(fēng)力機在阻力模式下的性能

4、預(yù)測模型,然后,結(jié)合實際算例,通過理論計算值與原理樣機風(fēng)洞實驗的結(jié)果對比,說明理論結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)基本吻合,證明了阻力模式下的性能預(yù)測模型在VAWT-SDLC性能預(yù)報上的可行性。該模型為VAWT-SDLC的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。
　　自起動性是風(fēng)力機最基本的特性,同時也是衡量風(fēng)力機性能的重要指標之一。本課題首先在風(fēng)洞中對VAWT-SDLC原理樣機的自起動性能進行了實驗研究。通過與相同幾何參數(shù)的Darrieus直葉片風(fēng)力機的靜態(tài)自起

5、動性能對比,說明VAWT-SDLC明顯優(yōu)于Darrieus風(fēng)力機。實驗研究了葉片數(shù)、直徑和風(fēng)速對VAWT-SDLC靜動態(tài)自起動性能的影響。對于靜態(tài)自起動性能,得出風(fēng)力機的性能隨著葉片數(shù)的增加而提高,直徑的增加對不同方位角下的靜態(tài)自起動性能有一定的影響,但對平均自起動性能影響不大。在低風(fēng)速時,風(fēng)速的增加使靜態(tài)自起動性能下降,而在較高風(fēng)速時幾乎沒有影響。而對于動態(tài)自起動性能,葉片的增加將使性能降低,直徑越大動態(tài)自起動性能越好,在低風(fēng)速時,風(fēng)

6、速的增加將改善動態(tài)自起動性能,而在高風(fēng)速時,風(fēng)速對動態(tài)自起動性能的影響很小。
　　VAWT-SDLC與現(xiàn)存的垂直軸風(fēng)力機最大不同之處在于其可以根據(jù)工況的不同,自動完成阻力模式和升力模式的轉(zhuǎn)換過程。本課題根據(jù)多流管模型建立了風(fēng)力機的工作模式判定數(shù)學(xué)模型,并利用風(fēng)洞實驗的結(jié)果對模型進行了驗證。實驗研究了葉片數(shù)、直徑和風(fēng)速對風(fēng)力機阻升轉(zhuǎn)換特性的影響,結(jié)果說明在恒定的風(fēng)速下,葉片數(shù)的增加會導(dǎo)致阻升轉(zhuǎn)換的提前;直徑的增加將會導(dǎo)致阻升轉(zhuǎn)換的延

7、后。3m/s~10m/s風(fēng)速下的實驗表明,風(fēng)速對風(fēng)力機的阻升轉(zhuǎn)換所需的尖速比影響很小,但對能否實現(xiàn)阻升轉(zhuǎn)換有較大的影響。
　　實驗研究了VAWT-SDLC在阻力模式下的動態(tài)輸出特性,將2、3和4葉片的VAWT-SDLC與Darrieus直葉片風(fēng)力機在6m/s風(fēng)速下的功率進行了對比,表明所有葉片數(shù)的VAWT-SDLC的輸出性能均優(yōu)于Darrieus風(fēng)力機。對葉片數(shù)、直徑和來流風(fēng)速對VAWT-SDLC動態(tài)輸出性能的影響進行了詳細的實驗