低风速启动垂直轴风力机的性能研究

从八十年代中期以来,作为一种清洁的可再生能源,风能受到世界各国越来越多的重视。经过二十多年的发展,现在风力发电已经具备了能与燃煤、核电等发电技术相竞争的能力。 虽然目前水平轴螺旋桨风力发电机应用最广,但是由于垂直轴风力发电机具有低风速启动、安装维修方便以及抗风能力强等特点,人们又重新对它重视起来。 本论文通过比较国内外先进的垂直轴风力机的商用机型,发现所有这些机型的原型是S型风力机或涡轮型风力机。在比较了这两种基本风力机的历史与当前研究现状后,选定更适宜低风速启动的涡轮型风力机作为研究对象。本论文参考国内上海大学的研究者对S型风力机的改进措施和国外垂直轴风力机的商用机型的构造,对涡轮风力机加装了导流挡风板以提高其性能。 对垂直轴风力机的性能分析,本文主要从数值模拟和实验两方面研究了涡轮风力机及其导流挡风板的利用风能效果。应用计算流体力学软件FLUENT,选用二维非定常隐式解法求解,采用Spalart-Allmaras湍流控制方程,对控制方程用二阶迎风格式离散,压力速度场的计算采用SIMPLE算法,对涡轮风力机及其加装导流挡风板后的风力机的流场进行数值模拟,分析二者的流场特征,解释了导流挡风板能大幅提高风力机风能利用率的原因。 影响涡轮风力机和导流挡风板结构的设计参数有叶片形状、转子的叶片个数、转子的直径、导流挡风板的个数、导流挡风版的安装角等,不同的参数组合得到不同型式的风力机构造,为了使性能达到最优需要进行正交优化。经过优化的带导流挡风板的涡轮风力机的风能利用率又有了明显提高。 为了对风力机设计参数的优化结果进行验证,建造了直流式低速实验风洞进行风洞实验。在风洞试验中,制作了具有代表性的设计参数的涡轮风力机模型以及导流挡风板的模型,借助风速表、转速表、变频器等仪器,研究不同型式的风力机转子的性能,以及增加导流挡风板对风力机性能的影响。从实验结果的分析可以看出,设计参数优化得到的涡轮风力机性能优于其他风力机,而加装了导流挡风板之后,涡轮风力机的启动风速降低了,转速提高了,输出扭矩增大了,总体性能得到了明显的改善,同时也验证了数值模拟结果的正确性。