涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统与流程

本发明涉及太阳能发电
技术领域：
。具体地说是一种涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统。
背景技术：
：太阳能烟囱发电系统中涡轮机是系统的重要组成部分之一，涡轮机叶片是涡轮机的重要组成部分，涡轮机叶片的空气动力学特性表现不同，涡轮机的效率和经济性不同。涡轮机叶片在集热棚出口处受到具有一定速度的热空气作用，上下表面所受作用力不同产生升力，推动叶轮发生转动。涡轮机叶轮的转动，将集热棚内热空气的动能通过发电机传动装置，转换为电能，完成发电过程。虽然现有技术中对涡轮机叶片进行了一些研究，但是这些涡轮机叶片并不能适用于所有地区，系统性能有待进一步提高。技术实现要素：为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够大幅提高涡轮机输出功率、适用于呼和浩特地区的涡轮机叶片及其设计方法和太阳能烟囱发电系统。为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：涡轮机叶片，太阳能烟囱进口处的额定风速为3.0-4.0m/s，集热棚出口处的雷诺数范围为2.7×104；叶片为naca2408翼型，攻角值为6-8°，最大曲面2.0％在40.6％的翼弦，直径d为0.12m；最大厚度8.01％在30.1％的翼弦。涡轮机叶片设计方法，包括如下步骤：(a)确定太阳能烟囱进口处的额定风速；(b)涡轮机叶片翼型选型；(c)涡轮机叶片翼型数值模拟优化；(d)确定涡轮机叶片设计基本参数；(e)在profili软件中得到翼型数据，合成坐标点后得到翼型图；按照各个截面弦长的比例缩放，在cad中得到翼型截面图，修正后导入到solidworks软件中，得到叶片三维图并3d打印出叶片实物。太阳能烟囱发电系统，包括具有上述太阳能烟囱发电系统叶片的涡轮机、连接支架、涡轮发电机和烟囱入口底座。本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：本发明通过确定太阳能烟囱发电装置涡轮机叶片基本参数，使用profili软件对涡轮机叶片翼型选型分析计算，选择匹配太阳能烟囱发电系统的最佳翼型。并通过cst翼型优化法对选择翼型进行进一步进行优化设计和气动特性计算。提高涡轮机叶片的最佳风能利用率，经过性能实验测试，达到设计要求。通过翼型设计和cst翼型优化方法，设计优化适用于太阳能烟囱发电系统的涡轮机叶片，为提高涡轮机叶片风能利用率进行优化设计计算，也为涡轮机叶片设计提供新思路。附图说明图1本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的naca2408翼型截面图；图2本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同雷诺数下升力系数和阻力系数变化曲线；图3本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同雷诺数下的升阻比变化曲线；图4本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角的升力系数与阻力系数变化曲线；图5本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角的升力系数与阻力系数变化曲线；图6本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的翼型剖面图；图7本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的naca2408翼型剖面图；图8本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的naca2408翼型12阶拟合效果图；图9a-图9b本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的xfoil优化处理前后翼型对比分析；图10本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的翼型naca2408airfoil极线；图11a本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的在re＝2.7×104时的c1曲线；图11b本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的在re＝2.7×104时的cd曲线；图12a本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角下的升阻比；图12b本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的不同攻角下的俯仰力矩系数；图13本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的修正前后弦长对比；图14本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机叶片的涡轮机叶片图；图15烟囱入口底座；图16烟囱入口底座与涡轮机连接支架；图17本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮机电机连接架装配图；图18本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮机电机连接架组装图；图19本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮发电机烟囱底座装配图；图20本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机的涡轮机发电系统测试原理图；图21本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流流电机下涡轮机最大输出功率曲线；图22本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在交流电机下涡轮机最大输出功率曲线；图23a本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机和交流电机条件下的风速与涡轮机最大输出功率曲线；图23b本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在全风速范围内涡轮机输出功率曲线图，其中风速低于2.5m/s使用交流电机，高于2.5米使用直流电机；图24本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机下涡轮机最大功率系数特性图；图25本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在交流电机下涡轮机最大功率系数特性图；图26a本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机和交流电机条件下的风速与涡轮机的功率系数曲线关系；图26b本发明太阳能烟囱发电系统涡轮机在直流电机和交流电机条件下全风速范围在0.8m/s～8m/s，涡轮机的功率系数变化；图27太阳能烟囱进口处温度、速度变化曲线；图28涡轮机前热气流速度和输出功率曲线；图29输出功率实测值与模型计算值曲线；图30输出功率实验对比曲线；图31集热棚集热效率；图32太阳能烟囱效率；图33涡轮发电机发电效率；图34太阳能烟囱发电系统效率。具体实施方式1.涡轮机叶片设计通过叶素的空气动力学理论，利用专业设计软件profili进行叶片的翼型设计选型和分析，获得翼型表面上的相关参数：压力分布、升阻比等，以获得涡轮机最大利用效率。利用cst翼型优化法对所选取的翼型进行优化，提高涡轮机效率。对所选取的翼型进行设计确定涡轮机叶片的工作风速和电功率，计算涡轮机风轮直径，确定叶片的尖速比，选择涡轮机叶片数目，确定叶片翼型，以及确定各个叶素弦长及安装角等。1.1涡轮机额定风速的确定：不稳定的空气动力学是导致涡轮机叶片失效不稳定载荷的主要因素，涡轮机的控制可以有效的较小不利的载荷，涡轮机风速的确定是知道不稳定风如何到达风轮、如何影响涡轮机进行发电。如果太阳能烟囱进口处的风不能够很好的预测，涡轮机叶片设计过程中无法准确的设计出气动性能良好的叶片。因此确定太阳能烟囱进口处的风速对于涡轮机叶片的设计优化是非常重要的，这也是涡轮机叶片设计的关键条件。由于涡轮机处在三维随时间改变的流场环境中，风速在整个涡轮机的叶轮的旋转平面上分布不同，同时受到湍流、固定支架、烟囱内壁粗糙等因素的影响，需要建立有效的太阳能烟囱进口处风速预估模型，其中风速预估模型由气动转矩的估计和预估风速值的计算两部分组成。1.1.1、气动转矩的估计：卡尔曼滤波算法可以有效的估算状态，能够得出系统的真实环境的最优状态估计，马尔可夫过程可以得到空间状态模型为:tt是气动转矩的时间常数，ta是气动转矩，ε是方差为r1的正态分布噪声。涡轮机发电机组的传动系统方程为：式中：其中ta为气动转矩，jt为涡轮发电机组合的转动惯量，角加速度，tg发电机转矩，tf是轴和密封件转矩，n·m；，jg是发电机的转动惯量，kg·m2，jr是转子的转动惯量，kg·m2，ng发电机转速rad/min，te电动转矩，n·m。涡轮发电机组采用两个输入信号矢量：风速和指令转矩，产生两个输出信号矢量：气动力矩和转速，线性化涡轮机组的动力学可用状态空间模型表示。得到传动链状态及输出方程：式中：式中是传动链状态，x是系统状态，a是系统矩阵，u代表发电机的转矩指令信号，b是矩阵[-1/jt0]-1，y是输出量，h是矩阵[10]，矩阵b影响状态动态，kt是常数,wr是风轮旋转角速度,ta是气动转矩，jt为涡轮发电机组合的转动惯量。烟囱进口处考虑太阳能烟囱发电系统的噪声和测量噪声，选采样周期为ts，对动力学状态模型进行离散化，得到涡轮机组传动链的卡尔曼离散模型，即：x(k+1)为k+1时刻的系统状态,a(k+1,k)＝i+ats，i为四阶单位矩阵,a是系统矩阵，a(k+1，k)为k时刻到k+1时刻的状态转移矩阵；x(k)为状态向量；b(k+1,k)＝bts,u(k)为非随机控制序列，b是矩阵[-1/jt0]-1；w(k)为系统噪声，z(k+1)为观测向量，h(k+1)为观测矩阵，v(k)为测量噪声，k为时间；ts为选采样周期；假设w和v为系统噪声和测量噪声，在系统中w和v为零均值高斯白噪声，概率密度函数为：p(w)～n(0，q)，p(v)～n(0，r)其中：q为系统噪声的协方差矩阵，r为测量噪声的协方差矩阵，w和v二者为单位阵q和r为常数阵，与系统状态x及采样周期ts不相关，p矩阵为估计状态的协方差的误差矩阵，o为数值零,n为正态分布。1.1.2、风速值的计算：在太阳能烟囱发电系统中风速仪安装在太阳能烟囱进口处，因为风速仪要受风轮旋转产生的尾流的影响，因此风速仪不能够非常精确地测量太阳能烟囱进口处的风速的大小。本发明以涡轮机风轮转速和气动转矩的估计值为基础，采用牛顿-拉夫逊算法来预估有效风速的大小。气动转矩表达式：式中：cp(λ)＝cp(λ,βopt)。ρ是密度，r是叶片翼弦直径，v是风速；βopt是最佳叶尖速比；λ是叶尖速比；cp是风能利用系数。估计风速表达式：式中：f(n)＝ta(7)；其中ν的最优解下估计风速值，j(t,n)是转动惯量，是转矩估计值，f(n)是目标函数，ta是气动转矩，i(t,n)是气动转矩差值，是气动转矩估计值,n是无穷数。估计风速递推表达式为：式中：式中：n是序数,是平均值，hn是变量系数，gn是变量函数，是角速度估计值。利用牛顿-拉夫逊算法得出的风速值避免了太阳能烟囱测量风速的不准确性，同时也十分准确的反映了太阳能烟囱进口处的实际风速值。通过牛顿-拉夫逊算法结合对集热系统实验及集热系统数值模拟数据对比分析以及呼和浩特地区气象数据得出太阳能烟囱进口处的平均风速为3.8m/s。1.2涡轮机叶片翼型选型：涡轮机叶片翼型的选取与涡轮机效率密切相关，本发明根据太阳能烟囱集热系统前期实验及数值模拟结果从集热棚出口处雷诺数及集热棚出口处空气速度【等于太阳能烟囱进口处风速】考虑，结合专业翼型设计分析软件profili进行翼型选取。在选取翼型数据时，考虑选取雷诺数与实验测试时雷诺数相接近确定雷诺数。同时按照升阻比(cl/cd)最大原则进行翼型选则。综合分析考虑选取naca2408翼型。根据该翼型在不同雷诺数re数，不同攻角(alfa)所对应的升力系数(cl)、阻力系数(cd)确定最大升阻比，最终确定最佳攻角值，如表1所示(cm俯仰力矩系数)。表1naca2408不同攻角下升阻比最大值通过profili软件中的翼型管理系统选择naca2408翼型，确定该翼型形状。选择稍厚的naca2408翼型，其最大相对弯度为2％，位置在弦长的41.2％翼弦处。最大相对厚度为8.01％，在29.8％翼弦处；naca2408叶素轮廓图如图1所示。在涡轮机叶片的运动中，通过相似准则数——雷诺数表征粘性力影响。所以在涡轮机叶片的设计中，尽可能选取升力系数随着雷诺数的变化改变而变化较小的情况来确定升力系数。从如图2不同雷诺数下升力系数和阻力系数曲线图，确定出在集热棚出口处雷诺数范围在re＝2.7×104时，naca2408翼型最大升力系数在升力系数cl＝0.9214附近，其对应的攻角在6～8°之间，在该点附近雷诺数的变化对该翼型的最大升力系数和最佳攻角的影响较小，且在此时雷诺数接近叶片运行re数。故可以确定在re＝2.7×104时涡轮机叶片在实际工作工况下运行。利用profili翼型空气动力模拟软件，对naca2408翼型进行气动特性计算，通过对比不同雷诺数下的升阻比随攻角变化曲线关系如图3，进行筛选分析，可以确定出在雷诺数re＝2.7×104时，随着雷诺数的变化，升力系数变化相对平稳，即随着空气粘性的改变对涡轮机叶片翼型最大升力系数影响较低。故选择该雷诺数re＝2.7×104所对应的最大升阻比对应的点为设计点，选取该点的攻角为叶片的设计攻角，如图3所示。如表1所示，选翼型的最佳攻角α＝7°，对应的升力系数cl＝0.9214，阻力系数为cd＝0.00457，其升阻比为cl/cd＝20.1619。1.3naca2408翼型数值模拟优化：涡轮机叶片从空气动能中所获取能量的75％是由叶片的前半段提供的。由于叶片的扫掠面积随着半径的平方变化，叶片工作效率也与半径有关，半径越小效率越低；同时，半径小，尖速比也小，因此叶片根部对风力机的风能利用系数cp的影响也比较小。由于在叶片尺寸较小，在叶尖处几何尺寸失真，降低功率的捕获作用。为优化叶片翼型参数，本发明选用近年来通用的基于cst(classfunction/shapefunctiontransformation)型函数/类函数变换的参数化方法来表示翼型并使用cst型函数作为设计变量，通过最小二乘法对涡轮机叶片进行翼型设计和气动特性计算。1.3.1cst翼型参数优化法：翼型设计是涡轮机叶片设计的重要过程，翼型参数化方法的选取影响着所选取翼型设计方法的合理性。一般的三维几何图形都可以基本形状的分布来表示，型函数和类函数可以描述物体基本形状以及基本形状的分布。通过cst这个简单多用途以及功能强大的方法，在设计空间中通过类函数和型函数来定义三维几何物体，引入类函数(classfunction)定义翼型几何外形种类，确定一个翼型族。用型函数(shapefunction)来，确定类函数所表示的翼型中的一个具体翼型，型函数对类函数确定的基本外形进行修正，生成设计修正的几何外形。通过对翼型的最小二乘法拟合计算，得出表示型函数的bernstein多项式阶数的经验数据取值范围。cst参数转换优化方法参数具有明确几何意义，且控制参数少，适用范围广泛，精确度较高。该方法不仅可以用于翼型坐标的参数化，在二维翼型和三维机翼等的气动优化方面也有很好的应用前景。1.3.2cst翼型优化方法：如图6，一般翼型的几何表示式可以表示为：式中：ψ＝x/c，ξ＝z/c，ξt＝δξte/c；为前缘；1-ψ为尾翼；ψ·ξt为尾翼厚度；为前缘和尾翼的几何形状通用函数，c为弦长；z为翼型的z轴坐标，n为翼型类函数的控制参数，x是为翼型的x轴坐标，i为0,1,2…n；ai是伯恩斯坦多项式，ζt是相对值，ζte是翼型后缘厚度。由式12定义一般翼型的型函数：翼型类函数为：式中：n1，n2为翼型类函数的控制参数。本发明选取naca2408翼型后缘厚度为零，即ξt＝0，上下表面曲线通用表示为：式中类函数为：式中：型函数s(ψ)表示翼型前缘到后缘之间的曲线形状，表示式为：式中：n表示伯恩斯坦多项式的阶数，为伯恩斯坦多项式权重系数集。对于cst翼型参数化过程：1、确定类函数的参数n1，n2。不同翼型对应不同的n1，n2值。对于圆形前缘族翼型n1＝0.5，n2＝1.0。2、确定型函数s(ψ)的控制参数。这里使用带有权重系数的bernstein多项式，即：其中：若：有型函数s(ψ)通过加权表示为：在型函数中有n+1个伯恩斯坦系数ai，必须得到n+1个控制点坐标，通过n+1个控制点坐标建立方程，有：由于naca2408翼型后缘厚度为0，上式简化为：通过(24)求解方程组可以得到bernstein多项式的权重系数1.3.3cst翼型优化方法：根据naca2408翼型的参数：最大相对弯度为2.0％、位置在弦长的41.2％翼弦处，最大相对厚度为8.01％、位置在弦长的29.8％翼弦处；从profili软件导出相关翼型数值如表3，通过origin软件，计算翼型的坐标点值，画出翼型曲线如图7。表3naca2408上下表面坐标值利用表3的坐标点，使用插值法得到控制点坐标，并根据cst参数化方法中bernstein多项式的阶数以及公式23计算cst控制参数，上下翼面使用5阶bernstein多项式，控制点6组坐标值，见表4。将控制点坐标值带入公式22得出翼型naca2408上下表面cst参数，见表5，图8是使用cst参数化方法对naca2408翼型拟合效果图。表4naca2408翼型控制点坐标表5naca2408翼型控制点坐标上表面参数0.295270.25060.340130.226350.289210.05174下表面参数-0.22262-0.21296-0.12822-0.21843-0.09434-0.03265图8展示了翼型naca2408的拟合效果。图中真实翼型曲线是由profili软件导出的naca2408翼型坐标点在origin软件中画出的翼型曲线图。图中cst12阶拟合结果曲线为naca2408翼型采用cst方法对翼型进行优化后的翼型与naca2408真实翼型曲线的对比。通过cst参数化方法对翼型进行参数化分解，可以使用较少的参数来精确地表示一个翼型，使用5阶bernstein多项式表示翼型naca2408的型函数可以达到较高的精度，由图8可知，cst参数化翼型与真实翼型外形基本吻合。通过cst参数化方法对叶片进行优化后，翼型的前缘半径，最大厚度以及最大曲面所在位置都有所改变。故通过profili软件中的xfoil设置对叶片重新进行处理优化。处理前后翼型对比图如图9所示。1.4涡轮机叶片设计基本参数1、涡轮机功率p＝0.1250w；2、来流风速：v1＝3.5m/s；3、涡轮机机电效率：η1η2＝0.85；4、空气密度：ρ50°＝1.128kg/m3；5、涡轮机叶片直径：d＝0.12m，cp为最大功率系数(风能利用系数)。6、尖速比：涡轮机风轮的叶尖速度和设计风速之比。选取叶片尖速比λ0＝6，叶尖风速为v＝λ0×v1＝48m/s；风轮角速度7、叶片数b：由于三叶片涡轮机输出功率平稳，选取三叶片式涡轮机，b＝3。8、叶轮实度σ＝0.07；9、将涡轮机叶片分为10个剖面，每个剖面间隔0.1r，各剖面的尖速比见表a。10、naca2408翼型参数曲线。在为雷诺数re＝26887，profili软件中可得最大升阻比cl/cd＝20.1619，其中cl＝0.9214,cd＝0.0457,攻角α＝7°。通过参数输入可以得到图10翼型naca2408airfoil极线，图11a和图11b为re＝2.7×104时不同攻角下的cl和cd，图12a和图12b不同攻角下的升阻比、俯仰力矩系数。11、确定各剖面的形状参数n，并计算弦长λ0＝6，其中λ0＝3.26根据公式可得弦长公式：式中：r——将叶片分成10个剖面，各剖面处的半径值，参见表2。λ——各个剖面处的尖速比，参见表a。计算所得弦长见表a。12、叶片弦长修正：获得了理想叶片形状和叶片安装角，但是这种理想叶片的安装角是沿叶片展长呈非线性变化的。因此，需要对理想叶片的弦长和安装角线性化处理。对于适配本发明太阳能烟囱发电试验系统的涡轮机叶片来说，由于整个涡轮机的半径较小，半径只有0.06m，轮毂直径较小，叶片弦长为了适应轮毂的大小，修正后叶根处的弦长较短。根据太阳能烟囱发电试验系统的实际流场状况，叶片设计修正保持叶片的气动性能良好段。涡轮机叶片的后半段气动性能良好。弦长修正根据涡轮机的实际状况，考虑叶片的牢固性和稳定性从叶根处进行修正。图13为叶片弦长修正前后对比。修正后的弦长如图13，弦长修正前后比较见表2。表2弦长修正前后对比r/r弦长修正后弦长20％0.27120.013530％0.16860.017640％0.10890.025150％0.07000.031360％0.04550.037770％0.03040.030480％0.02100.021090％0.01500.015013、确定各截面处翼型的安装角：修正扭角考虑到升阻比对轴向和切向干涉因子影响较小，在设计涡轮机叶片气动外形时不计阻力的影响，但考虑了梢部损失可以得到如下数学模型。a(1-af)＝b(1+b)λ2(27)；f为叶梢损失系数，a为轴向干涉因子，b为径向干涉因子；考虑叶梢损失时，局部风能利用系数为：使用matlab软件利用wilson法计算得到各个截面处的修正扭角，方程中的自变量a、b赋初值后自动进行迭代运算，直到得出目标函数的最大(最小)值及其对应的a、b值。其中初值公式为：b＝10/λ0·e12r/r(33)；a＝λ0/2000+0.027λ0-0.038(34)；最佳优化函数通过创建两个m文件存放目标函数和条件函数，分别为objfun函数和confun函数。通过主程序中调用最佳优化函数求得干涉因子a、b以及叶梢系数f最终输出扭角值。因为考虑根部连接轮毂的影响，故从20％处开始计算扭角，计算结果见表a。表a叶片翼型各剖面参数综上，在profili软件中得到naca2408翼型数据，合成坐标点后得到翼型图。按照各个截面弦长的比例缩放，在cad中得到翼型截面图，修正后导入到solidworks软件中，得到叶片三维图及3d打印出叶片实物，如图14。2.5涡轮机叶片装配：选用两种电机，基本参数见表5。表5涡轮机交流电机参数一览表表6涡轮机直流电机参数一览表烟囱底座设计按照太阳能烟囱进口的实际比例进行计算设计，烟囱底座尺寸：底座外径φ222mm、螺孔φ10mm，下圆柱φ135mm、高85mm，中间圆台高54mm，上圆柱φ113mm、高50mm。在底座上方加设支架，固定涡轮机。底座如图15。在solidworks软件中设计完成后进行锻造加工得到如图15所示的实物。涡轮机与烟囱底座采用连接架搭接，连接架的设计目的为尽量减少涡轮机的在太阳能烟囱进口处的风能损失。连接架尺寸为：连接烟囱底座接口端外径φ124.6mm、内径φ113mm、厚度1.5mm，连接架高15mm、装电机圆柱φ21mm、厚度1.5mm。连接架见图16。并进行3d打印得到如图16的连接架实物。将连接架固定在烟囱底座，将涡轮发电机安装在连接架上面，在solidworks软件中进行装配。得到如图17所示的装配图。将各部件进行组装。组装图如图18。将涡轮机发电机用连接架连接在太阳能烟囱底座，得到如图19的三维建模的装配图，将涡轮发电机组装放到试验台架上，进行涡轮机叶片测试的实验。2.涡轮机叶片试验涡轮发电机是将热空气的动能转化为机械能，以电能的形式输出能量的设备。涡轮机在不同空气速度、不同叶尖速比的工作状态下能使涡轮机输出的最大功率为涡轮机的最大输出功率。由于涡轮机工作状态下扭矩无法获得，只能通过实验测量涡轮机输出电压、输出电流、计算电功率，然后选定电机效率和传动效率。获得涡轮机轴功率及输出功率。通过公式(35)计算出涡轮机的轴功率。式中：p----涡轮机轴功率(w)；η1----传动效率；η2----电机效率；u----涡轮机输出电压(v)；r----负载电阻(ω)。试验所选用直流发电机，载荷平稳，发电动机连续运转，本发明中选用发电机传动效率为0.9。通过对涡轮机风速υ(m/s)和涡轮机叶轮的转速n(r/min)的测量，可以计算涡轮机叶片尖速比：式中：r——涡轮机叶片半径。涡轮机的功率系数cp：cp＝2p/ρsυ3(37)；式中：s——风轮扫略面积(m2)；ρ—空气密度(kg/m3)。2.1涡轮机启动风速测试实验一、测试设备表b测试设备一览表二、测试方法1、利用示波器测量电压，热线风速仪测量风速，万用表测量电阻。2、在不同的空气速度下通过改变负载，测量输出电压u及负载电阻，计算出电功率。确定电机效率和传动效率，计算涡轮机输出功率p。3、在一个稳定的热流空气速度下，通过调节滑动变阻器确定最大转速n，计算对应尖速比λ，测量负载的电压u及电阻r，计算出电功率，确定电机效率和传动效率，计算涡轮机各尖速比下输出功率p。确定每组不同热流空气速度下的最大输出功率，绘制系统速度-功率曲线图。3、涡轮机发电系统测试接线图如图20所示：涡轮机机组启动实验是在涡轮机处于空载状况下测试，涡轮机在迎风状态下启动低速回转风洞，调节与风洞电机相连接的变频器来改变风速，增加或者降低变频器的频率来调整风速。记录涡轮机风轮转动一周的风速，重复试验保证测量的精确度。直流电机和交流电机的启动风速测量数据见表7。表7启动风速记录数据次数12345直流电机启动风速(m/s)2.502.512.492.502.50交流电机启动风速(m/s)0.810.800.800.790.80涡轮机的启动风速平均值为：交流电机的启动风速为0.8m/s，直流电机的启动风速为2.5m/s。2.2涡轮机最大输出功率测试实验：涡轮机机组处于自由迎风状态下，调节到各个风速值，待风速相对比较稳定时，调节滑动变阻器变动负载的大小，使功率达到最大值，当涡轮机叶片转动稳定时测量各个风速下的电压电阻和转速的大小。直流电机的启动风速为2.5m/s，风速测试范围为2.5～8m/s,风速与风速之间间隔为0.5m/s。所得最大功率随风速的变化曲线关系如图21所示。从图中可以看出随着风速增加涡轮机输出功率增大，在启动风速状况下，最大输出功率为0.0073w。交流电机的启动风速为0.8m/s,风速测试范围为0.8～6m/s，风速与风速之间间隔为0.5m/s。所得最大功率随风速的变化曲线为图22所示。交流电机的启动风速下最大输出功率为0.00026w。2.3涡轮机最大功率输出特性：在涡轮机叶轮处于自由迎风状态下，启动低速回转风洞，在各个稳定风速下进行试验风速下最大输出功率特性试验。测试风速范围为0.8m/s到8m/s，风速采集每0.5m/s进行一次调整。调节试验负载，当涡轮机叶轮运行稳定后采集输出电压、电流和计算输出功率。根据试验数据绘制不同风速下涡轮机输出功率随风速变化图。如图23a和图23b。在进行涡轮机输出功率测试试验中，涡轮机输出功率的测试分别使用交流发电机和直流发电机。不同发电机启动风速不同，交流发电机启动风速较低，图23a为直流电机和交流电机条件下的风速与涡轮机最大输出功率曲线。图23b为全风速范围内涡轮机输出功率曲线图，其中风速低于2.5m/s使用交流电机，高于2.5米使用直流电机。通过全风速-输出功率图反映风速状况0.8-8m/s下的功率输出状况。由图23b可知在相同风速条件下直流电机下的涡轮机的输出功率较大。风速在2.5m/s以后使用直流电机，可以获得较高输出功率。图23b风速范围在0.8m/s～8m/s，反映出在不同风速条件下涡轮机最大输出功率变化规律。涡轮机输出功率随着风速增加而增大，涡轮机失速的影响小于风速增加对功率的贡献。涡轮机在额定风速下，交流电机输出功率为0.0123w，直流电机3.8m/s功率为0.065w。2.4功率系数特性：涡轮机风轮处在自由迎风状态下，启动低速回转风洞待风速稳定后进行测量各个风速值。调节滑动变阻器改变试验负载，当涡轮机相对稳定后记录输出的电压值，电阻值和最大功率。相邻两组试验的风速间隔为0.5m/s，风速从启动风速开始2.5m/s～8m/s。根据实验数据计算最大功率系数cp，得出涡轮机发电机为直流电机在不同风速下最大功率系数的特性曲线如图24。由图可知4.5m/s的风速下涡轮机的功率系数最大，此时涡轮机的利用太阳能烟囱进口处的风能越多，发电效率越大。涡轮机风轮处在自由迎风状态下，风速范围为0.8～6m/s，相邻两实验风速测试区间为0.5m/s，待风速稳定后测量交流电机下的输出电压，电阻值和最大功率值，计算功率系数得到如图25的不同风速下的功率系数曲线。由图可知风速在1m/s的状况下涡轮机的功率系数最大，利用太阳能烟囱进口处的热气流的能量越多，发电效率越高。涡轮机功率系数特性的测试使用交流和直流两种电机，实验测试范围为启动风速0.85m/s到8m/s，风速间隔0.5m/s取测试值，如图26a和图26b。图26a为直流电机和交流电机条件下的风速与涡轮机的功率系数曲线关系，由图可知从涡轮机开始启动至逐渐增加风速状况下，涡轮机的功率系数出现峰值。直流电机在4.5m/s风速时出现功率系数最大值，交流电机条件下涡轮机在1m/s风速下出现峰值，两种状态在同一风速下对比，直流电机的涡轮机功率系数更好，由此选取交流电机测试在2.5m/s风速下的实验值，直流电机选取在2.5m/s风速下的实验值。图26b为两种电机全风速范围在0.8m/s～8m/s，涡轮机的功率系数变化规律。2.5太阳能烟囱发电系统输出功率测试实验2.5.1太阳能烟囱进口处空气特性实验：太阳能烟囱发电系统实验选取六月中旬至七月中旬一个月为实验测试时间。选取整天辐照强度较好，风速较低，乌云天气条件。以2018年7月9日的实验测试结果为例，进行数据分析。全天气温16℃～30℃，测试时间为9：30～18:30，太阳能烟囱系统集热棚入口的初始温度为38.18℃，初始速度为0.95m/s。在测试日期实验装置10:30之前处于无风状况下进行测量，辐照强度逐渐增大，集热棚内温度升高，太能烟囱系统烟囱进口处风速增加。由图27可知整个系统在中午13:30左右时出现峰值，烟囱入口速度达到1.182m/s，温度为39.28℃，周围环境温度为33.20℃，烟囱进出口温差为6.08℃。由于呼和浩特地区夏季气象条件为上午晴朗无风，中午下午风速增加。因此，由于受天气不稳定因素的影响，下午环境风速增加导致太阳能烟囱发电系统的实验数据出现波动，下午14:30左右出现下滑趋势，此时太阳能烟囱进口处的温度为36.47℃，周围环境温度为31.39℃，环境风速为1.1m/s，烟囱进出口温差为5.08℃。风速流进集热棚内，蓄热层的热量散失，导致蓄热层温度降低，内外温差降低，造成太阳能烟囱进口处风速降低。2.5.2系统输出功率测试结果分析：涡轮机输出功率测试实验使用电机为交流电机，实验测量每分钟测量一次，选取每小时平均值，精确稳定地反映出在不同时刻不同风速下涡轮机发电功率曲线特性，如图28所示，上午12:00之前由于集热棚在蓄热阶段，蓄热层温度较低，集热棚内外温差较小，系统内烟囱进口端风速低，导致涡轮机输出功率较低。随着太阳辐照增加，集热棚蓄热层温度增加，集热棚内温度上升，系统内外温差增大，系统内烟囱进口处流速增加，推动涡轮机做功使得输出功率上升。系统在13:30左右时输出功率出现峰值，输出功率达到0.3617mw。输出功率曲线呈现正弦分布，符合理论规律。在测试日期，午后环境风速增大，在15:30涡轮机输出功率再次出现峰值，输出功率达到0.4636mw。出现该现象是因为，当外界风速增大，烟囱出口处的空气流动受到影响，使得烟囱出口端出现负压，增大了系统的抽吸力。由于加强抽吸力和内外温差双重耦合影响造成输出功率再次出现峰值。2.5.3模型功率和实测功率比较分析：太阳能烟囱发电系统能量转换主要有三部分，集热棚将太阳能转化为集热棚内空气的内能，使得棚内空气温度升高，在太阳能烟囱内将热能转化为动能，经过涡轮发电机将动能转化为电能。太阳能烟囱发电系统模型的发电功率为：式中：pr——涡轮发电机效率，w；ηr——涡轮机能量转换效率，ηr＝0.42；ρm——烟囱底部空气密度，ρm＝1.093kg/m3；λ——导热系数，λ＝3.4×10-2w·(m·k)-1；g——重力加速度，g＝9.8m/s2；cp——定压比热，cp＝1.005×103；α——对流平均换热系数，α＝24.3×10-6m2/s；υ——运动粘度，υ＝16.96×10-6m2/s；ts——集热棚内地面温度，k；ti——集热棚内空气温度，k；ta——集热棚入口空气温度，k；r——烟囱半径，r＝0.06m；r——集热棚直径，r＝2m；hc——烟囱高度，hc＝1.2m；hp——集热棚四周离地面间隙高度，hp＝0.25m。式38中的ts、ti、ta取值为实测值，根据不用时间的测试温度数值可以得到相应时间的估算输出功率值。由式38可知模型功率输出只考虑温度的影响，没有考虑环境风速的影响。由图29可以看出，全天环境风速逐渐增大，风速流进集热棚内，随着风速增加会带走部分集热棚内蓄热层积聚热量，造成蓄热层表面的热量大量散失，导致蓄热层温度降低。造成集热系统内外测量温差值较低，使得模型输出功率计算值较低，涡轮机输出功率实测值较高。2.5.4对比实验实测功率数据比较分析：将本太阳能烟囱发电系统涡轮机实验数据与华中科技大学相似太阳能烟囱发电系统(集热棚直径为10m，烟囱高度为8m，集热棚倾角为8°)涡轮机输出功率对比。将其实验数据进行取点比对分析如图30。可以看出，本实验涡轮机系统性能相对较高。原因如下：第一，实验所在地区不同，太阳辐照强度及测试时间不同。第二，在对比实验中，没有对环境风速进行测试，没有考虑环境风速对涡轮机系统的耦合作用分析，导致本实验数据与其数据相差不同。第三，本实验通过对呼和浩特地区本地实际地区特点阳光辐照分布，对太阳能烟囱发电系统集热棚倾角优化，以及对涡轮机叶片进行优化分析后进行测试，说明优化效果显著。3.太阳能烟囱发电系统效率3.1集热棚集热效率分析集热棚相当于一个太阳光收集器，蓄热层收集太阳辐照，温度升高后，加热流经蓄热层表面的空气使集热棚棚内空气温度升高，与外界环境存在一定的温差。通过bsrn3000辐射观测系统采集太阳辐照，进行试集热系统实验测数据分析。选取各小时平均值计算集热棚内外温差，通过计算可以得出测试日期内集热系统集热效率，如图31。以实验日期7月6日为例进行分析，由图31可知，实验测试在9:30-13:00期间，随着太阳辐照增加，集热棚集热效率呈正弦曲线分布，在上午11:30时集热效率峰值达到1.35％。由于受内蒙古地区环境风速不稳定因素的影响，下午13:00-15：00期间环境风速增加，少量风从集热棚进口吹进棚内，蓄热层热量大量散失，棚内温度下降，棚内外温差降低，集热棚效率降低。3.2烟囱效率分析：太阳能烟囱发电系统中烟囱为集热棚内空气向上运动提供动力。集热棚出口与太阳能烟囱进口端紧密相连，烟囱进口热流体温度与烟囱出口端环境空气温度存在温差，造成烟囱进口处空气密度低于集热棚外环境空气密度，形成集热棚内外空气密度差值，由此产生压力差，产生太阳能烟囱内空气上行的抽吸力，空气由于受抽吸力作用，速度增加，在集热棚出口处烟囱入口处，速度最大，具有一定动能的空气在此推动涡轮机叶轮做功发电。由图32可知，太阳能烟囱效率全天总体呈上升趋势，从测试开始至下午14:00之前呈上升趋势。由于太阳辐照增大加热棚内空气，热流体从太阳能烟囱流出，使得太阳能烟囱进出口存在温差，差值随着时间的变化而增大，太阳能烟囱效率达到峰值11.423％。符合温升增加，抽吸力增大，效率增加。在14:00之后，由于受环境风速影响，进出集热棚内空气流量增加，导致太阳能烟囱出口处存在负压，太阳能烟囱进出口处增加一个由于外界风速增大引起的抽吸力。并与集热棚棚内外温差产生的浮升力相耦合叠加导致16:00-15:00再次达到烟囱效率峰值18.45％。3.3涡轮机发电效率分析：涡轮机发电效率为涡轮机功率系数与发电机机电效率的乘积，涡轮机功率系数为涡轮机在太阳能烟囱发电系统中涡轮机在烟囱进口处的风能利用比例。如图33为涡轮机发电效率分布曲线，随着太阳辐照时间增加，涡轮机前热气流速度逐渐增大，涡轮机风能利用率逐渐增大，在下午14:30左右，太阳能烟囱进口处风速为1.011m/s，涡轮发电机效率达到峰值5.47％，此时太阳能烟囱进口处的风能效率最大。3.4太阳能烟囱发电系统效率分析：太阳能烟囱发电系统结合集热棚的集热系统，烟囱系统和涡轮风力机发电系统三部分系统效率，得出太阳能烟囱发电系统的总效率。如图34，为太阳能烟囱发电系统效率分布曲线，测试期间，太阳能烟囱发电系统效率整体呈上升趋势，下午16:30左右达到峰值，此时外界太阳辐射降低，但蓄热层温度较高，集热棚内外存在温差，集热棚的集热效率为1.09％。同时太阳能烟囱效率较高，受环境风速的影响，增大烟囱内的抽吸力，太阳能烟囱效率为18.45％，使得整个系统的效率相对较高，太阳能烟囱发电系统效率达到0.01％。通过以上数据分析可以看出，太阳能烟囱发电系统中由于系统结构原因，导致集热效率、烟囱效率和涡轮机效率受环境因素影响较大。其中由于呼和浩特地区气象条件影响导致集热效率偏低。但也可以看到由于气象条件影响，风速增大，相对增加了烟囱的耦合抽吸力提高烟囱效率。因此，对太阳能烟囱发电系统结构进行适当改造，可以提高太阳能烟囱发电系统集热效率。4.结论：本发明通过确定太阳能烟囱发电装置涡轮机叶片基本参数，使用profili软件对涡轮机叶片翼型选型分析计算，选择匹配太阳能烟囱发电系统的最佳翼型。并通过cst翼型优化法对选择翼型进行进一步对翼型进行优化设计和气动特性计算。提高涡轮机叶片的最佳风能利用率，经过性能实验测试，达到设计要求。通过翼型设计和cst翼型优化方法，设计优化适用于太阳能烟囱发电系统的涡轮机叶片，为提高涡轮机叶片风能利用率进行优化设计计算为涡轮机叶片设计提供新思路。利用低速回转风洞进行太阳能烟囱涡轮机叶片性能进行测试实验，通过涡轮发电机外特性测试实验获得太阳能烟囱涡轮发电机基础数据。针对太阳能烟囱涡轮机系统涡轮机叶片尖速比、功率参数进行分析，绘制最大输出功率特性曲线、功率系数特性曲线。对太阳能烟囱发电系统涡轮机输出功率进行测试试验分析。分析试验误差，为提高太阳能烟囱发电系统效率提供试验依据。对太阳能烟囱发电系统进行输出功率测试实验，太阳能烟囱发电系统的集热效率、烟囱效率、涡轮机效率和系统总效率进行测试分析评价。经对比国内相似太阳能烟囱发电系统输出功率分析，性能优于同类系统。表明基于呼和浩特地区当地纬度和太阳辐照条件下的集热棚倾角的优化设计和实验测试，以及对太阳能烟囱涡轮机叶片的优化分析，对提升太阳能烟囱发电系统总效率方法正确，效果明显。当前第1页12