风切变对风能转换装置输出特性影响及变桨优化研究

【摘要】： 风轮是风力机的关键部件,其气动性能直接决定了风力机能从风中提取的能量多少及其转化效率,是风力发电技术中的核心内容。然而风速在空间上具有风切变特性,致使风力机叶片扫掠面的不同水平截面的风速大小各不相同,风速的变化使得风力机叶片运行工况时刻发生改变,直接影响到风轮的气动性能,进而影响风力发电设备的效率与安全。 本文针对风切变影响风能转换装置输出特性这一个问题,选取了容量1.5MW,风轮直径82.7m的风力发电机组,对其在风切变流场中轮毂高度处的来流风速为额定风速时的叶片变桨进行了研究。研究内容包括风切变流场中风轮气动特性研究,风切变流场中风轮叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算,风轮叶片旋转到任意相位角时最佳节距角的优化选取,风切变流场中风轮输出特性仿真模拟等。 为了实现所研究的内容,本文以风力机空气动力学的基础理论为依据,建立了风切变流场中风轮气动特性数学模型,通过Matlab软件编制风切变流场中理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算程序,用多项式拟合的方法归纳出理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角变化规律方程;进行节距角优化选取后,建立了实际叶片旋转一周变桨方程;为了验证风切变对风能转换装置输出特性的影响,分别对叶片旋转到任意相位角时不变桨风轮输出功率和叶片按照变桨方程进行变桨风轮输出功率进行了仿真模拟,通过仿真结果对比分析可知,在风切变流场中进行叶片旋转一周变桨距调节,可使得风轮输出的平均功率约为1492kW,比叶片旋转到任意相位角时不变桨风轮输出的平均功率高出约18kW,风轮的效率提高1%以上,且使叶片旋转到某些相位角时风轮输出功率波动减弱,减小了风切变对风能转换装置的影响。为今后对大型风力发电机组变桨距优化进一步研究提供参考。 【关键词】：风切变 节距角 变桨 输出功率
【学位授予单位】：内蒙古工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TK83
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 引言9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 国外的研究现状10-11
• 1.2.2 国内的研究现状11-12
• 1.3 课题研究的意义12-13
• 1.4 课题的研究对象13
• 1.5 课题研究主要内容13-14
• 1.5 关键技术14
• 1.6 本章小结14-15
• 第二章 风切变流场中风速梯度分析15-22
• 2.1 大气边界层的结构及主要特征15-16
• 2.2 风速变化规律16-19
• 2.2.1 对数律分布16-17
• 2.2.2 指数律分布17-19
• 2.3 风电场中实测风速梯度分析19-20
• 2.4 风切变流场中风轮叶片运行工况分析20-21
• 2.5 本章小结21-22
• 第三章 风切变流场中风轮气动特性数学模型22-29
• 3.1 风切变流场中风轮叶片受力分析22-25
• 3.2 风切变流场中风轮的动量理论数学模型25-26
• 3.3 风切变流场中的叶素—动量理论数学模型26-27
• 3.4 风切变流场中叶稍与轮毂损失分析27
• 3.5 本章小结27-29
• 第四章 风切变流场中变桨优化研究29-46
• 4.1 0°相位角时叶片外形设计29-34
• 4.1.1 风轮的基本技术参数的选定29-30
• 4.1.2 0°相位角时叶片外形设计方法的选定30
• 4.1.3 0°相位角时叶片外形设计数学模型的建立30-31
• 4.1.4 0°相位角时叶片外形设计的计算步骤31-32
• 4.1.5 叶片外形设计的计算程序编制32-34
• 4.1.5.1 0°相位角时叶片外形设计计算机程序流程32
• 4.1.5.2 0°相位角时叶片外形设计结果32-34
• 4.2 理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算34-41
• 4.2.1 理想叶片旋转到任意位置各截面节距角数学模型34-35
• 4.2.2 理想叶片旋转到任意相位角时各截面的扭角计算步骤35
• 4.2.3 理想叶片旋转到任意相位角时各截面的节距角计算程序编制35-37
• 4.2.4 理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角拟合方程的建立.37-41
• 4.3 叶片旋转一周最佳节距角选取41-45
• 4.3.1 优化选取最佳节距角方法研究42
• 4.3.2 叶片旋转一周最佳节距角选取计算机程序的编制42-43
• 4.3.3 优化选取的叶片旋转一周最佳节距角拟合方程43-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第五章 风切变流场中风轮输出功率仿真46-53
• 5.1 风切变流场中风轮输出功率仿真模拟46-47
• 5.1.1 风切变流场中风轮输出功率仿真计算方法分析46
• 5.1.2 风切变流场中风轮输出功率仿真计算数学模型46-47
• 5.1.3 风切变流场中风轮输出功率仿真模拟计算机程序编制47
• 5.2 风切变流场中风轮输出功率仿真结果分析47-52
• 5.2.1 叶片旋转一周不变桨风轮输出功率仿真结果分析47-50
• 5.2.2 叶片旋转一周变桨风轮输出功率仿真结果分析50-52
• 5.3 本章小结52-53
• 第六章 结论与展望53-55
• 6.1 结论53
• 6.2 展望53-55
• 参考文献55-57
• 致谢57-58
• 在读期间取得的科研成果58

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