浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性模拟与试验

对于大型风力发电机组,风切变的影响不容忽视。浓缩风能型风力发电机可以提高风能密度,改善风能的不稳定性。为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置风切变的流动规律,该文以浓缩风能装置为研究对象,进行了流场风切变特性的数值计算和风洞试验研究。采用具有风速梯度4.2 s-1的风洞进行浓缩风能装置模型的风切变风洞试验。结果证明浓缩风能装置具有减轻风切变的能力;浓缩风能装置使来流的风速梯度由4.2 s-1减小为3.4 s-1,有效地提高了叶片载荷均匀度和风力发电质量;数值计算结果与试验结果相符。研究结果可为风切变研究和完善浓缩装置与叶片的设计提供参考。     

浓缩风能型风力发电机相似模型流场特性试验——车载法试验与分析

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能的目的是为了有效地提高风能品位、单机输出功率和风能资源利用率,降低风电度电成本。200W浓缩风能型风力发电机是由风洞测试后的浓缩风能型风力发电机整体试验模型简化改进的实用机型。采用车载法对200W浓缩风能型风力发电机相似模型的流场进行了测试,运用皮托管和数字压力计测试了各断面特征点的总压、静压,获取了流场流速分布等特性。试验表明：相似模型的中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.31倍,风能增至来流风能的2.25倍。通过相似模型的车载法试验结果分析研究,找出了流场流速分布的规律性。     

浓缩风能装置内部流场仿真分析

浓缩风能装置是浓缩风能型风力发电机组的主要部件之一,其结构直接影响机组输出功率的大小。为了提高浓缩风能装置的浓缩效率,以浓缩风能装置为研究对象,应用三维建模软件与CFD(computational fluid dynamics)软件建立了几何模型与网格模型。基于上述模型,提出应用数值模拟方法对浓缩风能装置内部流场进行仿真分析,并通过比较分析不同湍流模型下的内部流场特性,得知标准κ-ω湍流模型更加适用于浓缩风能装置内部流场仿真。基于上述浓缩风能装置模型和湍流模型,分别对不同尺寸参数的浓缩风能装置内部流场特性进行仿真分析,得到了扩散角对浓缩风能装置内部流场特性的影响比收缩角、中央圆筒长度的影响大的规律,此规律为浓缩风能装置结构优化与设计提供了依据,优化后的结构能明显提高风能品质和风电机组输出功率。     

浓缩风能型风力发电机改进模型流场与功率输出特性(简报)

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能型风力发电机改进模型是由相似模型改进而成。采用车载法对改进模型的流场特性进行了试验并与原相似模型比较,研究表明：改进模型中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.38倍,比原模型提高了5.34%;气流动能增至来流风能的2.65倍。采用车载法对改进模型功率输出特性进行了试验,当自然风速为 10.83 m/s时,叶轮转速额定,叶轮风能利用系数Cp为0.182,机组输出功率117.6 W,此时发电机效率为0.655,试验结果证明：叶轮安装处风速是前方相同面积来流风速的1.37倍,气流动能增至来流风能的2.57倍。试验为浓缩风能型风力发电机叶轮设计提供了重要依据。     

浓缩风能装置扩散管流场模拟验证及其凸缘结构优化设计

浓缩风能装置的扩散管结构直接影响浓缩风能型风电机组的输出功率.为提高浓缩风能装置的浓缩效率,以浓缩风能装置为研究对象,采用数值模拟方法,研究扩散管凸缘的几何参数对浓缩风能装置内部流场特性的影响规律;并通过试验验证数值模拟的可靠性.结果表明:扩散管凸缘结构能够明显提高浓缩风能装置对自然风的加速作用和风能利用率;且装置内部流场的流速和风轮扫掠面积上的可利用风能随着凸缘高度L的增加而增大.综合分析可得,带有L为450 mm、凸缘角度α为+9°的扩散管凸缘的浓缩风能装置模型流场流速和可利用风能较高;与原始模型相比,其内部流场最大流速提高了30.738％,可利用风能提高了84.26％,是所研究模型中流场性能较佳的浓缩风能装置结构.     

浓缩风能型风力发电机的研究与进展

浓缩风能型风力发电机的理论核心是将稀薄的、呈湍流运动特征的自然风浓缩后利用,有效地对自然风进行加速、整流,改善了风能密度低和不稳定性等弱点,提高了风力发电机工质的品位.通过风洞实验和在中国、日本进行的小型机组实际运行实验,验证了浓缩风能理论的合理性,证明了浓缩风能型风力发电机具有切入风速低、发电量大、噪音低、安全性高、寿命长、度电成本低等特点,论证了浓缩风能型风力发电机向中、大型机组发展的可能性.     

浓缩风能型风力发电机迎风调向系统研究

风力发电机的迎风控制对于保证其正常发电十分重要。浓缩风能型风力发电机具有起动风速低、发电时间长、发电质量好的特点。该机型独特的结构和形体流场决定了必须为其配备一套专用的控制系统来保证其正常运行。根据浓缩风能型风力发电机的形体结构,设计了由直流减速电动机,蜗轮蜗杆减速机等组成的大传动比机械传动机构和基于89C51单片机的闭环控制系统。整个系统可在风向变化超过±15°时自动迎风,风速大于25 m/s时顺桨停机,达到了设计要求。在程序设计中考虑了电缆缠结及解缆,可以使风电场管理人员在较长的时期内不必检查电缆缠结情况,简化了风力发电机的维护。该系统可应用于浓缩风能型风力发电机的中、大型并网发电机组。     

有机玻璃材料的浓缩风能装置流固耦合分析

用于制造浓缩风能装置的材料直接影响浓缩风能型风力发电机的推广及应用。该文通过流固耦合分析方法,对有机玻璃用于制造浓缩风能装置的可能性进行分析。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对浓缩风能装置在特定风场下进行仿真模拟,得到了不同温度下浓缩风能装置所处流场的风速和风压分布。将不同温度下的流场计算风压分布结果作为载荷加载到对应温度下的浓缩风能装置上,得到该装置在不同温度下所受最大应力。这些不同温度下的最大应力均远小于有机玻璃在对应温度下的断裂应力,如温度为293.15 K时该装置所受最大应力为1.5378 MPa,而该温度下有机玻璃的断裂应力为71.704 MPa,因此有机玻璃在强度上满足浓缩风能装置要求,可以用于制造浓缩风能装置。当选择泊松比、杨氏模量和断裂应力均随温度发生变化的材料作为流体机械备选材料时,该研究过程可以为其可行性研究提供参考。     

浓缩风能型风力发电机的整体模型风洞实验（第Ⅲ报）

低速风洞内进行的实验结果表明：当风速为５．５０ｍ／ｓ时，浓缩风能型风力发电机模型的输出功率为１００Ｗ，是直径相等的普通型风力发电机（风力机和发电机的总机械效率为０．３３２时）的输出功率的３．８倍；其输出功率相当于目前我国草原上使用的小型风力发电机输出功率的６倍；并且该机组的起动风速比相同叶轮普通型风力发电机模型的起动风速低     

200 W浓缩风能型风力发电机的应用及运行效果

浓缩风能型风力发电机是使自然风通过聚能装置把稀薄不稳定的风能浓缩和均匀化之后利用的一种风力发电装置。200 W小型机组已经在中国和日本多个地区应用,当自然风速为10 m/s时,发电机效率为0.603,机组功率达到了208.6 W,风能利用系数为0.52,运行效果良好。与其它国内外优秀机组相比具有风轮直径较小,起动风速低,风能利用系数较高等特点。该机组采用6叶片风轮,高风速时可自动限速,安全性高,应用前景广阔。     

3D打印浓缩风能装置用于风洞试验安全性分析

通过3D打印技术可以方便快捷地制作出浓缩风能装置风洞试验模型,但必须对其安全性进行分析。该文采用流固耦合分析方法,对利用3D打印技术按1:4.5的比例制作的浓缩风能装置模型用于风洞试验的安全性进行分析。首先通过计算流体力学软件对流体场进行网格无关性分析,然后对流体场进行仿真模拟,得出了浓缩风能装置模型在风洞中的风速分布,其结果表明,浓缩风能装置叶轮安装平面6点风速平均值为流场入口风速的1.40倍,该倍率与参考文献中的实际测量平均倍率1.38倍非常接近,这说明按1:4.5的比例制作的浓缩风能装置模型用于该文所述尺寸风洞按该文中的设置进行模拟计算是正确的。然后将该模型表面风压分布作为载荷加载到此模型上,得到该模型在风洞中所受最大应力为3.5385 MPa,远小于所选3D打印材料的拉伸强度40.2 MPa和弯曲强度67.8 MPa,且最大偏移量仅为1.8675 mm,因此采用文中所选3D打印材料通过3D打印技术制作风洞试验模型是安全的。     

基于CFD模拟的浓缩风能装置结构优化设计

浓缩风能装置的结构直接影响浓缩风能型风电机组的性能。在该文中,采用计算流体力学软件对浓缩风能装置进行结构优化。优化方案是在原模型扩散管后增加一段锥形管,并分析锥形管的母线长度d及偏转角β对浓缩性能的影响。分析结果表明,锥形管母线长度为0.4D(D为中央圆筒直径),偏转角为50°时的优化模型为较优模型。浓缩风能装置优化模型的浓缩性能由锥形管后方的漩涡和锥形管内壁面上的流动分离决定。漩涡的存在使浓缩风能装置优化模型的浓缩性能优于原模型。流动分离会使浓缩性能降低。使浓缩风能装置得到优化的最佳状态是锥形管后方出现一个强烈的漩涡,同时锥形管内壁面附近不出现强度较大的流动分离。     

湍流强度对风电机组动力学特性及载荷的影响

为研究湍流强度对机组动力学特性及气动载荷的影响,以3.3 MW三叶片水平轴风电机组为研究对象,采用仿真及试验相结合的方法,并对来流风速和主导载荷进行功率谱分析。通过开展4种湍流强度0.10、0.12、0.14和0.16的计算仿真,结果表明随着湍流强度的增加,风电机组机舱振动加速度、载荷及等效疲劳载荷都有规律性变化。为验证仿真结果的合理性,对某风场的型式测试机组进行1a多的数据测试采集和分析。测试结果表明,机组运行在0.06、0.08、0.10和0.12这4种不同湍流强度下,其机组在不同风速运行下的机组振动及载荷同样出现有规律性的变化,仿真与实测结果的变化趋势吻合度较高。该研究为风电场风电机组的微观选址提供依据,也对风电机组设计有一定的指导意义。