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。     

浓缩风能型风力发电机浓缩装置流场特性及试验

为揭示浓缩风能型风力发电机浓缩装置的流动规律,该文以浓缩装置为研究对象,进行了流场特性的理论分析、数值计算和试验研究.流体流过浓缩装置,靠壁面流体首先被加速,在中间截面前0.22 m截面超过中心轴流速,之后随轴向距离加大,逐渐形成中间流速大于边缘流速的流场;中央圆筒具有以中心轴为圆心的径向流速梯度,来流风速10.74 m/s时,中间截面径向流速梯度达2.35/s;近壁面形成薄薄的边界层,出现在距中央圆筒壁面50 mm附近,在中间截面前0.11 m截面和中间截面后0.07 m截面出现波峰,波谷出现在中间截面后0.02 m处.试验结果表明,数值计算结果与试验结果相符.研究结果可为完善浓缩装置和叶片的设计提供参考.     

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     

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的整体模型风洞实验（第Ⅲ报）——发电对比实验

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。     

对扩散管边界层进行的喷射和抽吸实验(第五报)——浓缩风能型风力发电机的整体模型风洞实验

浓缩风能型风力发电机是把稀薄的风能浓缩后利用的一种新型风力发电机组。依据大量的风洞实验数据，分析论证了不使用其它动力源，利用浓缩装置前方入口外侧形成的高压和浓缩装置侧面形成的低压，采用高压喷嘴喷出和抽吸孔对浓缩装置内扩散管的边界层进行喷射和抽吸可提高浓缩风能效果，使风力发电机输出功率增大。     

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.     

C型及S型叶片的贯流式水轮机流场特性

为了研究不同叶片进出口边形状及位置对贯流式水轮机内部的流动特性及机组能量特性所产生的影响,并为贯流式水轮机叶片的水力设计提供参考,该文基于某4叶片灯泡贯流式水轮机模型机,利用ANSYS-Bladegen对转轮叶片进行优化设计,并通过数值研究的方法对优化前（C 型叶片）和优化后（S 型叶片）的贯流式水轮机进行流场分析和性能评估,以揭示2种形式的叶片几何参数差异所引起的水轮机内流动特性及水轮机能量特性的差异。研究结果表明：S型叶片因其进出口边位置低于C型叶片,因此流道内速度矩的消耗位置较低,转轮出口环量分布规律也呈S型分布;C型叶片具有较大的叶栅稠密度及包角,叶片表面低压区较小,相反S型叶片叶栅稠密度及叶片包角较小,叶片正背面压差较大,因此转轮能量转换能力优于C型叶片,同时S型的出水边有效的减小了转轮出口的低压区,有助于改善尾水管内的流动特性;叶片进出水边对转轮内的水流具有导流作用,且流量越小,这种趋势越明显,S 型叶片进水边形状有将水流导向轮缘的趋势,水流在流道内的流量分配也呈近似 S型分配;S型叶片叶栅排挤作用减小,转轮内的水力损失、转轮出口环量损失及尾水管水力损失也明显小于C型叶片,因此其整体能量特性优于C型叶片。     

风沙对风力机翼型绕流及其气动性能的影响

中国西北地区风能资源丰富,然而该地区经常遭受沙尘天气的侵袭。风力机在强风沙环境下运行,其气动性能难免会受到沙尘的影响,并且其叶片会受到比较严重的磨损,导致机组的出力明显下降。翼型作为风力机叶片的基本组成单元,沙尘颗粒对翼型的绕流和气动特性的影响研究显得尤为必要。该文利用雷诺平均Navier-Stokes方程-大涡模拟(large eddy simulation)混合方法中的延迟分离涡模拟方法,模拟了NREL S809翼型在风沙环境下的流动特性,将不同颗粒直径条件下翼型周围的绕流情况和翼型的气动性能进行了对比,研究了空气中的颗粒对风力机翼型绕流及其气动性能的影响规律。结果表明,6.1?攻角时,颗粒对翼型绕流和升力系数的影响较小,但仍会使翼型的升力系数略微降低。随着颗粒直径的增大,翼型的升力系数先减小再增大,其中颗粒直径为20μm时达到最小值。当颗粒直径为150μm时,其升力系数仍小于洁净空气下的升力系数,但两者已十分接近。8.2?攻角时,不同直径颗粒对翼型绕流具有不同程度的影响,当颗粒直径小于20μm时,颗粒的跟随性较好,颗粒紧随气相运动,对翼型绕流的影响较小;当颗粒直径为20μm时颗粒对翼型绕流造成了极大的影响,如分离点提前、出现展向流动;当颗粒直径大于20μm后,随着颗粒直径的继续增大,颗粒的惯性力变强,颗粒逐渐独立于气相运动,对翼型绕流的影响也逐渐减弱。升力系数随颗粒直径的变化趋势和小攻角时相同,但变化幅度变大,升力系数最小时比洁净空气时减少了7.9%。该文可为不同颗粒直径的风沙环境下颗粒对翼型周围绕流流场及其对翼型升力系数影响等相关研究提供参考。     

基于改进VonKarman模型的风力机来流三维风速模拟

为准确表征风力机来流的三维脉动风场,基于改进Von Karman模型,分别采用谐波叠加法(harmony superposition method,HSM)和自回归滑动平均法(auto-regressive moving-average,ARMA)对某33 k W水平轴风力机来流风况进行脉动风速模拟,并采用现有软件在同等参数下模拟结果与2种方法的对比。结果表明,HSM法所模拟出脉动风速的功率谱与目标谱更加吻合;3种方法自相关性都随时间增大而减小,其中ARMA法和软件模拟结果的自相关性较好;HSM法互相关系数极差值在8.49、11.31、19.80 m的间距上分别为0.764 9、0.580 7、0.438 7,其互相关系数随间距增大而减小,更符合实测结果。研究不仅可为不同风场随机来流条件下风力机气动计算提供依据,也可为近地面其他农业机械及工程设施的风荷载计算提供参考。     

风波流对多平台阵列浮式风机Spar平台运动特性的影响

平台结构的稳定性是浮式风力机安全运行的最基础保障。为探究浮式风力机平台阵列的动态响应特性,该文提出一种3×3方阵排布的共用系泊系统多平台阵列方案,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,通过辐射/绕射理论并结合有限元方法,分别研究并对比了单个平台和3×3方阵排布的多平台的动态响应特性。结果表明:浮式风力机Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇方向响应均集中于低频波浪(波浪频率低于0.5 rad/s时);3×3方阵排布位于四顶点处的平台存在一定的横荡响应,响应范围约为?0.2~0.2 m,其余平台横荡响应可忽略不计;随着环境载荷的加剧,单平台纵荡响应急剧增大,响应范围由?0.25~0.25 m增大到?1.5~1.5 m,多平台时纵荡响应变化不明显,均保持在?1.5~1.5 m,同时,多平台纵摇响应明显低于单平台,验证了该文所提方案的有效,从而为未来海上风电场的建设提供了理论参考。