畢業(yè)設(shè)計（論文）風(fēng)力發(fā)電蓄電池設(shè)計論文

1、 風(fēng) 力 發(fā) 電 蓄 電 池設(shè) 計 論 文 專業(yè)：能源與動力工程2012級 指導(dǎo)老師： 小組成員： 完成日期：目錄摘要1 緒論2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計基本概念及原理3 葉片氣動外形設(shè)計及內(nèi)容介紹4 葉片翼型的數(shù)值模擬仿真分析5 風(fēng)能發(fā)電蓄電池裝置的基本介紹6 結(jié)束語及展望7 致謝8 參考文獻(xiàn)摘要：本文主要分析垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并進(jìn)行了葉片翼型的數(shù)值模擬仿真分析，對于翼型的空氣動力性能做了初步的學(xué)習(xí)與研究。利用風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電能，經(jīng)穩(wěn)壓器和整流器調(diào)整后存入蓄電池，可用于對于充電寶等小型電器的充電，可以讓裝置擁有實際的使用價值，尤其是在能源短缺的本世紀(jì)，各個國家加大力度發(fā)展新能源的背景下，本課題有一

2、定的理論和現(xiàn)實意義。關(guān)鍵字：清潔 可再生 風(fēng)能 持續(xù) 蓄電 1、 緒論 在經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，石油天然氣等礦藏資源日益枯竭，能耗需求卻在日益增長，對環(huán)境產(chǎn)生了巨大的負(fù)擔(dān) 。清潔、無污染、可再生的新能源已經(jīng)成為世界能源開發(fā)的熱點 。 2、 開展風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)實意義及背景. 與其他的新能源相比，風(fēng)能在成本和技術(shù)上有比較大的優(yōu)勢所以風(fēng)能是一種比較理想的新能源。首先，風(fēng)力發(fā)電廠相比于太陽能電站、核電站的建設(shè)成本要低得多，其次，風(fēng)力發(fā)電廠除了日常的維護(hù)外，沒有任何的能源消耗以及污染的產(chǎn)生，這一點非常的理想，還有就是國際社會在風(fēng)力發(fā)電的方面的研究做得比較成熟，有了一套先進(jìn)的體系。在小型的風(fēng)電體系中，發(fā)電機(jī)和

3、變速箱能安裝在地上，易于維護(hù)和維修不需要尾翼和偏航系統(tǒng)來驅(qū)動漿葉，塔架設(shè)計簡單。但是在這一方面的研究相對于水平軸風(fēng)力發(fā)電體系較為落后，我們希望能進(jìn)行垂直軸風(fēng)力發(fā)電體系的研究。 3、 開展課題研究的背景 現(xiàn)代社會環(huán)保成為潮流，人們都在盡可能節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境。就大連地區(qū)而言，經(jīng)查閱，大連地區(qū)每年的平均風(fēng)速為4.8m/s,具有很大的風(fēng)能利用潛力。我們希望在掌握基本風(fēng)機(jī)理論的同時也能拓展開發(fā)風(fēng)力機(jī)在垂直軸這一方面的研究。 2、 風(fēng)力發(fā)電葉片設(shè)計基本概念及原理2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的基本概念 從設(shè)計角度來看，風(fēng)能發(fā)電機(jī)葉片外形的實質(zhì)是從葉根到葉尖徑向位置上不同翼型按照不同弦長和扭角（安裝角）分布組成。葉

4、片的幾何形狀與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣動力特征密切相關(guān)，特別是葉片的剖面幾何形狀即翼型的氣動性能關(guān)系到葉片氣動特性的好壞，會直接影響到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。2.2 風(fēng)機(jī)設(shè)計的相關(guān)理論2.1.1、 貝茨理論 德國科學(xué)家betz最早提出了一種描述理想狀態(tài)下的氣體流量模型，也稱為貝茨模型，如下圖所示，貝茨模型將風(fēng)輪簡化為一個圓盤，風(fēng)輪所受的推力沿圓盤均勻分布，切圓盤上沒有摩擦力，同時假設(shè)氣流是不可壓縮的水平均勻定常流，且風(fēng)輪尾流不旋轉(zhuǎn)，出于風(fēng)輪前后遠(yuǎn)方的氣流靜壓相等，以此來描述氣流與風(fēng)輪的作用關(guān)系。 設(shè)風(fēng)輪前方遠(yuǎn)處的風(fēng)速為v1，通過前輪時的實際速度為v，風(fēng)輪后方遠(yuǎn)處的風(fēng)速為v2，s1為氣流再通過風(fēng)輪前的

5、橫截面積，s2為氣流通過后的橫截面積。氣流通過風(fēng)輪產(chǎn)生機(jī)械能，其自身動能必然減少，因此v2小于v1，同時氣流通過風(fēng)輪后其橫截面積增加，即s2s1。由于嘉定氣流不可壓縮，根據(jù)連續(xù)性條件有： s1v1=sv=s2v2 （2.1） 氣流作用在風(fēng)輪上的力可以由歐拉公式得出 f=sv(v1-v2) （2.2） 式中為空氣密度。 由此得出風(fēng)輪所吸收的功率 p=fv=sv2(v1-v2) （2.3） 流經(jīng)風(fēng)輪前后的動能變化量為 t=s(v1-v2) （2.4） 令式（2.3）和（2.4）相等得 v= （2.5） 由此作用在風(fēng)輪上的力及輸出功率可表示為 f=s(v12-v22) （2.6） p=s(v12-v

6、22)(v1+v2) （2.7） 由于風(fēng)輪前方氣流速度v1是給定的，因此功率p的變化可以看成是v2的函數(shù)，將式（2.7）微分可得 =s（v12-2v1v2-3v22) （2.8） 令=0解得v2=v1，對應(yīng)的功率為最大值。 代入式（2.7）得最大功率為 pmax=sv13 （2.9） 定義風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)cp為風(fēng)輪輸出功率與氣流通過風(fēng)輪掃過面積時的動能的比值，則， cpmax=0.593 （2.10） 葉片掃掠面積s的風(fēng)能的593。貝茨理論說明理想的風(fēng)能對風(fēng)輪葉片做功的最高效率是59.3。通常風(fēng)輪機(jī)風(fēng)輪葉片接受風(fēng)能的效率達(dá)不到593，一般根據(jù)葉片的數(shù)量、葉片的翼形、功率等情況取0.25-0.

7、45。2.2.2 擴(kuò)展的葉素一一動量理論前面介紹的betz理論是動量理論的簡單模型，考慮到實際氣流與風(fēng)輪作用時會發(fā)生尾流旋轉(zhuǎn)等效應(yīng)，因此需要引入相關(guān)的誘導(dǎo)因子或干擾系數(shù)，同時結(jié)合葉素理論，可以進(jìn)一步確定葉素幾何參數(shù)，氣流速度和氣動載荷之間的關(guān)系，通過推導(dǎo)功率和風(fēng)能利用系數(shù)的計算公式，為優(yōu)化提供了理論依據(jù)。葉素幾何及受力關(guān)系如圖 需要說明的是，圖中的 a, b是根據(jù)渦流理論引入的誘導(dǎo)因子或干擾系數(shù)，a稱為軸向誘導(dǎo)因子，b稱為周向誘導(dǎo)因子，它們的物理意義就是當(dāng)氣流通過風(fēng)輪時其速度受風(fēng)輪速度影響的程度。 定義軸向誘導(dǎo)因子a=,va為風(fēng)輪處產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度。有 v=v1(1-a)， v2=v1(1-2a

8、) （2.11） 定義vt為風(fēng)輪葉片出的誘導(dǎo)速度，vt=r，為風(fēng)機(jī)葉片處周向誘導(dǎo)角速度，定義軸向誘導(dǎo)因子b=，其中為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動角速度。葉素幾何及受力關(guān)系 從圖中可以看出，通過風(fēng)輪的軸向速度為v=v1(1-a)，相對于來流風(fēng)速v1，減少了av1，這部分就是風(fēng)輪產(chǎn)生的同理，氣流相對于風(fēng)輪的切向速度變?yōu)椋?+b)r，多出的br就是切向或軸向誘導(dǎo)速度。a，b兩個參數(shù)是葉片氣動外形設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，用來計算葉素弦長和扭角。2.2.2.1 葉素理論葉素理論模型是應(yīng)用空氣動力學(xué)原理，對葉片二維剖面翼型載荷分析的一種簡化方法。對風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行葉素理論分析時，通?？蓪⑷~片沿其展向分成若干威段，這些微段即稱葉素。假設(shè)

9、各葉素間的氣流流動互不干擾，則可將葉素簡化為二維翼型，通過對作用在各葉素上的載荷分析并沿葉片展向求和，就能夠得到作用在風(fēng)輪整個葉片和風(fēng)輪上的推力和轉(zhuǎn)矩。由葉素理論可得： dl=w2ccldr(升力元） （2.12） dd=w2ccddr（阻力元） （2.13） w= （2.14） x方向和y方向的受力元 dfx=dlsin+ddcos=w2cdrcx （2.15） dfy=dlsin-ddcos=w2cdrcy （2.16） 式中 cx=clcos+cdsin （2.17） cy=clsin-cdcos （2.18） 風(fēng)輪半徑r處環(huán)形域上的軸向推力可表示為 dt=bdfyr=w2bccxrdr

10、 （2.19） 轉(zhuǎn)矩為 dm=bdfyr=w2bccyrdr （2.20） 式中，b為葉片數(shù)，r為環(huán)形域所在半徑。2.2.2.2 動量理論 定義m為單位時間流經(jīng)風(fēng)輪的空氣質(zhì)量流量，其表達(dá)式是 m=vs （2.21） 根據(jù)動量理論作用在風(fēng)輪（r，r+dr）環(huán)形域上的推力和轉(zhuǎn)矩分別為 dt=dm(v2-v1)=4rv12(1-a)adr （2.22） 根據(jù)速度三角形（考慮誘導(dǎo)因子的作用） w= （2.24） 考慮到葉形阻力的影響比較小，忽略葉形阻力 cxclcos (2.25) cycdsin (2.26)2.2.2.3 葉素-動量理論 由式（2.19）（2.22）及（2.25）可得 = （2.2

11、7） 同樣由式（2.20）（2.21）及（2.22）得 = （2.28） 由式（2.27）和（2.28）聯(lián)立得 tan2= （2.29） 根據(jù)速度三角形 tan= （2.30） 式中稱為r的速度比 可由式（2.29）（2.30）導(dǎo)出能量方程 b(1-b)2=a(1-a) (2.31) 功率 dp=dm=4r3dr2b(1-a)v1 (2.32) 相應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)為 cp= (2.33) 式中，為葉尖速比。2.2.3 wilson模型 威爾森（wilson)方法考慮了風(fēng)輪后渦流流動，同時考慮到升阻比對軸向和周向誘導(dǎo)因子比較小，因此忽略了阻力的影響，但考慮到葉尖損失的影響，給出了誘導(dǎo)因子的關(guān)系。

12、 考慮普朗特葉尖損失修正因子f，式（2.27）（2.28）演變?yōu)椋?= （2.34） （2.35） 能量方程（2.31）演變?yōu)?b(1+b)2=a(1-af) (2.36) 式中 f=arc (2.37) f= (2.38) 式中f為中間變量，r為風(fēng)輪半徑。 另外，安裝角 =- （2.39） 當(dāng)計及梢部損失時，局部風(fēng)能利用系數(shù)可由下式確定 cp= (2.40)2.3 葉片氣動外形優(yōu)化設(shè)計模型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片氣動外形優(yōu)化設(shè)計，需要綜合考慮葉片各剖面翼型的氣動特性及風(fēng)況等條件，并采用合適的優(yōu)化方法，確定各截面的最佳弦長和扭角。氣動優(yōu)化設(shè)計的實質(zhì)是針對一定的設(shè)計目標(biāo)及約束條件，對葉片的各個截面翼型的弦

13、長和扭角進(jìn)行優(yōu)化，從多種設(shè)計方法中尋找最合適的優(yōu)化設(shè)計方案，達(dá)到提高氣動效率的目的。本文前面介紹的wilson法基礎(chǔ)上對葉片進(jìn)行了氣動外形優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計模型如下：（1） 設(shè)計變量 設(shè)計變量x確定為每個截面的翼型的弦長和扭角,即x=xc1、xc2、.xcn、x1、x2、.xn、t(2.41)式中，xc1（i=1、2、.n）為第i個截面的弦長；x1（i=1、2、.n）位第i個截面的扭角，由于wilson理論數(shù)學(xué)模型中涉及的變量和參數(shù)較多，為了方便計算，提高計算精度和效率，本文將其中的中間變量轉(zhuǎn)化為設(shè)計變量，取誘導(dǎo)因子a,b，中間變量f，葉尖損失系數(shù)f及流角作為計算變量，則x=xa1、xa2.x

14、an xb1、xb2.xbn、 xf1、xf2.xfn、 xf1、xf2.xfn、x1、x2.xnt（2.42）（2) 目標(biāo)函數(shù) 計算中可以以各葉素具有最大功率系數(shù)設(shè)計目標(biāo)，使葉片在設(shè)計點附近具有較大的功率系數(shù)，定義目標(biāo)函數(shù)為：max f(x)=max cp(2.43) 根據(jù)公式（2.40），要使整個葉片風(fēng)能利用系數(shù)cp最大，可以通過使每個葉素值達(dá)到最大而實現(xiàn)。因此，目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為：max f(x)=max (2.44)(3) 約束條件 根據(jù)wilson模型，以及公式（2.36）（2.39）為約束條件(4) 尋優(yōu)方法選擇 根據(jù)以上計算模型，本文選擇非線性約束最優(yōu)化算法進(jìn)行多步迭代求結(jié)果(5) 優(yōu)化結(jié)果分析 根據(jù)優(yōu)化計算的結(jié)果，需要進(jìn)行綜合分析。以確認(rèn)是否符合設(shè)計要求，同時考慮制造工藝等的進(jìn)行葉片弦長和扭角進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚捎们€擬合插值的方法，改善過大的弦長和扭角，