利用车辆风能的能源稳定型风光互补发电系统研究

【摘要】：为了缓解当今社会的能源紧缺问题,解决目前风光互补发电系统的供能不稳定性,本文考虑利用汽车或列车行驶引起的空气流动即车辆风能转化为电能来弥补自然风能的不足,构成新的风光互补发电系统——能源稳定型风光互补发电系统。 本文基于一定的假定条件,根据功能原理和汽车空气动力学理论,得到了车速和车辆(包括汽车与列车)风速分布的定量关系,u=u0(x/*)1/7进而通过设计实验、购置实验设备、实际测速实验得到实际数据,并和用分析软件SPSS对数据进行了回归分析,对模型中的参数进行了验证和校正,得到修正模型u=0.028u00.961(0.53x)5.376。 根据风力发电机的基本原理,通过简化模型、绘制网格,并用流体力学计算软件FLUENT模拟,得到车辆简化模型周围的风速场分布数据。再通过程序编写,试算风力发电机不同尺寸和不同安装高度情况下,每辆小汽车和客车的发电能力,并根据全国高速公路平均流量水平进行计算得到风机每日发电能力。再根据用电荷载所需电能,对风机叶片的安置高度和尺寸进行优化,优化结果为：风机叶片下边缘高度h1=0.2m,上边缘高度h2=0.9m,风机叶片宽0.4m,高△h=0.7m,车辆风能每天可供电Ev=5999.85J。 在传统风光互补发电系统的基础上,本文发明设计了能源稳定型风光互补发电系统,并介绍了其技术领域和技术背景。该系统包括利用自然风能发电的风机、利用车辆风能发电的风机、染料敏化太阳能电池、控制器、储能供电装置和逆变器。对各部件的工作原理、功能和各部件之间的连接方式进行了描述。 本文从能量供需平衡的角度,建立能源稳定型风光互补发电系统的供电能力模型,可行性进行分析。通过对首都机场高速公路的情况进行算例分析,计算结果显示：考虑车辆风能的情况下,首都机场高速公路的照明能源完全可以依靠能源稳定型风光互补发电系统提供。因此,该系统应用于道路供能在理论上是完全可行的。 【关键词】：风光互补发电系统 能源稳定 车辆风能 风机优化 道路工程
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM614
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-23
• 1.1 选题背景9-14
• 1.1.1 风能和太阳能的优缺点10-11
• 1.1.2 我国的风能和太阳能资源11-14
• 1.1.3 全球及我国汽车保有量的现状14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 风/光互补发电系统的国外研究现状14-16
• 1.2.2 小型风力发电机的国内外研究现状16-17
• 1.2.3 染料敏化太阳能电池的国内外研究现状17-19
• 1.2.4 流体力学计算软件 FLUNET 应用概况[38]19-20
• 1.3 主要研究内容20
• 1.3.1 研究路侧车辆风速与车速的关系20
• 1.3.2 利用车辆风能发电的风机优化设计20
• 1.3.3 能源稳定型风光互补发电系统整体设计20
• 1.4 研究方法与技术路线20-21
• 1.5 论文结构21-23
• 第2章 车辆风能发电能力23-32
• 2.1 本章引论[8]4023
• 2.2 车速与车辆行驶所引起风速的关系23-25
• 2.3 能量计算25-26
• 2.4 实验检验与参数校正26-31
• 2.4.1 实验仪器选取26-28
• 2.4.2 选取实验地点28
• 2.4.3 拟定实验计划28-29
• 2.4.4 数据处理29-30
• 2.4.5 回归分析30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第3章 基于车辆风能发电的风力发电机优化32-46
• 3.1 本章引论32
• 3.2 建立简化车辆模型32-34
• 3.3 流场模拟34-42
• 3.3.1 计算域及尺寸参数34-35
• 3.3.2 流动参数35
• 3.3.3 控制方程35
• 3.3.4 边界条件35-36
• 3.3.5 网格划分36
• 3.3.6 数据选取36-42
• 3.4 编写程序计算转换能量42
• 3.5 用电器所需能量42-43
• 3.5.1 用电器所需车辆风能总量42
• 3.5.2 每辆车所需转换电能42-43
• 3.6 确定 h1和 h2的最优解43
• 3.6.1 初步试算43
• 3.6.2 细化求解43
• 3.6.3 选取最优解43
• 3.7 本章小结43-46
• 第4章 能源稳定型风光互补发电系统46-51
• 4.1 本章引论46
• 4.2 传统风光互补发电系统的基本原理与特点[42,43]46-47
• 4.3 能源稳定型风光互补发电系统的技术领域及背景47
• 4.4 能源稳定型风光互补发电系统装置说明47-51
• 4.4.1 能源稳定型风光互补发电系统的技术方案47-48
• 4.4.2 具体实施方式48-51
• 第5章 能源稳定型风光互补发电系统发电能力分析51-54
• 5.1 本章引论51
• 5.2 能量供需分析51-52
• 5.2.1 能量供给51-52
• 5.2.2 能量需求52
• 5.3 算例分析52-54
• 5.3.1 车辆风能发电量53
• 5.3.2 自然风能发电量53
• 5.3.3 太阳能发电量53
• 5.3.4 LED 光源用电量53-54
• 第6章 结论与展望54-56
• 6.1 主要研究成果54-55
• 6.1.1 建立了车速与车辆风速关系模型54
• 6.1.2 对利用车辆风能发电的风机进行了优化54
• 6.1.3 设计了能源稳定型风光互补发电系统54-55
• 6.2 研究展望55-56
• 参考文献56-59
• 致谢59-61
• 附录 A 风机优化风速分布数据61-77
• 附录 B 试算程序代码77-81
• B.1 小汽车代码77-78
• B.2 客车代码78-81
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果81

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