论文总字数：18281字

摘 要

能源危机是全球面临的重大问题，积极开发和发展新能源是解决问题的关键之一，风能是发展速度最快的新能源之一，具有广阔的发展前景。水平轴风力机是应用最广泛的风力机，约占风机总装机量的百分之八十五以上，而近些年来，垂直轴风力机正在凭借自己无需对风、安装维护方便的特点，正逐渐被人们重视。根据气动性可将垂直轴风力机分为阻力型和升力型，升力型效率高但自启性能差；相反，阻力型虽然效率低但自启性能好，可在低风速时自启动。本课题设计了一种升力型H型风机和阻力型S型风机混合式的风力机，兼具效率高和自启性能好的特点，基于叶素—动量理论初步设计出风机尺寸参数，在应用MATLAB软件分析风机气动性能，得到弦长、桨距角等参数对风机性能的影响，再基于MATLAB优化工具对风机模型进行优化，从多种参数的组合中，得到了使风能利用率和功率较为突出的组合。

关键词： 垂直轴风力机 气动性能 混合型 参数优化

Design of 50KW H Hybrid Wind Turbine

Abstract

Energy crisis is a major problem facing the world, active development and development of new energy is one of the key to solve the problem, wind energy is one of the fastest-growing new energy sources, with broad prospects for development. Horizontal shaft wind turbine is the most widely used wind turbine, which accounts for more than 85% of the total installed capacity of the fan. The vertical axis wind turbine can be divided into drag type and lift type according to aerodynamic performance. The lift type has high efficiency but poor self-start performance. Start. This paper designs a hybrid wind turbine of lift-type H fan and drag-type S fan, which has the characteristics of high efficiency and good self-starting performance. Based on the theory of leaf element-momentum, the size parameters of fan are designed. MATLAB software is used to analyze the aerodynamic performance of fan.

Key Words:Vertical axis wind turbine；Pneumatic performance；Hybrid ；Parameter optimization

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1研究背景 1

1.2垂直轴风机分类 1

1.2.1升力型垂直轴发电机 2

1.2.2阻力型垂直轴发电机 2

1.3垂直轴风力发电机的研究现状 3

1.3本课题主要研究内容 5

第二章垂直轴风力机气动设计理论 6

2.1垂直轴风力机气动性能基本理论 6

2.1.1叶素理论 6

2.1.2叶素—动量理论 7

2.1.3流管模型 8

2.2本章小结 10

第三章风力机风轮设计 11

3.1 S型叶轮的设计 11

3.1.1 S型叶轮叶片数 11

3.1.2 S型风轮的偏心系数 11

3.1.3 S型风轮高径比 12

3.1.4 S型风轮封盖直径 12

3.2 H型风机叶轮的设计 13

3.2.1 翼型的选择 13

3.2.2 叶片数的选择 16

3.2.3 叶片弦长与厚度 16

3.2.4 H型风机的高径比 16

3.2.5叶片的安装方式 16

3.2.6叶片安装角度 17

3.3混合式风机尺寸确定 17

3.3.1给定工况 17

3.3.2 H风轮尺寸确定 17

3.3.3 S型风轮的设计 19

3.4混合式风机的安装 20

3.5本章小结 20

第四章混合式垂直轴风力机H型风轮气动性能分析 21

4.1初步设计分析 21

4.2风轮参数对风机性能的影响 21

4.2.1 叶尖速比的影响 22

4.2.2风轮实度的影响 23

4.2.3桨距角对风机性能的影响 26

4.3本章小结 27

第五章H型风机优化 28

5.1确定设计变量 28

5.2约束条件 28

5.3优化结果 29

5.4本章小结 30

第六章 经济性分析 31

总 结 32

参考文献 32

致谢 35

第一章绪论

1.1研究背景

二战以来，世界人口的迅速增长和科学技术的飞速发展导致传统能源（煤炭、石油、天然气）的迅速消耗带来了包括环境污染、温室效应以及能源危机等问题。传统能源是不可再生能源，快速的消耗将导致能源危机。为避免这种情况，实现社会的可持续发展，降低环境污染，积极合理地开发新能源成为了重要的举措。

在新能源的开发中，风能、水能、生物质能、太阳能和潮汐能等清洁可再生能源的技术得到了快速发展，并且得到了不同程度的开发利用。风能，作为新能源技术的一种，由于其可持续循环利用、少污染以及丰富的储量得到了发展机会，同时，风能是发展具有良好社会效益的低碳电力的新途径，是发展电力的重要战略选择^[1]。

将风能转换为电能的装置就是风力机，风机利用升力或者阻力使风轮转动，风轮连接转动轴带动发电机产生电能。根据风力发电机的转动轴放置方式以及转动方向，将风机分为水平轴风力发电机以及垂直轴风力发电机^[2]。在研究中，水平轴风力发电机的研究较为普遍，其技术较为完善，适用范围广。然而，近几年，垂直轴风机凭借其良好的启动性、无需对风、低成本、短期生产、易于安装和维护的优势而得到了进一步发展^[1,3]。

1.2垂直轴风机分类

风轮的转动是因为当气流经过风轮时，使风轮受力产生转矩，进而转矩推动风轮旋转，因此根据风轮转动的成因，将垂直轴风力发电机分为两种类型：一种是叶片升力形成扭矩的升力型风机；另一种是叶片阻力产生扭矩的阻力型风机。

1.2.1升力型垂直轴发电机

升力型风机的工作原理是风轮引导气流通过叶片，并在叶片上产生升力。从而与叶轮上产生推力，带动叶轮转动，进而发电。达里厄斯型风力机是最典型的升力风机，该风机的风能利用系数在众多类型垂直轴风机中较高，根据叶片的形状，达里厄斯风机可以分为型的曲线型风机以及H型的直线型风机，具体形式如图1-1和图1-2。

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