风能资源统计特性与直叶片H型垂直轴风力机气动性能分析

【摘要】：风能的清洁性、可再生性以及大规模应用技术的日益成熟,使风力发电成为目前新能源领域中除核能以外技术最成熟、最具开发条件和商业化发展前景的清洁发电方式。近年来,随着全球应对气候变化呼声的日益高涨以及能源短缺、安全形势的日趋严峻,世界各国已经纷纷视风能开发为新能源战略中最重要的组成部分之一。风资源的统计特性与风力机的空气动力学性能作为风能发电中前期能量捕获与转换的关键部分,具有十分重要的研究意义。本文作者利用研究生学习期间赴美国怀俄明大学交流的机会,对当地的风资源的统计特性进行实地分析,并对直叶片H型垂直轴风力机的空气动力学性能与流场特征进行了数值模拟,具体完成了以下工作： 风资源特性与风能利用研究。风能利用的规模和效率取决于风力机或风电场所在地区风资源的分布情况。了解风特性、测风、评估风况、选择风场是风电项目规划和风力机气动与结构设计的基础。在宏观分析了风资源于美国各州特别是怀俄明大学所处地区的分布情况后,将实地测量的风资源数据运用数学统计方法进行了平均风速的概率密度分布描述,建立了风力机单机容量与风电场装机数量的估算方法,对当地风能资源的利用进行预估,为风电场的选址与配置提供了参考；同时,其风速统计特性也为风力机气动性能模拟以及实验测试提供了切合实际的入流参数,具有一定的实用价值。 直叶片H型垂直轴风力机气动流管模型分析。本文立足于垂直轴风力机自身固有的优势,选择直叶片H型风机为研究对象,对描述其气动特性的经典气动流管模型进行了介绍,并类比水平轴风力机叶素—动量分析中尾流的旋转效应,引入风轮叶片处的切向速度诱导因子,建立了直叶片H型垂直轴风力机的双致动盘—多流管气动修正模型,使风轮叶片处诱导速度的变化与分布更符合实际的流场情况,在保证高速运算效率的同时,提高了计算结果的精确度。 直叶片H型垂直轴风力机的三维面元涡流模型研究。针对于流管模型(特别是双致动盘—多流管气动修正模型)在估算垂直轴风力机气动性能方面的不足,本文应用低速空气动力学领域中的不可压缩无粘势流理论,结合Weissinger升力线原理,建立了以涡流法为基础的三维面元涡流模型,使风轮研究从二维平面扩展到三维空间,从而计算出叶片上不同部位的气动载荷与风力机所处整个空间流场的速度分布,同时预测出尾流在风轮后的空间位置与结构,在预测风力机的气动性能时更加符合实际,并且具有更高的精确度和通用性。 直叶片H型垂直轴风力机气动特性计算与分析。通过编写计算机程序完成了对本文所建立的两种模型的仿真运算,讨论了风轮尖速比以及叶片数目对叶片气动载荷与风轮周围速度场分布的影响,将两种模型的估算结果与实验数据进行比较,验证了两者的可行性与正确性,并分析出两种气动模型的适用范围与优缺点,为不同运行工况及风轮结构的直叶片H型垂直轴风力机提供了多精度等级的气动分析模型,同时也为进一步研究垂直轴风力机多机体的排布方式和风场的数值模拟方法奠定了基础,具有一定的工程实用意义。 【关键词】：风资源特性 垂直轴风力机 流管模型 涡流模型 气动性能
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 风力机的发展与应用现状10-16
• 1.1.1 水平轴风力机的发展与应用概述10-13
• 1.1.2 垂直轴风力机的发展与应用概述13-14
• 1.1.3 垂直轴风力机与水平轴风力机的比较与优势14-16
• 1.2 垂直轴风力机的风能利用率分析16-17
• 1.3 垂直轴风力机的气动特性研究进展17-20
• 1.3.1 流管模型17-19
• 1.3.2 涡流模型19-20
• 1.4 本课题的研究背景与内容20-24
• 1.4.1 课题的研究背景与意义20
• 1.4.2 课题的研究内容20-24
• 第二章 风资源特性与风能利用的研究与分析24-36
• 2.1 风能资源的分布24-26
• 2.2 风能资源的统计特性26-29
• 2.2.1 平均风速与脉动风速26-27
• 2.2.2 平均风速随离地高度的变化27
• 2.2.3 平均风速分布的统计特性27-28
• 2.2.4 风速的统计特性与风力机能量输出的关系28-29
• 2.3 利用风资源统计特性估算风场配置的实例分析29-35
• 2.3.1 风资源统计特性与风力机能量输出的计算步骤29-30
• 2.3.2 风速统计特性的计算分析与比较30-34
• 2.3.3 风力机单机容量与风电场装机数量的估算34-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 直叶片H型垂直轴风力机的气动流管模型36-50
• 3.1 直叶片H型垂直轴风力机的结构与工作原理36-38
• 3.2 单流管气动模型(Single Streamtube Model)38
• 3.3 多流管气动模型(Multiple Streamtube Model)38-39
• 3.4 双致动盘---多流管气动模型及其修正39-46
• 3.4.1 通过垂直轴风力机流管内的速度分布41-43
• 3.4.2 双致动盘---多流管气动修正模型的动量分析43-44
• 3.4.3 双致动盘---多流管气动修正模型的叶素分析44-46
• 3.4.4 双致动盘---多流管气动修正模型的动量--叶素分析46
• 3.5 垂直轴风力机流管模型的适用范围及优缺点分析46-48
• 3.6 本章小结48-50
• 第四章 直叶片H型垂直轴风力机的三维面元涡流模型50-60
• 4.1 不可压缩无粘势流的控制方程50-51
• 4.2 有限展长叶片(机翼)的三维面元涡流模型51-55
• 4.2.1 Weissinger升力线理论简介52-53
• 4.2.2 非定常状态下叶片的涡流模型53-54
• 4.2.3 涡系产生的空间诱导速度54-55
• 4.3 三维面元涡流模型的非定常求解55-59
• 4.3.1 流场的控制方程55
• 4.3.2 流场控制方程的边界条件55
• 4.3.3 附着涡面元的涡强度求解55-56
• 4.3.4 流场中速度场的计算56-58
• 4.3.5 直叶片垂直轴风力机三维涡流面元模型的计算流程58-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 直叶片H型垂直轴风力机气动特性计算与分析60-78
• 5.1 Texas Tech大学的水槽实验设置简介60-61
• 5.2 气动模型计算结果与实验数据的比较分析61-77
• 5.2.1 不同运行工况下双叶片风轮转子的气动性能计算与分析61-70
• 5.2.2 同一运行工况下不同叶片数目风轮转子的气动性能计算与分析70-75
• 5.2.3 常用运行工况下双叶片风力机的速度场计算与分析75-77
• 5.3 本章小结77-78
• 第六章 结论与展望78-82
• 6.1 结论78-80
• 6.2 展望80-82
• 参考文献82-86
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果86-88
• 致谢88

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