小型直翼立轴风力机设计与变桨距控制研究

发布时间：2020-03-29 02:41

【摘要】：随着石油等不可再生能源供需矛盾的加剧,开发可再生新能源成为各国战略研究趋势,而风能因为其具有资源丰富、开发性价比高、无污染等优点从而成为最具开发价值的绿色新能源之一。相对于发展成熟的水平轴风力机,直翼立轴风力机具有结构简单重心低、无对风装置、易安装维护等优点受到关注,但是局限于启动性能差、风能利用率低等缺点无法得到广泛商业应用。针对直翼立轴风力机存在的问题本文设计了一种可变桨距直翼立轴风力机,通过变桨距规律的应用提升风力机启动性能和低风速下风能利用率。根据国内外研究现状,在分析直翼立轴风力机运行原理的基础上完成了一种可变桨距小型直翼立轴风力机机电一体设计方案,结构方案设计包括传动设计、变桨距机构设计等,控制系统方案设计包括变桨伺服系统、数据通信与采集等硬件软件设计。通过对直翼立轴风力机运动与受力分析,在理论上验证了变桨距对直翼立轴风力机性能有提高作用,并基于ANSYS Workbench完成了所设计风力机强度、刚度、模态等结构性能分析与校核。通过对变桨距原理分析与桨叶气动实验相结合的方式完成了变桨距规律设计验证与优化,基于MATLABSimulink工具对变桨距控制系统进行建模仿真,完成对控制系统参数模拟调节验证了变桨距规律应用可行性,并对变桨距存在误差进行了分析。完成变桨距直翼立轴风力机样机研制与实验平台搭建,基于DESPACE半物理仿真平台在风场下对其变桨距闭环伺服控制系统进行调节并通过实际相位补偿实验提高变桨跟随性能,通过对比实验验证了直翼立轴风力机的启动性能并测验其发电性能,完成了变桨距误差对其性能影响实验。
【图文】：

垂直轴风力机,叶片构造,风力机,升力

根据立轴风力机风轮旋转利用的升阻力分类可分为升力型和阻力型垂直轴风力机。逡逑阻力型风力机顾名思义就是利用风场阻力产生风力机旋转力矩，其中代表是芬兰逡逑的Ｓａｖｏｎｉｕｓ的工程师设计的Ｓ型风机，，如图１．１所示，这种风力机具有可以自启动的逡逑优点但是转速低，效率不高｜２１］。逡逑＾逦Ｗｍ逦＾逡逑Ｓａｖｏｎｉｕｓ邋Ｃ２邋ｊ逦奶逡逑（…：１邋Ｖ邋榦，逦＾逡逑＿ｌｈ邋＿逦％逡逑恟逦Ｉ逡逑图１．１邋Ｓ型垂直轴风力机逦图１．２邋Ｈ型垂直轴风力逡逑升力型风力机根据其叶片构造形状可以分为五种，Ｈ型、Ｏ型、Ａ型、Ｙ型和菱逡逑形，这类型风机尖速比大、转速高、效率高，但是缺点是无法自启动，应用最广泛的逡逑是Ｈ型和Ｏ型，如图１．２和图１．３所７Ｋ。逡逑随着垂直轴风力机研究的深入，针对垂直轴风力机性能不足的改进型研究也逐步逡逑３逡逑

示意图,垂直轴风力机,导流装置

第一种是组合桨叶构型，将升力型和阻力型风轮组合一起，典型构型有Ｓ型和型组合型，如图１．４。这种类型的风力机可以提升风力机启动性能，但在转速工作状下，由于组合造成风场扰动因此效率提升不显著。第二种是增加流场导流装置。如１．５所示，Ｆａｚｌｉｚａｎ等人制作了一种全方位导流装置，这种导流装置可以显著改善风机气动性能［２２］，Ｍａｅｄａ等人的研究显示采用导流装置的风能利用率能有所提高，这导流装置同样用在立轴水轮机上［２３］，如图１．６所示是导流罩示意图。这种方式主要对单个风机，对大型风场应用有实际困难。＿＿＿＿＿＿逡逑１ｙ逦ｖ逡逑
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK83

【参考文献】