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风力发电蓄电池设计论文
风力发电蓄电池
设计论文
专业：
能源与动力工程2012级
指导老师：
小组成员：
完成日期：
目录
摘要
1绪论
2风力发电机叶片设计基本概念及原理
3叶片气动外形设计及内容介绍
4叶片翼型的数值模拟仿真分析
5风能发电蓄电池装置的基本介绍
6结束语及展望
7致谢
8参考文献
摘要：
本文主要分析垂直轴风力发电机，并进行了叶片翼型的数值模拟仿真分析，对于翼型的空气动力性能做了初步的学习与研究。
利用风力发电产生的电能，经稳压器和整流器调整后存入蓄电池，可用于对于充电宝等小型电器的充电，可以让装置拥有实际的使用价值，尤其是在能源短缺的本世纪，各个国家加大力度发展新能源的背景下，本课题有一定的理论和现实意义。
关键字：
清洁可再生风能持续蓄电
1、绪论
在经济飞速发展的今天，石油天然气等矿藏资源日益枯竭，能耗需求却在日益增长，对环境产生了巨大的负担。
清洁、无污染、可再生的新能源已经成为世界能源开发的热点。
2、开展风力发电的现实意义及背景
1.与其他的新能源相比，风能在成本和技术上有比较大的优势所以风能是一种比较理想的新能源。
首先，风力发电厂相比于太阳能电站、核电站的建设成本要低得多，其次，风力发电厂除了日常的维护外，没有任何的能源消耗以及污染的产生，这一点非常的理想，还有就是国际社会在风力发电的方面的研究做得比较成熟，有了一套先进的体系。
在小型的风电体系中，发电机和变速箱能安装在地上，易于维护和维修不需要尾翼和偏航系统来驱动浆叶，塔架设计简单。
但是在这一方面的研究相对于水平轴风力发电体系较为落后，我们希望能进行垂直轴风力发电体系的研究。
3、开展课题研究的背景
现代社会环保成为潮流，人们都在尽可能节约资源保护环境。
就大连地区而言，经查阅，大连地区每年的平均风速为4.8m/s,具有很大的风能利用潜力。
我们希望在掌握基本风机理论的同时也能拓展开发风力机在垂直轴这一方面的研究。
2、风力发电叶片设计基本概念及原理
2.1风力发电机叶片的基本概念
从设计角度来看，风能发电机叶片外形的实质是从叶根到叶尖径向位置上不同翼型按照不同弦长和扭角（安装角）分布组成。
叶片的几何形状与风力发电机的空气动力特征密切相关，特别是叶片的剖面几何形状即翼型的气动性能关系到叶片气动特性的好坏，会直接影响到风力发电机的能量转换效率。
2.2风机设计的相关理论
2.1.1、贝茨理论
德国科学家Betz最早提出了一种描述理想状态下的气体流量模型，也称为贝茨模型，如下图所示，贝茨模型将风轮简化为一个圆盘，风轮所受的推力沿圆盘均匀分布，切圆盘上没有摩擦力，同时假设气流是不可压缩的水平均匀定常流，且风轮尾流不旋转，出于风轮前后远方的气流静压相等，以此来描述气流与风轮的作用关系。
设风轮前方远处的风速为V1，通过前轮时的实际速度为V，风轮后方远处的风速为V2，S1为气流再通过风轮前的横截面积，S2为气流通过后的横截面积。
气流通过风轮产生机械能，其自身动能必然减少，因此V2小于V1，同时气流通过风轮后其横截面积增加，即S2＞S1。
由于嘉定气流不可压缩，根据连续性条件有：
S1V1=SV=S2V2（2.1）
气流作用在风轮上的力可以由欧拉公式得出
F=ρSV（V1-V2）（2.2）式中ρ为空气密度。
由此得出风轮所吸收的功率
P=FV=ρSV2（V1-V2）（2.3）流经风轮前后的动能变化量为
ΔT=
ρS（V1-V2）（2.4）
令式（2.3）和（2.4）相等得
V=
（2.5）
由此作用在风轮上的力及输出功率可表示为
F=
ρS（V12-V22）（2.6）
P=
ρS（V12-V22）（V1+V2）（2.7）
由于风轮前方气流速度V1是给定的，因此功率P的变化可以看成是V2的函数，将式（2.7）微分可得
=
ρS（V12-2V1V2-3V22）（2.8）
令
=0解得V2=
V1，对应的功率为最大值。
代入式（2.7）得最大功率为
Pmax=
ρSV13（2.9）
定义风轮的风能利用系数Cp为风轮输出功率与气流通过风轮扫过面积时的动能的比值，则，
Cpmax=
=
≈0.593（2.10）
叶片扫掠面积S的风能的59．3％。
贝茨理论说明理想的风能对风轮叶片做功的最高效率是59.3％。
通常风轮机风轮叶片接受风能的效率达不到59．3％，一般根据叶片的数量、叶片的翼形、功率等情况取0.25-0.45。
2.2.2扩展的叶素一一动量理论
前面介绍的Betz理论是动量理论的简单模型，考虑到实际气流与风轮作用时会发生尾流旋转等效应，因此需要引入相关的诱导因子或干扰系数，同时结合叶素理论，可以进一步确定叶素几何参数，气流速度和气动载荷之间的关系，通过推导功率和风能利用系数的计算公式，为优化提供了理论依据。
叶素几何及受力关系如图
需要说明的是，图中的a,b是根据涡流理论引入的诱导因子或干扰系数，a称为轴向诱导因子，b称为周向诱导因子，它们的物理意义就是当气流通过风轮时其速度受风轮速度影响的程度。
定义轴向诱导因子a=
Va为风轮处产生的诱导速度。
有V=V1（1-a），V2=V1（1-2a）（2.11）
定义Vt为风轮叶片出的诱导速度，Vt=ωr，ω为风机叶片处周向诱导角速度，定义轴向诱导因子b=
，其中
为风轮转动角速度。
叶素几何及受力关系
从图中可以看出，通过风轮的轴向速度为V=V1（1-a），相对于来流风速V1，减少了aV1，这部分就是风轮产生的同理，气流相对于风轮的切向速度变为（1+b）Ωr，多出的bΩr就是切向或轴向诱导速度。
a，b两个参数是叶片气动外形设计的关键参数，用来计算叶素弦长和扭角。
2.2.2.1叶素理论
叶素理论模型是应用空气动力学原理，对叶片二维剖面翼型载荷分析的一种简化方法。
对风力机叶片进行叶素理论分析时，通常可将叶片沿其展向分成若干威段，这些微段即称叶素。
假设各叶素间的气流流动互不干扰，则可将叶素简化为二维翼型，通过对作用在各叶素上的载荷分析并沿叶片展向求和，就能够得到作用在风轮整个叶片和风轮上的推力和转矩。
由叶素理论可得：
dL=
ρW2CCldr（升力元）（2.12）
Dd=
ρW2CCddr（阻力元）（2.13）
W=
（2.14）
X方向和Y方向的受力元
dFx=dLsinФ+dDcosФ=
ρW2CdrCx（2.15）
dFy=dLsinФ-dDcosФ=
ρW2CdrCy（2.16）
式中
Cx=ClcosФ+CdsinФ（2.17）
Cy=ClsinФ-CdcosФ（2.18）
风轮半径r处环形域上的轴向推力可表示为
dT=BdFyr=
ρW2BCCxrdr（2.19）
转矩为
Dm=BdFyr=
ρW2BCCyrdr（2.20）
式中，B为叶片数，r为环形域所在半径。
2.2.2.2动量理论
定义m为单位时间流经风轮的空气质量流量，其表达式是
m=ρVS（2.21）
根据动量理论作用在风轮（r，r+dr）环形域上的推力和转矩分别为
dT=dm（V2-V1）=4πρrV12（1-a）adr（2.22）
根据速度三角形（考虑诱导因子的作用）
W=
（2.24）
考虑到叶形阻力的影响比较小，忽略叶形阻力
Cx≈ClcosФ（2.25）
Cy≈CdsinФ（2.26）
2.2.2.3叶素-动量理论
由式（2.19）（2.22）及（2.25）可得
=
（2.27）
同样由式（2.20）（2.21）及（2.22）得
=
（2.28）
由式（2.27）和（2.28）联立得
Tan2Ф=
（2.29）
根据速度三角形
TanФ=
=
（2.30）
式中称为r的速度比
可由式（2.29）（2.30）导出能量方程
b（1-b）λ2=a（1-a）（2.31）
功率dP=ΩdM=4ρπr3drΩ2b（1-a）V1（2.32）
相应的风能利用系数为
Cp=
=
（2.33）
式中，为叶尖速比。
2.2.3Wilson模型
威尔森（wilson）方法考虑了风轮后涡流流动，同时考虑到升阻比对轴向和周向诱导因子比较小，因此忽略了阻力的影响，但考虑到叶尖损失的影响，给出了诱导因子的关系。
考虑普朗特叶尖损失修正因子F，式（2.27）（2.28）演变为：
=
（2.34）
（2.35）
能量方程（2.31）演变为
b（1+b）λ2=a（1-aF）（2.36）
式中F=
arc
（2.37）
F=
（2.38）
式中f为中间变量，R为风轮半径。
另外，安装角β=Ф-α（2.39）
当计及梢部损失时，局部风能利用系数可由下式确定
Cp=
（2.40）
2.3叶片气动外形优化设计模型
风力发电机叶片气动外形优化设计，需要综合考虑叶片各剖面翼型的气动特性及风况等条件，并采用合适的优化方法，确定各截面的最佳弦长和扭角。
气动优化设计的实质是针对一定的设计目标及约束条件，对叶片的各个截面翼型的弦长和扭角进行优化，从多种设计方法中寻找最合适的优化设计方案，达到提高气动效率的目的。
本文前面介绍的Wilson法基础上对叶片进行了气动外形优化设计，优化设计模型如下：
（1）设计变量
设计变量X确定为每个截面的翼型的弦长和扭角,即
X={Xc1、Xc2、....Xcn、Xβ1、Xβ2、...Xβn、}T（2.41）
式中，Xc1（i=1、2、......n）为第i个截面的弦长；Xβ1（i=1、2、.....n）位第i个截面的扭角，由于Wilson理论数学模型中涉及的变量和参数较多，为了方便计算，提高计算精度和效率，本文将其中的中间变量转化为设计变量，取诱导因子a,b，中间变量f，叶尖损失系数F及流角作为计算变量，则X={Xa1、Xa2...XanXb1、Xb2...XbN、Xf1、Xf2...XfN、XF1、XF2...XFN、XФ1、XФ2...XФn}T（2.42）
（2）目标函数
计算中可以以各叶素具有最大功率系数设计目标，使叶片在设计点附近具有较大的功率系数，定义目标函数为：
maxf（X）=maxCp（2.43）
根据公式（2.40），要使整个叶片风能利用系数Cp最大，可以通过使每个叶素值达到最大而实现。
因此，目标函数转化为：
maxf（X）=max
（2.44）
（3）约束条件
根据Wilson模型，以及公式（2.36）~（2.39）为约束条件
（4）寻优方法选择
根据以上计算模型，本文选择非线性约束最优化算法进行多步迭代求结果
（5）优化结果分析
根据优化计算的结果，需要进行综合分析。
以确认是否符合设计要求，同时考虑制造工艺等的进行叶片弦长和扭角进行适当的修正，采用曲线拟合插值的方法，改善过大的弦长和扭角，并进行风轮功率，功率系数的计算和分析。
3.叶片气动外形设计及内容介绍
3.1叶片气动设计的基本内容
风轮叶片开发的首要任务是进行气动设计，设计内容主要包括气动外形的设计和气动性能分析计算等。
气动设计的主要任务是确定叶片的气动外形，应用前面介绍的空气动力学基础理论及相关设计方法，并结合叶片的构造和工艺要求，形成沿叶片展向的截面形状。
3.2风轮设计参数确定
3.2.1设计风速V1
实验条件选为正常的天气，设计风速约为5m/s。
3.2.2尖速比和叶片数目
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