自適應(yīng)阻升轉(zhuǎn)換垂直軸風(fēng)力機(jī)及其動(dòng)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(duì)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(jià)并且發(fā)展最快的可再生能源。因此人們進(jìn)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(jī)是最主要的一種形式。風(fēng)力機(jī)主要分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī),與水平軸風(fēng)力機(jī)相比,垂直軸風(fēng)力機(jī)具有無需對(duì)風(fēng)、易維護(hù)、葉片結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視。垂直軸風(fēng)力機(jī)主要分為阻力型風(fēng)力機(jī)、升力型風(fēng)力機(jī)和組合型風(fēng)力機(jī)。本課題綜

2、合阻力型和升力型風(fēng)力機(jī)的優(yōu)點(diǎn),提出了一種自適應(yīng)阻升轉(zhuǎn)換垂直軸風(fēng)力機(jī)(VAWT-SDLC),該風(fēng)力機(jī)克服了傳統(tǒng)阻力型風(fēng)力機(jī)效率低和升力型風(fēng)力機(jī)起動(dòng)困難的缺點(diǎn)。本文對(duì)該風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(jī)及其性能測試裝置。風(fēng)力機(jī)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(dòng)葉片和固定葉片組成,活動(dòng)葉片可以根據(jù)風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的情況進(jìn)

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

4、預(yù)測模型,然后,結(jié)合實(shí)際算例,通過理論計(jì)算值與原理樣機(jī)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比,說明理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(bào)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(dòng)性是風(fēng)力機(jī)最基本的特性,同時(shí)也是衡量風(fēng)力機(jī)性能的重要指標(biāo)之一。本課題首先在風(fēng)洞中對(duì)VAWT-SDLC原理樣機(jī)的自起動(dòng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過與相同幾何參數(shù)的Darrieus直葉片風(fēng)力機(jī)的靜態(tài)自起

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

6、速的增加將改善動(dòng)態(tài)自起動(dòng)性能,而在高風(fēng)速時(shí),風(fēng)速對(duì)動(dòng)態(tài)自起動(dòng)性能的影響很小。
　　VAWT-SDLC與現(xiàn)存的垂直軸風(fēng)力機(jī)最大不同之處在于其可以根據(jù)工況的不同,自動(dòng)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(jī)的工作模式判定數(shù)學(xué)模型,并利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)研究了葉片數(shù)、直徑和風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)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(huì)導(dǎo)致阻升轉(zhuǎn)換的提前;直徑的增加將會(huì)導(dǎo)致阻升轉(zhuǎn)換的延

7、后。3m/s~10m/s風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)表明,風(fēng)速對(duì)風(fēng)力機(jī)的阻升轉(zhuǎn)換所需的尖速比影響很小,但對(duì)能否實(shí)現(xiàn)阻升轉(zhuǎn)換有較大的影響。
　　實(shí)驗(yàn)研究了VAWT-SDLC在阻力模式下的動(dòng)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(jī)在6m/s風(fēng)速下的功率進(jìn)行了對(duì)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(jī)。對(duì)葉片數(shù)、直徑和來流風(fēng)速對(duì)VAWT-SDLC動(dòng)態(tài)輸出性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)