关键词：
马格纳斯效应
垂直轴风力机
圆柱叶片
绕流数值模拟
风力发电
摘要：
风能是一种可再生的清洁能源,其大规模应用技术已日趋成熟,而风力发电又是其中发展最快,最具开发潜力的新能源技术,是最符合中国能源发展国情的清洁发电方式之一。风力机是风力发电中把风能转变为电能的关键部件。目前工程上实际使用的风力机大都是依靠其叶片上产生升力的方式,捕获大气流动的动能并将其转变成机械能,进一步通过发电机转变成电能。根据风力机转动轴的方向,可将风力机分为水平轴风力机和垂直轴风力机两大类。与技术相对成熟并已广泛应用的水平轴风力机相比,大型垂直轴风力机的研发相对滞后,商业化程度较低,市场占有率较小。由于垂直轴风力机工作时的流场结构相比水平轴风力机工作时更加复杂,不适合采用传统理论进行分析设计,使得采用传统理论设计出的水平轴风力机的理论和实际运行效率高于垂直轴。这也成为大型垂直轴风力机长期得不到发展的一个重要原因。但是,在国内得到大力推广的水平轴风力发电机并没有在发电成本方面表现出突出的优点,发电企业还需依靠政策性补贴才可以存活。为了提高工作效率和降低发电成本,水平轴风力发电机组向大型化和功能进一步完善的方向发展,同时也逐渐提高了其建造、安装和维修费用,使得水平轴风力发电的成本居高不下。可以说目前水平轴风力发电的相对高效率是以其高成本为代价的。相对水平轴风力机“高高在上”、“头重脚轻”、“摆头迎风”、“变桨平速”、“齿轮箱升速发电”等技术的特征,垂直轴风力机以其不需要调整风向,发电机、齿轮箱等设备可放置于地面的特点,避免了水平轴风力机结构上诸多固有缺陷,对其进行深入研究,有望显著提升其运行效率,降低风力发电机生产成本和运行成本,从而更经济地获得风力提供的能源。本文以一种基于马格纳斯效应的轮轨式垂直轴风力机为研究对象,在给出总体方案的基础上,对其技术特点进行了较详尽的分析和可行性研究。系统地对比分析了本方案与水平轴风力机和同类别垂直轴风力机的技术特点,认为该风力机是一种有望大幅降低发电成本,拥有很大发展潜能的风力发电方式。为此,本文对基于马格纳斯效应的轮轨式风力机关键技术进行了较系统的理论研究。论文分以下五章内容进行论述:第一章介绍了国内外风力发电的发展概况,对实现风力发电的基础装备——风力机进行了系统梳理,并对一种尚没有被广泛关注的基于马格纳斯效应的垂直轴风力机进行了系统研究。论文从不同分类角度对各类风力机进行了性能和工作特点的比较,认为基于马格纳斯效应的轮轨式垂直轴风力机有着独特的优点,并有很好的发展前景。论文从马格纳斯效应的原理开始,从垂直轴风力机的运动机理角度,介绍了圆柱绕流理论的研究现状、风力机气动性能预测方法以及马格纳斯风力机的研究概况。通过对轮轨式马格纳斯风力发电概念的三点再思考,分析研究了马格纳斯风力机的工程意义。认为对其进行进一步的理论研究、数值计算和实验分析具有重要的理论价值和工程指导意义。第二章使用圆柱薄壁圆筒叶片翼型代替传统垂直轴风力机流线翼型,提出了马格纳斯轮轨式风力机的概念,并给出了马格纳斯风力机的数学模型。从模型出发,基于圆柱绕流理论,对马格纳斯风力机运动特性和机理进行了系统分析,推导出了模型中有效驱动力和输出转矩与方位角的关系。分析论证了圆柱叶片马格纳斯效应变化趋势,以及最大化马格纳斯力的实现途径。在对马格纳斯效应垂直轴风力机圆柱叶片运行中自转换向点与其所处方位角以及马格纳斯力与其有效驱动转矩进行系统研究后,以风力机获得最大有效驱动转矩和圆柱叶片所需最低驱动能量(控制叶片转速和加速度)为目标,提出了实现马格纳斯效应风力机圆柱叶片的最优运转控制策略。第三章提出了马格纳斯风力机双致动盘多流管理论模型,模型主要用来计算并预测分析马格纳斯风力机的气动载荷与性能。认为马格纳斯风力机的气动载荷与性能取决于两次通过叶片扫掠面的流场结构。对转子的上风诱导速度与下风诱导速度存在的差异以及其与叶片尖速比的关系进行了分析,且该差别随着尖速比的增大而增大,该问题可以通过双致动盘多流管方法解决。通过双致动盘多流管模型,采用局部流动条件下的串联双致动盘原理,对应各自的雷诺数与局部攻角,分别获得了叶素在上风区域和下风区域中的气动特性。诱导速度变化使得上风转子的气动载荷较大,下风转子的气动载荷较小。通过分别计算上风区域和下风区域的转子扭矩与功率,得出了转子的总扭矩与功率。同时获得特定相位的叶片气动载荷分布,提高对气动载荷与性能的预测精度。第四章基于第二章所提出的马格纳斯风力机数学模型,对单圆柱叶片进行了模拟仿真数值计算,从虚拟的角度验证了马格纳斯效应,计算出了单圆柱叶片的马格纳斯理论升力。对模拟结果进行数据分析,得出了当圆柱自转周向速度达到来流风速四倍时候,马格纳斯升力达到极限。这一结论不但验证了第二章的理论模型,也验证了几十年前普朗特对马格纳斯升力极限的理论分析预测和实验结果,模拟同理论和实验均相吻合。第五章针对整机二维模型
