风切变流场中风轮气动特性数学模型通过Matlab软件编制

风切变对风能转换装置输出特性影响及变桨优化研究英文题目WindShearWindEnergyConversionDeviceOutputCharacterandResearchVariablePitchOptimization学科名称动力机械及工程指导教师九年六月硕士学位论文分类号学校代码10128UDC风轮是风力机的关键部件其气动性能直接决定了风力机能从风中提取的能量多少及其转化效率是风力发电技术中的核心内容。然而风速在空间上具有风切变特性致使风力机叶片扫掠面的不同水平截面的风速大小各不相同风速的变化使得风力机叶片运行工况时刻发生改变直接影响到风轮的气动性能进而影响风力发电设备的效率与安全。本文针对风切变影响风能转换装置输出特性这一个问题选取了容量15MW风轮直径827m的风力发电机组对其在风切变流场中轮毂高度处的来流风速为额定风速时的叶片变桨进行了研究风切变英文。研究内容包括风切变流场中风轮气动特性研究风切变流场中风轮叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算风轮叶片旋转到任意相位角时最佳节距角的优化选取风切变流场中风轮输出特性仿真模拟等。为了实现所研究的内容本文以风力机空气动力学的基础理论为依据建立了风切变流场中风轮气动特性数学模型通过Matlab软件编制风切变流场中理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算程序用多项式拟合的方法归纳出理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角变化规律方程进行节距角优化选取后建立了实际叶片旋转一周变桨方程为了验证风切变对风能转换装置输出特性的影响分别对叶片旋转到任意相位角时不变桨风轮输出功率和叶片按照变桨方程进行变桨风轮输出功率进行了仿真模拟通过仿真结果对比分析可知在风切变流场中进行叶片旋转一周变桨距调节可使得风轮输出的平均功率约为1492kW比叶片旋转到任意相位角时不变桨风轮输出的平均功率高出约18kW风轮的效率提高1以上且使叶片旋转到某些相位角时风轮输出功率波动减弱减小了风切变对风能转换装置的影响。

为今后对大型风力发电机组变桨距优化进一步研究提供参考。关键词风切变输出功率AbstractWindwheelkeycomponentwindturbineaerodynamicperformancedirectlydetermineswindenergyextractedfromwindturbineconversionefficiencyaerodynamicperformancewindwheelcorecontentwindpowertechnologyHoweverwindspeedexhibitswindshearcharacteristicsspacewhichleadsdifferentwindspeeddifferenthorizontalsurfacesweptwindturbinebladechangingwindspeedmakesturbinebladeoperationconditionkeepchangingalltimewhichdirectlyinfluencesaerodynamicperformancewindpowergenerationequipmentspaperfocusedwindshearoutputcharacteristicswindenergyconversiondevicewindturbineitscapacityitswindwheeldiameter827mbladechangeablepropellerwheelhubflowfieldwhenflowspeedratedspeedcontentsincludedaerodynamiccharacteristicswindwheelwindshearflowfieldpitchanglecrosssectionselectedoptimumpitchanglewindwheelbladerotatinganyphaseanglewindshearflowfieldwindwheeloutputcharacteristicswindshearflowfieldbasictheorywindturbineaerodynamicestablisheswindwheelmathematicalmodelaerodynamiccharacteristicswindshearflowfieldsoftwareMatlabprogramspitchanglecrosssectionpreparationwhenwindwheelrotatingbladeanyphaseanglewindshearflowfieldlawequationpitchanglepolynomialfittingafterselectingoptimizedpitchangleestablishesvariablepitchequationwhenwindwheelturnaroundwindshearwindenergyconversiondeviceoutputcharacteristicsrespectivelysimulateswindwheeloutputpowercharactersvariablepitchunvariablepitchwhenwheelrotatinganytimeinvariantphaseangleThroughcomparingsimulationresultshubheightwindspeedratedwindspeedweekrotationbladevariablepitchadjustmentwhichmakesaveragepoweroutputwindwheelabout1492kWthanrotatingbladesanytimeinvariantphaseanglepaddlewheelwindhigherthanaveragepoweroutputwindwheelenhancesleavesrotatephaserotationangleoutputfluctuationsweakenreduceswindshearwindenergyconversiondeviceresearchprovidesreferencefurtherlargescalewindturbinevariablepitchoptimizationKeywordsWindshearPitchangleVariablePitchDelivered power 第一章绪论 第二章风切变流场中风速梯度分析 风电场中实测风速梯度分析11 风切变流场中风轮叶片运行工况分析12 本章小结13 第三章 风切变流场中风轮气动特性数学模型 14 1风切变流场中风轮叶片受力分析14 风切变流场中风轮的动量理论数学模型17 风切变流场中的叶素—动量理论数学模型18 风切变流场中叶稍与轮毂损失分析19 本章小结19 第四章 风切变流场中变桨优化研究 21 00相位角时叶片外形设计21 风轮的基本技术参数的选定21 00相位角时叶片外形设计方法的选定22 00相位角时叶片外形设计数学模型的建立22 00相位角时叶片外形设计的计算步骤23 叶片外形设计的计算程序编制24 00相位角时叶片外形设计计算机程序流程24 00相位角时叶片外形设计结果24 2理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角计算26 1理想叶片旋转到任意位置各截面节距角数学模型26 理想叶片旋转到任意相位角时各截面的扭角计算步骤27 4理想叶片旋转到任意相位角时各截面节距角拟合方程的建立29 3叶片旋转一周最佳节距角选取33 优化选取最佳节距角方法研究34 2叶片旋转一周最佳节距角选取计算机程序的编制34 优化选取的叶片旋转一周最佳节距角拟合方程35 本章小结37 第五章 风切变流场中风轮输出功率仿真 38 1风切变流场中风轮输出功率仿真模拟38 风切变流场中风轮输出功率仿真计算方法分析38 风切变流场中风轮输出功率仿真计算数学模型38 风切变流场中风轮输出功率仿真模拟计算机程序编制39 风切变流场中风轮输出功率仿真结果分析39 1叶片旋转一周不变桨风轮输出功率仿真结果分析39 叶片旋转一周变桨风轮输出功率仿真结果分析42 本章小结44 第六章 结论与展望 45 1结论45 展望45 49在读期间取得的科研成果 50 第一章绪论 引言进入21世纪的今天 世界能源结构也正在孕育着重大的转变 即由矿物能源系统向以可再生能源为基础的可持续能源系统转变。

所谓可再生能源就是取之不尽、用之不竭、与人类共存的能源 它包括太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等。在这众多的可再生能源中 目前发展最快、商业化最广泛、经济上最适用的 当数风力发电 风力发电是一种洁净的自然能源。风能在转换成电能的过程中只降低了气流的速度 没有给大气造成任何污染 风力发电技术不断进步单机容量逐步增大 产品质量得到改善 可用率达到98 以上 是一种安全可靠的能源 由于技术进步和产品批量增加风力发电的经济性日益提高 风电成本持续下降。风力发电的成本已接近煤电 低于油电和核电。若考虑煤电的环境污染和交通安全等问题 风电的经济性优于煤电 风力发电场建设周期短。单台风力发电机组安装仅需几个星期可多台同时安装 互不干扰。建设一个风力发电场 从土建、安装到投产 只需一年时间 而煤电、核电的建设需要三至十年 风力发电占地面积少。塔筒与监控、变电建筑仅占风电场约1的土地 其余99 的广大场地可供农、林、牧使用。 由此可见 风力发电具有较好的经济效益和社会效益 风力发电技术的发展受到世界各国政府的高度重视。 目前 随着桨叶空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术和新材料的发展 风力发电技术朝着单机容量大型化方向发展。

为了使风力发电机组在工作时能够获得更好的经济效益 人们不再仅仅满足于提高风力机运行的可靠性 而开始追求更高的风能利用系数和不断优化的输出功率曲线 采用更大直径风能转换装置和更先进的变桨距技术 以达到更大程度的吸收风能资源。然而 风速在空间上具有风切变特性 致使风力机叶片扫掠面的不同水平截面的风速大小各不相同。据风电场实测风速统计 高度由30m上升到110m风速相差约为2m 风速的变化必将导致叶片在整个扫风面上的风力载荷非常不均衡风力发电机组容量越大 风轮直径越大 载荷的不 2均匀性越严重造成叶片轴向气动力剧烈振荡 这将严重的影响风力机运行的稳定性 而且会使叶片疲劳损坏的可能性大大增加。因此对于水平轴风力发电机而言 即使自然来流风速恒定 工作条件下相对于叶片的来流风速也是时变的 不论采用什么样的技术 来流风速的不均匀性也就是风力机叶片的时刻变工况运行是必须面对的重要问题 它直接关系到风力发电设备的效率与安全。 本课题主要研究风切变对风能转换装置输出特性影响及优化变桨技术 考虑风切变的影响导致风轮叶片在不等风速中旋转 建立风切变流场中风轮气动数学模型 推导出轮毂高度处风速为额定风速时风轮叶片旋转一周的变桨距方程 以优化风轮变桨 降低叶片的整个扫风面上的风力载荷的不均衡 使得风力机更加稳定的输出最大的功率。

国外的研究现状随着风电技术的发展世界上风力发电机组正朝大尺寸、大功率的方向发展。风力发电机组单机额定功率覆盖范围从2MW、2 3MW、3 6MW、4 2MW、4 5MW到5MW 叶轮直径从80m、82 4m、100m、110m、114m、116m到126m 这使得气动问题成为风力发电机组的一个相当重要的问题。 自从20世纪初开始 空气动力学的蓬勃发展使人们对叶片的气动设计更为重视 它决定了整个风力发电机能从风中提取的能量多少及其转化效率。1891年 丹麦的Poul LaCour 教授首先将空气动力学引入风力机的研究并且利用风洞实验对风力机进行研究 为设计和建造性能良好的风力发电机组开辟了新途径。之后哥廷根研究所的A Betz建立了一维动量理论得到了著名的风能利用极限 Betz极限 使得风力机理论得到完整。但一维动量理论没有考虑尾流的旋转导致风力机获得的能量减少这一问题为此Glauert在 1935年提出了考虑尾流旋转的二维动量理论 。1889年Richard Froude提出了叶素理论 把叶片沿着展向方向分成若干段通过计算作用在每一段叶素上的气动荷载从而得到作用在整个叶片上的气动荷载。

由此叶素 动量理论 Blade Element Momentum Theory 成为目前叶片气动分析理论基础被广泛应用。 动量理论和叶素理论在研究风力机叶片的气动问题时 做了一些简化和假设 存在一定的不足之处 为了更好的反映叶片的真实气动性能 必须要进行一些修正 尤其是在非定常条件下的修正 这些修正包括叶尖损失、偏航修正、动态失速延滞修正、 动态涡理论的修正等。目前叶素一动量理论的发展主要有两个方面动态涡理论和动态失速延滞理论 提出了二维的作用盘方法该方法使用了旋转坐标系和一种逐渐收敛的螺旋流线 得到了较为精确的流场速度和功率系数。在二维叶素理论的基础上 不少研究者提出了改进方法。M 考虑了诱导速度的影响得到了与实验值较为吻合的计算结果 这种问题的实质是用旋涡系假设去修正基于二维风洞试验数据的叶素理论 这类工作的主要特点是对二维的叶素理论加以三维的修正。 为了更加精确有效的分析风力机气动性能 数值求解Navier stokes方程成为了一种比较全面的用来计算风力机叶片气动性能的方法。Hansen 10 等人首先通过数值求解Navier Stokes方程来研究风力机叶片旋转时的气动性能。

Wolfe和Ochs 11 利用CFD软件ACE来研究风力机专用翼型S809和NACA0012的气动性能。Yang 12 等人利用CFD方法研究了翼型S809在大攻角情况下的气动性能。虽然风力机气动理论的发展已经基本成熟 但由于风力机运行环境的多变复杂性 风力机气动性能也受到各种自然因素的影响风切变英文。如由于地面阻力引起的地面的风切变 使得风力机叶片转动面的不同水平截面的风速大小各不同这一问题 已经严重的影响到了大直径风力机气动性能和功率输出 13 。为此 国外的一些研究机构已经开始进行风切变对风能转换装置的影响研究 如美国国家可再生能源实验室 NREL 开发了一种新型叶片 试验表明 新型叶片比早期的风力机叶片捕获的风能要大20 以上。该叶片采用柔性设计 使其对于风况的变化能够改变它们的空气动力学特性 从而改善空气动力响应和叶片受力状况 增加可靠性和对风能的捕获量 14 “Bladed”公司的Evrni Bossnayi博士用加速度传感器检测桨叶受力的方法进行独立桨叶的调节 但由于该方法在风力机的模型搭建和参数的选择上选择比较复杂 仍需进一步深度的研究 15 16 国内的研究现状作为世界上的风能大国 我国风力机桨叶设计和空气动力学研究远远落后于国外 叶片的设计和空气动力学技术大多数从国外引进 这将使我国对风力机桨叶的研制水平日益落后于国际先进水平 从根本上来说不利于我国风电产业的发展。更何况从国外引进的风力机桨叶由于在设计和气动性能上是针对国外的风况和有一些特殊的环保要求 并不能和国内的情况非常吻合 不能很好的达到预期的性能。因此 必须以提高我国风力机的桨叶设计和气动性能研究水平 17