极端运行阵风下风力机的气动特性

基于CFD方法,通过对比均匀来流和极端运行阵风条件下1.5 MW水平轴风力机的非定常气动特性,研究了极端运行阵风对风力机气动性能的影响规律.结果表明:极端运行阵风对风力机的气动特性影响较大,转矩与法向力、切向力系数的最大值较风速最大值的出现有所提前,较高风速下叶片失速造成风力机的转矩和气动力系数随风速的增大而减小.从紊流向层流的恢复阶段,流动的不稳定性使法向力、切向力系数在减小的过程出现振荡.     

极端风况下风力机的动态失速研究

根据IEC标准与GL准则定义极端风速模型对某1.5 MW的水平轴风力机进行数值模拟计算,研究极端风况下风轮转矩、空气动力系数等的变化规律.研究发现,风力机在非稳态工况下运行时,高风速时风轮的转矩与低风速时风轮的转矩变化规律相比有明显差异,叶根到叶尖产生不同程度的失速.在风速增大和减小的不同过程中,非稳态工况下风轮转矩、升力系数和阻力系数随攻角的变化有显著地差别,叶轮的升力系数和阻力系数的最大值均高于稳态下的系数.     

转动惯量对直叶片垂直轴风力机性能的影响

直叶片垂直轴风力机是旋转机械,转动惯量对其主要的气动性能有一定的影响.文中基于双向多流管理论并利用Matlab编程,以NACA0018翼型的H型垂直轴风力机为研究对象,分析转动惯量对H型垂直轴风力机性能的影响.分析结果表明:转动惯量的小范围变化对其最大输出功率系数影响不大,但较小转动惯量的风力机需要较大的风速才可以达到最大输出功率;在达到最大输出功率以前,转动惯量的小范围变化,较小转动惯量的风力机具有相对较大的功率系数、转矩系数和输出功率;随着风速的增大,转动惯量较小的风力机功率系数、转矩系数和转矩波动较大.     

直线翼垂直轴风力机叶片支架对气动性能的影响

为了定性地评价叶片支架对直线翼垂直轴风力机气动性能影响,并得出更准确的计算结果,通过雷诺时均湍流模型(SST k-ω)对垂直轴风力机进行(computational fluid dynamics,CFD)仿真,研究叶片支架对风力机周围流场分布的影响规律,分析风力机在不同方位角下的功率输出性能。研究结果表明：支架使垂直轴风力机的气动性能下降,最大功率系数下降47.5%,主要原因是于大攻角下复杂流动分离现象受叶片支架的影响较大,支架的回转扰动使风轮内部气流的湍流强度增大;在叶片支架安装界面位置,支架使得叶片前缘压力差下降,尾缘的压力差升高;而在风力机叶片中间截面位置,无支架模型与有支架模型压差区别较小且变化趋势相同;随风力机下流域尾流延长,低风速区的面积逐渐扩散,其值先减小后增大;风速在下流域的2倍风轮直径位置处达到最小值,有支架模型比无支架模型产生的风速最小值更高,且有支架模型风速恢复相对较慢。     

1.5MW风力机叶片设计与气动性能分析

叶片是风力机中最关键的部件,其气动性能决定风力机的风能利用效率。本文通过Glauert法设计1.5 MW水平轴风力机叶片,并利用FLuENT中的k-ωSST湍流模型,采用周期性边界,对叶片进行气动性能进行数值模拟。分析叶片桨距角固定的风力机在不同来流时风轮的转矩和轴向推力。研究表明:风轮在额定工况下,输出功率1 602 kW,风能利用系数达到0.325,满足设计要求;风速大于12 m/s时,可通过适当降低转速来维持风力机输出功率。     

基于流固耦合的风力发电机结构特性分析

风力机结构尺寸的增大会导致气动载荷效应的作用更加明显,因此,采用流固耦合分析技术来研究气动载荷效应对风力发电机结构的影响。采用ANSYS Workbench软件搭建了流固耦合分析系统,经过流固耦合分析得到了不同风速下风力机周围气流分布规律、风力机表面压力分布规律、风力机变形和应力分布规律、风速与风力机叶片应力和变形之间的波动规律;仿真分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合两种情况下风力机的模态振型,为风力发电机的结构设计提供一定的理论参考。     

提高风力机性能的流动控制技术研究

为提高垂直轴直叶片风力机在低风速下的启动特性,在对5叶片的风力机大厚度、低雷诺数叶片的翼型尾缘加装Gurney襟翼进行数值模拟研究.并探讨了叶片在"外弯"与"内弯"两种布置形式下对启动扭矩和输出功率的影响.基于数值模拟结果,对5叶片H型风力机叶片尾缘加装不同高度的Gurney襟翼进行风洞试验研究,通过测量不同来流风速下风力机的转速及输出功率,验证Gurney襟翼提高风力机性能的可靠性.     

浅析风力发电机组优化选型及电场选址

从风能利用和风电成本两个角度出发,推导出风电场选址与风力机优化选型的目标函数,提出将风力机容量系数作为风电场选址与风力机选型的判据,同时给出了基于风速分布特性的风力机容量系数计算方法。     

电磁耦合调速风力发电机组的运行特性

电磁耦合调速风力发电机组与传统风力发电机组不同,通过电磁耦合器借助电磁转矩将风力机齿轮箱输出功率传递给直接并网的同步发电机。采用变频器供电的电磁耦合器具有快速灵活调节其电磁转矩的能力。该文提出了在传递风力机输出转矩的基础上,附加额外的转矩控制,以此来减小系统扰动对同步发电机的影响。搭建了风力发电机组单机无穷大电网的系统模型,探讨转矩调节控制策略与手段。在MATLAB Simulink环境下,对系统干扰甚至故障状态下的动态特性进行分析,仿真结果表明:与只有励磁和风力机输入功率调节机组相比,增加了附加转矩控制的系统暂态稳定性和动态响应过程有较大的改善,充分满足低电压穿越要求,增强了对电网电压的支撑能力。     

风力机旋转叶片脉动风场建模与数值仿真

分析了风力机风场模型与普通建筑风场模型的相同点和不同点,指出叶片的转动将改变叶片上风速模拟点风速谱的能量分布,使相当部分的频率能量集中到风轮旋转频率及其倍频处.根据标准von Karman模型和旋转采样谱模型,推导并建立了风力机叶片的脉动风速谱功率矩阵,并在此基础上,采用谐波叠加法模拟了叶片脉动风速模拟点的风速时序数据.     

用BP网进行变速风力发电机组控制分析

传统的控制需要精确的风力发电机的数学模型,而因为空气动力学的不确定性和电力电子的复杂性,使风力机系统精确模型难以建立,特别是在风速突变以及有扰动存在时,风力机的控制和分析很复杂;为了克服这一困难,用神经网对变速风力发电机组进行控制;设计功率系数曲线的BP网模型及最佳桨距角的BP网模型,在低风速时跟随风速获得最大功率系数,高风速时保持功率最大并在允许范围内.在MATLAB环境下给出了用BP网对变速风力发电机控制的仿真模型和仿真结果,显示采用神经网控制器控制有很好的抗风速突然波动的作用,能有效地抑制扰动.     

定桨距风力发电机非并网系统内模控制

以定桨距风力发电机为例,对非并网风力发电机的稳定问题进行了分析研究,提出采用内模控制方法消除定桨距风力发电系统本身存在的正反馈效应,设计出稳定的控制系统.在系统中采用检测风速的控制方法,由风速检测值得到转速参考值,根据转速参考值与反馈值之间的误差信号得到发电机转矩参考值,转矩控制系统通过调节其输出端电流控制实际的电磁转矩,使其随参考值变化以实现变速运行.基于实时仿真系统RT-LAB进行了半实物实时仿真实验.实验结果表明:通过内模控制,定桨距风力发电机非并网系统可以在设计风速范围内稳定运行,达到了并网变桨距变速风力机的发电效果.     

双馈风力机转子动能在系统频率跌落时的响应能力分析

针对转子动能参与调频的研究主要集中于控制策略上,并未详细、定量研究不同工况下转子释放动能的问题,以1.5MW某双馈风力发电机为原型、采用Matlab/Simulink软件建立了简化的风力机动态模型,并以1.5 MW风力发电机的实时运行数据验证了该模型的正确性;同时,提出了转子释能持续时间的概念,并在所建的风力机动态模型下得到中低风速(6~8m/s)下机组转子释放动能的能力随着风速的变化,继而设计了转子惯性响应控制器,研究了不同风速下风力机在系统频率跌落时的响应能力,得到转速及功率输出的响应曲线。研究结果表明:所提模型具有普遍的适用性;在相应研究条件下,风力机转子释能时间可达15s,风力机输出可增加约15%的有功功率;风速在6~8m/s下,风电机组转子释放动能的能力随着风速的增加而降低。该结果可为双馈感应风力发电机参与电网调频的研究提供参考。     

起伏地形下复杂形体大跨网格结构风压与等效静风荷载数值模拟

以大跨空间建筑结构实际工程为对象,数值模拟分析复杂形体大跨网格结构在起伏地形下的风压分布、风载体型系数和等效静风荷载.运用Fluent软件计算不同风向角下的结构风载体型系数,发现风向角对结构风载体型系数影响较大.基于谐波叠加法模拟生成风速时程并转化为风压时程,采用ANSYS软件建立结构有限元模型,施加模拟所得的风压时程和风载体型系数,分析结构风致动力效应.定义风振动力放大因子以考虑共振响应的影响,并将其与特定时刻的瞬时风压分布相结合以形成结构的等效静风荷载.数值计算分析了基于基底竖向反力最小值的等效静风荷载及其分布.     

水平轴变桨距风机叶轮的空气动力学分析

为研究风力机叶片的空气动力学特性,采用自由尾涡方法和升力面理论建立了描述风力机叶片周围气体流动和风力机特性的数学模型.引入涡系与叶片之间的诱导速度,对数学模型进行数值求解,得到尖速比与功率系数、风速与功率系数的关系曲线,并与实验数据进行比较.结果表明,计算结果与实验数据具有很好的一致性.与CFD计算相比,自由尾涡方法节省计算成本,并具有工程上可接受的计算精度,可为风场选择及风力机控制系统增速比设计提供参考.     

小型水平轴风力机特征风速的确定与气动特性的实验研究

应用WASP软件,在认为风速服从两参数Weibull分布前提下,对内蒙古4个地区的风资源进行分析,推导出特征风速的计算公式,计算内蒙古4个地区的切入风速和额定风速;然后从低成本角度出发,优化风力机的特征风速,缩短风轮直径,降低制造工艺难度,来优化设计风力机;最后通过风力机气动实验分析和风力机单位面积发电量模拟计算进行了对比验证。结果表明:采用特征风速优化后设计的新翼型风力机输出功率得到提高,并且在实际风场中比传统翼型风力机单位面积发电量平均提高了28.0%.     

叶片旋转方向对NREL Phase Ⅵ风力机功率特性的影响分析

风力机叶片旋转方向影响风力机流场特性,并改变风力机之间的气动干扰,从而影响风力机功率特性。为掌握风力机叶片旋转方向对风力机功率特性的影响规律,基于CATIA软件建立NREL PhaseⅥ风力机模型,并基于三维计算流体力学(CFD)软件(Fluent)建立风力机气动特性分析模型。通过计算各风速下的风力机叶片表面压力分布和功率特性,并与美国国家能源部可再生能源实验室的NREL PhaseⅥ风洞实验数据对比,验证本文风力机分析模型准确性。随后,计算分析2台相同叶片旋转方向的NREL PhaseⅥ风力机功率特性随风力机间距的变化。分析表明,在不同风力机间距下,上游风力机输出功率基本保持不变,而下游风力机输出功率随风力机间距增大而增大;当两风力机间距为12倍直径时,下游风力机输出功率恢复至正常水平的92.1%。最后,计算分析2台相反叶片旋转方向的NREL PhaseⅥ风力机功率特性随风力机间距的变化。相比于相同的叶片旋转方向,叶片旋转反向将增加下游风力机输出功率,且功率增幅随着间距增大而逐渐减小;风力机间距为4倍直径时,功率增幅达到最大值,约为4.4%。     

气动力和离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响

采用雷诺平均NS方程和标准k-ε湍流模型,在不同风速和转速下对某风力机叶片基于Workbench进行了单向流固耦合数值模拟,分别分析了气动力载荷和离心力载荷对风力机叶片功率及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:相对于气动力载荷,风力机叶片离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响较大。     

气动力和离心力载荷对风力机叶片结构特性影响

采用雷诺平均NS方程和标准k-ε湍流模型,在不同风速和转速下对某风力机叶片基于Workbench进行了单向流固耦合数值模拟,分别分析了气动力载荷和离心力载荷对风力机叶片功率及风力机叶片结构特性的影响。结果表明:相对于气动力载荷,风力机叶片离心力载荷对风力机叶片结构特性的影响较大。     

基于流体运动仿真的不同林冠形状抗风强度分析

【目的】研究强风力扰动下不同林冠形状的森林内部风场分布情况,为防风林营造与种植过程中树种的选择提供理论依据。【方法】 首先建立3种不同冠形林分模型(其中冠部为多孔介质模型),并根据冠形对应树种的消光系数确定多孔介质的孔隙率与叶面积指数(leaf area index, LAI)的关系; 然后以k-ε湍流模型为基础,在动量方程中添加源项,建立三维树冠流计算模型,计算3种冠形在强风力下林分内部各处风速、风压与湍流动能强度。【结果】 圆锥形林冠林内风速最小值(0.047 m/s)与圆台形林冠林内风速最小值(0.076 m/s)相差0.029 m/s。椭球形林冠林内风速最小值为0.940 m/s,且波动大于其他冠形。圆锥形林冠林内压差与湍流动能强度均最小,分别为30.22 Pa和0.17%。椭球形林冠林内压差最大,压差均值为62.14 Pa。圆台形林冠林内湍流强度最大,最大值为25.19%。【结论】 结合湍流动能强度对树木抗风安全性的影响,以及风速的降低和压差减少作用,在构建防风林体系时,应选择与圆锥形林冠特点相似树冠的树种,使得防风林的抗风效果更强。