风能转换原理与应用课程设计报告

风能转换原理与应用课程设计报告姓名：学号：一、简介风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。风力机的主要部件是风能接收装置。一般说来，凡在气流中产生不对称力的物理构形都能成为风能接收装置，它以旋转、平移或摆动运动而发出机械功。各类风能接收装置的取舍取决于使用寿命和成本的综合效益。风力机大都按风能接收装置的结构形式和空间布置来分类，一般分为水平轴结构和垂直轴结构两类。以风轮作为风能接收装置的常规风力机，按风轮转轴相对于气流方向的布置分为水平轴风轮式（转轴平行于气流方向）、侧风水平轴风轮式（转轴平行于地面、垂直于气流方向）和垂直轴风轮式（转轴同时垂直于地面和气流方向）。翼型几何参数风轮半径r处取一宽度为dr的叶素，翼型的气动性能直接与翼型外形有关。通常，翼型外形由下列几何参数确定:(l)翼的前缘:翼的前头为一圆头;(2)翼的后缘:翼的尾部为尖型;(3)翼弦:翼的前缘左与后缘的连线称翼的弦;(4)翼的上表面:翼弦上面的弧面;(5)翼的下表面:翼弦下面的弧面;(6)翼的最大厚度h:翼上表面与下表面相对应的最大距离;(7)叶片安装角e:风轮旋转平面与翼弦所成的角;(8)迎角(攻角)a:翼弦与相对风速所成的角度;(9)入流角功:旋转平面与相对风速所成的角。风力机的特性系数1、风能利用系数Cp风力机从自然风能中吸取能量的大小程度用风能利用系数Cp表示，Cp=P/(1/2*ρ*S*v^3)P—风力机实际获得的轴功率，单位为W；S一风轮的扫风面积，单位为m^2；v一上游风速，单位为m／s，ρ一空气密度，单位为kg／m^3。2、叶尖速比λ为了表示风轮在不同风速中的状态，用叶片的叶尖圆周速度与风速之比来衡量，称为叶尖速比λ。λ=120πR*n/v式中n—风轮的转速，单位为r／min；w一风轮角频率，单位为rad／s，R一风轮半径，单位为m；v一上游风速，单位为m／s。二、风力机叶片的设计风力机叶片是风力机中最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证风力发电机组正常稳定运行的决定因素。因此，风轮叶片的设计在风力发电机组设计中占有不可估量的地位。风力机叶片设计分为气动外形设计和结构设计，气动外形设计的任务是选择合适的翼型并计算叶片的弦长、安装角以及厚度分布等来确定较好的叶片外表面，从而达到以下目的：对于特定的风速分布，可以获得最大风能；对于失速风力机能够起到限制最大功率输出的作用。目前气动外形设计根据不同的理论及其修正理论有许多设计计算方法，用不同的方法对风力机叶片进行了设计和分析.1叶片设计的总体参数叶片外形设计的主要参数有：风轮直径D，叶片数目z，叶片剖面翼型，各翼型的弦长和安装角。本文对某中型风力机叶片进行外形设计，其给定的参数为：风力机的输出功率P=7000W，设计风速=7m／s，风轮转速72rpm，风力机功率系数Cp＝0.43，空气密度为1.225kg/m32确定风轮直径D采用下式计算风轮直径：D=Sqr(8*Pu/(π*ρ*Cp*V^3))式中，ρ—空气密度，取1.225kg／m^3；Pu—风力机功率，取7000W；Cp—风力机功率系数取0.43；V—来流速度，取7m/s。3翼型弦长计算各翼型断面弦长计算式为：t=(2*π*r/z)(8/(9*Cl))(V1/(λVr))4叶片重要参数的选取1．尖速比λ风轮的尖速比厶等于风轮的叶尖线速度和设计风速之比。λ0=wＲ/Vn尖速比与风轮效率密切相关，在风力机没有超速的条件下，运转于高尖速比状态下的风力机具有较高的风轮效率。通常，高速风力机尖速比一般在6—8，风力机具有较高的风能利用系数．2．叶片数z风轮的叶片数取决于叶片的尖速比λ，目前用于风力发电的风力机一般属于高速风力机，即λ5。虽然三叶片的风力机存在制造成本高等缺点，但三叶片的风力机运行和输出功率较为平稳。因而，目前风力发电机采用三叶片的较多。3.各截面处的扭角各截面处的扭角：θ=φ-α其中为各截面处的入流角，为翼型临界攻角，且由表查得最大升力系数对应的攻角α=5°，即为翼型临界攻角根据相关关系式就可以通过迭代方法求得轴向诱导因子a和周向诱导因子b，迭代步骤如下：假设a和b的初值，一般可取0；Φ=arctan（(1-a)V1/((1+b)*Ω*r)）（1）计算入流角；（2α=φ-θ；（3）根据翼型空气动力特性曲线得到叶素的升力系数Cl和阻力系数Cd；（4）计算叶素的法向力系数Cn和切向力系数CtCn=Cl*cosφ+Cd*sinφCt=Cl*sinφ-Cd*cosφ（5）计算a和b的新值σ=zc/(2πr)a/(1-a)=σ*Cn/(4F*sin^2φ)b/(1+b)=σ*Ct/(4F*sinφ*cosφ)（6）比较新计算的a和b值与上一次的a和b值，如果误差小于设定的误差值（一般可取0.001），则迭代终止；否则，再回到（1）继续迭代。其中，F为普朗特叶尖损失修正因子，且F=2/arccos(exp(-B/2*(r-R)/(sinθ*r)))三、VB编程计算翼型参数1、风力机设计参数三叶片风力机功率P＝7KW；风轮转速72rpm；风力机功率系数Cp＝0.43；来流风速7m/s；空气密度为1.225kg/m3.2、需要计算的参数（1）设计中取10处截面：叶片半径的10%处；叶片半径的20%处；叶片半径的30%处；叶片半径的40%处；叶片半径的50%处；叶片半径的60%处；叶片半径的70%处；叶片半径的80%处；叶片半径的90%处。（2）计算各截面处的叶尖速比（3）计算截面的弦长叶片半径10%截面处弦长；叶片半径20%截面处弦长；叶片半径30%截面处弦长；叶片半径40%截面处弦长；叶片半径50%截面处弦长；叶片半径60%截面处弦长；叶片半径70%截面处弦长；叶片半径80%截面处弦长；叶片半径90%截面处弦长；