气流绕流对某科技馆屋顶垂直轴风力机运行的影响

垂直轴风力机中升力型风机效率高但一般不能自启动,阻力型风机效率低但易启动。根据两种不同类型的垂直轴风力机各自的特点,采用超越离合器作为连接件,设计制作了一种由darrieus风力机和savonius风力机组成的组合式风机模型。在对有无加装s型风机进行了启动风速、输出功率的性能对比后发现,加装s型后的启动风速更低,而输出功率则差别不大。

为探明直线翼垂直轴风力机的叶片个数对其起动性的影响,设计制作了可更换叶片个数(1～5枚)的风力机模型,通过风洞实验获得了起动力矩与转角的关系曲线,并与用单叶片力矩模拟的结果进行了对比。接着又制作了1台3叶片小型风力机模型,进行了烟线法可视化实验,获得了不同转角下的风力机周围流场迹线图。两项实验结果表明:增加叶片个数可使风力机平均起动性提高,但叶片间相互影响也增加,不同角度下各叶片周围流场受影响程度不同,对叶片受力和风力机起动力矩的影响程度和趋势也不同。

为捕获建筑环境中蕴藏丰富的高品质风能,结合高耸建筑的高度优势与建筑扩散体强化风速效应,将垂直轴风力机放置于不同建筑扩散体之间,通过数值模拟的方法研究建筑增强型垂直轴风力机在具有不同实度与不同翼型时的气动特性.结果表明:建筑扩散体可大幅提升风力机获能效率,建筑增强型垂直轴风力机较原始垂直轴风力机最大风能利用系数提升4.47倍,其最佳尖速比位置向右偏移,但其载荷波动较剧烈,且对建筑外廓敏感,其中圆弧形截面建筑可有效减小建筑分离涡造成的影响.随着实度的增加,建筑增强型垂直轴风力机风能利用系数先增大后因叶片间干扰而减小,其载荷波动和自启动性在多叶片时得到明显改善.对于不同系列的翼型,fxlv152翼型有助于减小疲劳累积损伤,最大厚度较大的naca0021翼型有利于提高风力机的获能效率,s809非对称翼型则不适用于建筑增强型垂直轴风力机.数值结果为建筑增强型垂直轴风力机的工程应用提供部分参考依据.

针对垂直轴风力机自启动性能差和风能利用率低的问题,提出一种新型自动变桨距垂直轴风力机方案。结合垂直轴风力机叶片攻角变化及翼型气动力特性,制定了一种最优叶片桨距角变化模式。根据叶素理论,计算得到了采用该变桨距模式在低叶尖速比和高叶尖速比时的叶轮扭矩系数,结果表明,采用该变桨距模式可有效增大垂直轴风力机的启动力矩以及提高其风能利用系数,为进一步开发自动变桨距垂直轴风力机奠定了研究基础。

垂直轴风力发电机(简称垂直轴风力机)无需偏航装置,结构简单,维护方便,成本低,发展前景广阔。介绍了垂直轴风力机的种类,阐述了垂直轴风力机翼型的设计方法、气动性能、翼型分析和设计常用软件以及国内外翼型研究现状,总结了垂直轴风力机叶片翼型研究中存在的问题,并提出相应的对策,对垂直轴风力机的发展给出了一些建议。

利用数值计算方法研究了一种典型的大高径比垂直轴风力机叶片动态失速现象。在验证数值计算方法可靠的基础上，结合速度矢量图和涡量图，研究了8m／s风速时风力机在不同尖速比下叶片动态失速现象以及风轮尺寸改变时风轮动态失速流场及其对风力机功率系数的影响规律。研究表明，尖速比过低，增大弦径比和叶片数均导致叶片动态失速和气流分离呈现加剧趋势，削弱风力机的气动性能。对用于城市风力发电的大高径比垂直轴风力机，应使其在最佳尖速比下运行，同时控制弦径比在0．2—0．4之间，叶片数为3或4，以获得较好的气动性能。

针对基于叶素理论对同步变桨垂直轴风力机进行性能分析的问题,研究了叶素理论和双盘面多流管模型,阐述了这些模型所做的假设和所适用的领域.分析了双盘面多流管模型的流管宽度特征,指出了该特征即为其在运算中出现不收敛现象的原因,针对该特征进行了改进后,可以明显改善运算不收敛现象并且提高计算速度.对同步变桨垂直轴风力机进行了理论分析,验证了其近似最优特性,得出了其性能在尖速比0.6附近最优的结论.进行了风力发电实验,理论结果与实验数据的对比验证了改进方法的可行性.

介绍了基于动量叶素理论的多流管模型对达里厄型垂直轴风力机进行气动性能预测的理论计算方法,并进行了算例计算.计算结果与单流管模型的计算结果以及试验结果的对比分析表明了多流管模型在性能预测方面的优越性,其结果更加可信.同时,分析了叶轮实度、雷诺数以及风剪切效应对风力机性能的影响,并对该计算模型的适用范围进行了讨论分析.

介绍了基于动量叶素理论的多流管模型对达里厄型垂直轴风力机进行气动性能预测的理论计算方法,并进行了算例计算。计算结果与单流管模型的计算结果以及试验结果的对比分析表明了多流管模型在性能预测方面的优越性,其结果更加可信。同时,分析了叶轮实度、雷诺数以及风剪切效应对风力机性能的影响,并对该计算模型的适用范围进行了讨论分析。

气动模型以双向多流管理论为基础,考虑风场的风速概率密度分布函数,以风力机发电机组的年平均输出功率最大为设计目标,采用改进的粒子群优化算法进行全局寻优搜索.利用开发的matlab优化设计程序,在额定功率和额定风速一定时,针对特定风场优化设计h型垂直轴风力机风轮,得出风力机风轮的最佳匹配参数.与初步设计的风力机相比,优化后年平均输出功率增加了11.8%,且优化设计结果在气动性能方面有明显的优越性,说明该优化模型的实用性和有效性.

为研究垂直轴风力机叶片表面结冰的规律以及结冰对其性能的影响,对采用naca0018翼型的风力机叶片进行了风洞结冰试验研究。在风洞试验段内安装了喷水装置,室外的寒冷空气被吸入风洞后与过冷水滴一起吹向叶片并碰撞结冰。测试了不同水滴流量和叶片攻角下的叶表结冰分布及叶片的升阻力系数变化。在一定攻角范围内,叶表结冰量随翼型迎风面积增加而增加;结冰后的阻力系数增大,升力系数减小,叶片的气动特性降低。

以自主研发的h型垂直轴风力机的翼型为研究对象,分别采用urans、les和des三种不同的湍流模型,在fluent中进行2.5d的非定常计算,对比研究该翼型在发生深度失速时的升阻性能以及翼型周围流场的分布.研究结果表明:该翼型的静态失速攻角为30°,相比原模型的失速攻角23°有明显的提高;在翼型的攻角小于静态失速攻角时,三种湍流模型模拟计算的升力和阻力的性能相差不多,且和原模型的试验值比较接近;在翼型发生深度失速后,des湍流模型的模拟结果不仅具有一定的可靠性,而且能够捕捉到翼型周围存在的涡流状况.

直轴发电机与水平轴发电机相比,具有适应性较强、结构简单、风能利用率较高等诸多优点和广阔的市场应用前景。采用h型垂直轴风力机与水轮机分别连接双转子发电机的内转子与外转子,在风力和水流的作用下,风力机与水轮机带动双转子的内外转子逆向旋转发电,并基于solidworks和3dmax等软件,制作模型与仿真,设计了一种综合利用风能、洋流能的新型双转子发电机。该新型发电机可应用于风能与洋流能资源丰富的岛屿及海域,有很大的研究价值与应用前景。

系统地阐述了叶素-动量理论在直叶片垂直轴风力机单流管、多流管、双致动盘-多流管气动模型中的应用方法。并根据水平轴风力机叶素动量模型的推导思路,将风轮叶片的切向速度诱导因子引入垂直轴风力机的经典双致动盘-多流管气动模型中加以修正,建立了相应的气动计算模型并用程序仿真实现。与美国sandia国家实验室的数据进行了对比分析,其气动载荷计算结果与相应实验与模拟结果符合较好,验证了该修正模型的实用与可行性。

采用风力叶轮直接驱动盘式发电机的方式,针对一种垂直轴螺旋式风力叶轮进行旋转状态下的动态特性试验研究,分别在自然风条件下和拖车试验条件下(来流速度为1～12m/s),对试验装置的空载转速、空载电压进行测定,并对叶尖速比进行统计分析。研究结果表明:在自然风条件下,风速波动大,导致瞬态采集的风速与风轮转速不对应;在拖车试验条件下,来流速度相对稳定,且较易控制,风速与输出电压的对应关系较为明显。研究结果为相应的控制系统的设计与优化提供了参考。

以符合城市粗糙大气边界层的速度剖面为入口边界条件,采用realizablek-ε湍流模型对北方地区常见的、顺列布置的斜屋顶、金字塔屋顶、三角形屋顶及平屋顶建筑物群顶面上方的流动形式、风速及湍流强度分布特征进行了模拟计算,结果表明:平屋顶最利于屋顶风力机的安装,其次为金字塔屋顶,最差为斜屋顶和三角形屋顶;对于金字塔屋顶、斜屋顶和三角形屋顶这些非平顶建筑物,不合适安装低于屋顶最高位置的屋顶风力机,且可优先考虑将屋顶风力机安装于屋檐;为了避开强湍流区域,以上四种屋顶形状顶面屋顶风力机的安装高度不得低于1.1h;在建筑物群内,当安装高度高于1.2h后,屋顶风力机安装于第一排建筑物顶面任何位置时都可避开屋顶的强湍流区域,而此排建筑物顶面风速达到来流风速的高度随着屋顶形状的不同而不同;当安装高度高于1.5h后,可忽略屋顶形状的不同,将屋顶风力机安装于群内所有建筑物顶面任何位置。

采用移动网格技术,选用sst(剪切力传输)k-ω湍流模型,建立了1kw功率的h型垂直轴风力机风轮外流场cfd模型,研究了不同叶片翼型、不同弦长和翼尾加装gurney襟翼对风力机风能利用系数的影响。结果表明,300mm弦长的naca0018翼型较为适合h型垂直轴风力机;在尖速比为2.5—3.5时,h型垂直轴风力机的工作效率较高;尖速比为2.8时,高度为1%弦长的gurney襟翼翼型能够提高风能利用系数3%。

垂直轴风力发电机气动性能研究

垂直轴风力发电机研究报告 1.垂直轴与水平轴对比 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点： ①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360 度的活动联接机构，这就造成机组重心高，不稳定，而且安装维护不便。垂直轴 风力发电机组的发电机，齿轮箱放置在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降 低了成本。 ②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。 垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命要 长于水平轴风轮；垂直轴风力发电机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机， 可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上，因而便于维护。 ③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变 化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平 轴风力发电机不可比的优点，且理论风

风切变是风的典型特征之一.在风场建设和风力机设计与安装时,风切变的因素往往被忽略,从而造成风力机的功率损失.为此,基于对数律分布的风切变模型,以真实的风场情况为例,模拟风切变状态和额定功率为1.5mw的风力机,就风切变对风力机功率的影响进行了详细的研究.结果表明,风切变引起的风力机总功率损失由风场风含功率损失和风力机设计功率损失两部分构成.提出了对应于由风切变所引起的影响的解决方案,可为风场的建设和风力机的设计与安装提供参考.

能源与环境问题已成为可持续发展面临的主要问题,太阳能和风能作为重要的可再生能源,取之不尽、用之不竭,且利用其发电不会产生有害气体,清洁干净。本文介绍了一种独立风光互补照明装置,它由太阳能和风能互补供电。装备由h型垂直轴风力发电机,太阳能电池板,铅酸蓄电池、风光互补控制器和照明设备构成。该装置运行平稳、效果良好。

为了研究流场的空间分布特点,建立了垂直轴潮流水轮机在水槽中的物理模型,采用fluent软件中的滑移网格技术对模型的流场进行了三维数值模拟,分析了不同时刻不同截面上模型速度场的变化规律以及同一时刻不同直线上模型速度场和压力场的分布特点。结果表明,叶轮在水槽中旋转,所处位置不同,流场的分布有所差异,流动充分后,流场的变化具有周期性;叶轮内部速度场的变化最为紊乱,叶片周围的速度发生急剧变化;叶轮在旋转过程中产生漩涡,叶片迎流面的压力急剧上升,背流面的负压最为强烈。