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H型垂直轴风力机变桨规律研究

朱鸿曦  
【摘要】:近年以来,能源环境问题突出,风能作为新能源发展战略中的重要一环,被人们广泛关注。目前,风力发电机主要分为水平轴和垂直轴两大类,相比水平轴风机,垂直轴风机凭借无偏航、噪音小、安装维护方便以及翼型制造容易等优势成为人们关注的焦点。在垂直轴风机类型中,H型垂直轴风机(以下简称“H型风机”)应用最广泛,但是由于实际风能利用系数较低、自启动性能较差等问题一直制约着它的发展。本文以提升H型风机的风能利用系数为目标,研究通过变桨来改善H型风机风能利用效率以及启动性能。首先,对H型风机的基本理论进行分析,并对现有垂直轴风机数学模型进行研究,对比了不同模型之间的优缺,基于NACA0012翼型得出H型风机不同运行时刻攻角变化及桨距角变化,基于变桨原理,得到风机的理想变桨曲线。其次,采用双盘面多流管理论建立了H型风机数学模型,得到更为准确的多流管模型变桨曲线,根据实际H型风机的运行情况,对模型进行优化,并提出一种最小正弦变桨曲线修正法,对模型优化后的变桨曲线进行修正,总结得出变桨规律,通过进行前后的分析对比,表明该变桨规律对H型风机性能有明显的提升作用。然后,为了进一步研究切合实际的变桨规律,建立了H型风机叶片二维模型,运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)仿真叶片受风情况,得到叶片不同状态时刻气动云图,通过分析气动云图,得出叶片之间由于尾流的存在会产生干扰现象,针对叶片尾流进行初步的数学建模,揭示了叶片尾流效应对变桨规律的影响,由此得到变桨规律在考虑尾流效应时的修正方法。最后,与本文所研究的变桨规律相结合,设计了一种H型风机无线变桨控制系统结构,并搭建了实验样机进行实验,验证了该变桨控制系统对H型风机性能提升的有效性。


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