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[硕士论文] 陈功
电气工程 西南交通大学 2017(学位年度)
摘要:大型风机是火力发电机组的重要辅机设备,因此,对风机运行的可靠性、安全性要求都非常高。风机从早期的离心式发展到静叶可调轴流式,再发展到现在被广泛推广应用的动叶可调轴流式风机。通过对风机采用变频改造,能实现大量能耗节约,虽然离心风机和静叶可调轴流式风机的变频改造已经广泛使用,但针对动叶可调轴流式风机的变频改造应用仍然处于该领域的一个空白。本文从实际项目入手,针对大唐河北王滩火电厂600MW燃煤机组完成脱硫、脱销改造后,原有静叶可调轴流式风机增容后改配为动叶可调轴流式风机,风机运行效率低、经济性差的问题,开展燃煤机组动叶可调轴流式引风机变频改造控制技术和应用研究
  动叶可调轴流式风机最高效率理论研究。本文通过动叶可调轴流式风机的变频节能理论,借助其性能曲线、效率曲线及风机特性,提出一种全新的动叶可调轴流式风机变频节能计算方法。通过该方法可得到动叶可调轴流式风机各动叶安装角开度时对应的变频调速运行的压力-流量曲线、效率曲线,以及各负荷点对应的变频调速运行的动叶安装角开度值和转速值。以此数据为基础,通过动叶可调轴流式风机变频调速最高运行效率跟踪技术可实现风机变频调速运行的最佳动叶安装角开度值和转速值的匹配,使风机运行在最高效率、最佳经济状态,减少风机的能耗损失。
  动叶可调轴流式风机效率最佳控制工程应用。本文结合大唐河北王滩电厂动叶可调轴流式引风机变频改造项目,将所提出的效率最佳控制算法应用于本案例,对提出的动叶可调轴流式风机相关计变频节能算方法、优化控制方法进行验证。研究结果表明:动叶可调轴流式风机实施变频改造是可行的,可有效地改变现有动叶可调轴流式风机运行方式,实现最优的动叶安装角开度与风机转速组合,使动叶可调轴流式风机运行在此开度和转速下,既能满足机组在不同负荷下对流量及压力的要求,同时又提高风机运行效率。本文所提出的动叶可调风机变频改造最优效率控制理论应用于大唐王滩电厂动叶可调轴流式引风机节能工程的变频改造能提高效率,节约效果明显,有良好的推广前景。
[硕士论文] 王峰
动力工程 扬州大学 2017(学位年度)
摘要:本文基于仿生原理,采用弯掠叶片技术设计低风速风力机叶片,利用Isight集成三维建模软件、流体仿真软件等,以直叶片为基础进行设计优化,获得低风速下最佳的弯掠外形。本文所使用的直叶片来自于中丹海上风电合作项目的海上风力机叶片,翼型为丹麦某大学开发的专用风力机翼型。以下是本文所做的主要工作:
  1.深入研究风力机叶片设计理论及风力机叶片设计优化方法。
  2.采用Isight优化平台集成三维建模软件、网格划分软件和流体仿真计算软件,在保证叶轮扫掠面积恒定的前提下对弯掠叶片的外形进行设计优化。首先使用自编的程序将叶片模型参数化,在每次的优化过程中Isight可以调用程序修改模型数据,并且确保能够进行三维建模,再通过ANSYS ICEM-CFD网格划分软件实现网格自动划分,最后使用Fluent里的jou脚本文件实现边界条件自动设置和数值计算。Isight的功能在于集成调用所有软件,修改优化变量,设置优化目标和约束条件。这样就可以实现风力机叶片全三维仿真优化的过程。
  3.对直叶片和弯掠叶片轴向入流工况的数值计算结果进行分析。从叶片的外特性(输出转矩、风能利用系数、受到的推力)、攻角变化、截面压力系数分布三个角度进行对比分析。分析结果表明,弯掠叶片的气动性能比直叶片更加出色。低风速工况弯掠叶片能够明显提升叶片的输出功率,提高风能利用系数。同时,弯掠叶片还能减小轴向推力,使风力机叶片受到的推力峰值明显降低,对叶片结构设计有一定的好处。
  4.对直叶片和弯掠叶片的偏航工况数值计算结果进行分析。弯掠外形能够降低风力机叶片受到的轴向载荷和切向载荷,减小叶片表面受到的载荷峰值。与直叶片相比,偏航工况弯掠叶片受到的载荷随方位角的变化波动幅度更小,弯掠叶片风力机在运行时更加稳定。
土木工程;岩土工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:The effort has been made in recent years to increase the generation of sustainable power energy,such as wind energy.The wind turbine industry expands quickly and wind turbines keep on growing in both size and numbers.Morover, new construction sites are incorporated as large areas are required in order to construct the wind turbine farms.This means that onshore area will not fulfill the requirement and offshore wind farms are being built increasingly farther from the coast and in deeper waters.The offshore wind turbines are often placed at water depths of 15m-30m.The most effectively and efficient offshore foundation for wind turbines are monopiles.These monopiles foundation often have an embedded length of 20-35 m and a diameter of 4m-8m.After a brief outline of the current state-of-the-art of the wind energy industry and an explanation about the significance of monopiles on offshore wind industry, the specificities of their geotechnical design, specifically the lateral-load design of these piles, is addressed.The interaction between the soil and pile is usually characterized by a load-displacement curve, to which several theories were established over the years and is the basis of current lateral-load design of offshore monopiles.The aim of this thesis is to evaluate and compared experimental results of laterally loaded large scale monopiles located in East China Sea with same parameter of finite element model (FEM) of Plaxis3D, which is characterized by its flexible behavior, used as foundations for offshore wind turbines in different layers of soil.In this thesis, a 3D analysis of nonlinear with an elastic plastic soil model, an elastic pile material and interface elements are used to model the pile and soil displacement.The study involves an investigation of the laterally loaded hollow steel monopile piles with 2.8 m outer diameter, with its displacements, followed by an interpretation and validation of the results with the existing theoretical principles of soil mechanics on this area of expertise.Furthermore, a three-dimensional investigation of fin monopile with different parameter,laterally loaded (at 45°and 90°fms) is presented.The behavior of fin piles is difficult to explain by using simple pile-soil theories or two dimensional numerical analyses because of the complicated geometry of the piles.The recent study and experimental data confirmed that the predicted behavior of a monopile was acceptable leading to a more detailed study of the impact of fins and its length upon the lateral resistance.The load-displacement relation of the fin piles are presented in this paper.By placing of fins in monopile, resultant the increase in lateral resistance of pile which is illustrated by plotting the lateral load against displacement of the pile head for various geometries of the pile.It shows, the efficiency of the fins in monopile which also compared with the monopile without fins.The efficiency of the piles increases as the changing in length and direction of the fins.
[硕士论文] 查浩
电气工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:太阳能作为绿色新型的能源,已经受到世界各国的关注。其中光伏发电是太阳能使用最为广泛的一种方式,具有非常良好的前景,成为目前研究的重点之一。独立光伏发电系统,作为光伏发电的一种方式,已经被很多人接受并使用。而在独立光伏发电系统中快速寻找到最大功率点并且能够保持稳定对整个系统的工作效率有很大影响;同时,储能设备作为独立光伏发电系统的重要组成部分,其使用时间的长短以及充电方式的合理性对系统的经济性、实用性也有很大影响。并且用户在搭建系统时,蓄电池和光伏阵列容量的合理匹配可以在很大程度减少经济成本,此外在对独立光伏发电系统的日常使用中,对其进行有效的防雷保护也可以很大程度上减少经济损失。因此对独立光伏发电中MPPT、储能设备的充电方式以及容量计算和系统防雷措施的研究具有十分重要的意义。
  本文首先介绍了国内外光伏发电以及储能技术的现状以及对独立光伏发电系统框架进行分析,并且对光伏电池特性进行分析研究,在根据其原理,利用仿真软件,搭建出仿真模型,通过输出波形证明其特性。再对几种经典的最大功率跟踪法进行分析比较,并且使用MATLAB仿真软件进行仿真验证,进行波形比较,分析其各自的优劣性。最后提出一种优化的MPPT算法,并仿真后得出波形与之前的算法波形进行分析比较,验证其优点。
  其次为提高独立光伏发电系统中蓄电池的使用寿命和充电效率,提出几种充电方式,并分析比较,在原有的三段式充电方式上进行优化,将MPPT最大功率跟踪法和阶段式充电法相结合使用,并在原有的三段式基础上,增加为四段式充电方式,并且提出一套充电策略。在MATLAB仿真软件上,进行仿真模型搭建,仿真结果证明其策略可以有效的提高蓄电池的充放电方式的效率。
  最后,本文就独立太阳能光伏发电系统提出一套工程设计,包括光伏阵列和蓄电池的容量设计方法、并在原有的基础上,提出一套容量优化设计方案,有效减少了搭建独立光伏系统的经济成本。同时,在设计防雷技术上时,在原本的外部防雷技术上增加法拉第笼,可以有效的抵御电磁脉冲作用,提高了防雷效果。并设计了三级内部防雷措施,以及对接地电阻的选择。
[硕士论文] 樊东东
电气工程 安徽理工大学 2017(学位年度)
摘要:随着社会的快速发展,电力系统的发展呈现负荷持续增加、新能源接入占比扩大、调峰手段有限等方方面面问题,这些问题对我们的生活造成了非常大的隐患。各种要求比较高的电池储能系统已预算在电力系统建设中,电池储能系统在电力系统里的主要作用是削峰填谷进而缓解供电中用电负荷不稳定的矛盾、提高电网运行稳定性,安全性进而提高供电质量,有利于可再生能源的广泛应用。双向DC/DC变换器是整个电池储能系统的核心单元,双向DC/DC变换器的效果决定着着整个电池储能系统的质量。因此,对其进行研究有很重大的现实意义。
  本文以双极型储能系统中双向DC/DC变换器作为重点研究对象,查阅国内外文献,确定了储能系统设计的目标,选用非隔离型的双向半桥拓扑结构,详细介绍了BUCK,BOOST工作原理并利用状态空间平均法推导了其小信号模型为后面的控制器的设计作了铺垫。重点研究了蓄电池充放电的控制策略,利用电流环完成了对电池的恒流充放电模式的设计,利用外环电压环和内环电流环双闭环的设计实现了对电池的恒压充电,并设计了PI控制器的参数,最后利用MTALAB仿真软件搭建仿真模型进而验证了控制器参数设计的可行性。
  本文设计了系统中双向DC/DC变换器所需要的实际电路,包括主电路开关管的选型,储能电感和滤波电容参数值的设计,以及驱动电路和保护电路的设计方案。软件部分利用TMS320F28335数字信号处理器(DSP)设计主程序以及一些中断子程序,并设计了相关的程序流程图。
[硕士论文] 池志强
机械设计及理论 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:随着风力机技术的不断发展,单机大型化是风力机技术发展的必然趋势,然而单机大型化使得叶片柔性显著增加,在运转过程中柔性叶片会受到气动力、惯性力、弹性力等载荷的作用,多种载荷之间相互耦合,使叶片振动越来越剧烈,造成振动失稳,即所谓风力机的气弹失稳问题。目前,风力机叶片的气弹稳定性一直是风电技术领域研究备受关注的热点问题。其中,分析其在特定工况下的模态气动阻尼特性是目前的研究热点之一。本文在研究柔性叶片气弹时域响应特性的基础上,结合叶片模态参数识别方法,分别对大型风力机叶片在某稳态风速和随机紊流风况下的模态气动阻尼分析方法进行了研究。
  风力机叶片的阻尼包括结构阻尼和气动阻尼,即所谓的气弹阻尼。结构阻尼与叶片的结构与材料特性有关,而气动阻尼指气流作用于叶片并和叶片振动速率成正比,与振动速度相关的项。模态气动阻尼是指叶片各阶主振动模态对应的气动阻尼。在叶片运转过程中,如果模态气动阻尼为负值,意味着在振动过程中气动力对振动做正功,会加剧叶片的振动,进而造成叶片失稳。
  本文采用多体动力学理论和混合多体系统建模方法,并结合经过修正的叶素动量理论,建立柔性风力机叶片气弹耦合方程,并研究其数值求解方法。在求解气弹耦合方程得出叶片在某运行工况下的气弹响应基础上,结合柔性叶片振动模态参数包括模态频率、模态向量和模态质量等物理量的识别,对稳态风速模态气动阻尼采用振动能量损失法,即计算气动力在叶片振动周期内所做的功,导出了叶片模态气动阻尼比计算式,建立了叶片挥舞、摆振各阶模态气动阻尼比数值分析流程。对随机风速下的模态气动阻尼,通过对气动力进行泰勒展开,求解出气动力对速度的偏导数,从而得出随机风速下模态气动阻尼的分析过程和计算方法。
  以5MW风力机叶片模型作为研究对象,算例分析了5MW风力机模型叶片在多种工况下的一阶模态气动阻尼比,表明所建立模型和分析方法的有效性和可靠性,为大型风力机柔性叶片的气动阻尼特性和气弹稳定性分析提供有效手段。
[硕士论文] 艾永江
土木工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:风力发电是目前可再生能源利用较成熟的技术之一,我国风能资源丰富,自2010年起风电装机容量已位居世界首位,并计划2020年实现风力发电装机容量200GW。由于风机其工作环境相对恶劣,故发生在塔架连接段焊接接头处的疲劳断裂、塔架上的联结螺栓疲劳松动、塔架失稳倒塌等屡见不鲜,每年都导致了巨大的经济财产损失,制约着人们对风能的开发利用,风力发电塔架作为风电机组的支撑,一旦损坏会威胁整个风机、叶片等相关设备的安全。
  本文基于FLUENT(计算流体动力学软件,CFD)对某个1.5WM风力机组项目,开展风力发电机风荷载的数值模拟研究,进而用模拟得到的风荷载添加到风电发电机结构动力学有限元分析之中,通过ANSYS时程计算,用雨流计数法统计风电塔焊接处疲劳最危险点的损伤参量。最后使用调谐质量阻尼器(TMD)对风电塔进行减振研究,延长风电塔的疲劳寿命。主要的研究工作如下:
  1、基于S-A、K-Epsilon两种湍流模型对NRELPhaseⅥ风力机进行气动力数值模拟,计算了风速7m/s~25.1m/s共五个工况。风速7m/s与25.1m/s工况下,两种湍流模型计算得到的轴扭矩与实验误差不到10%;风速10m/s、13.0m/s与15.1m/s工况下,轴扭矩与实验误差不到20%。
  2、基于具体风电塔项目建立结构动力学有限元模型,根据GL2010认证规范,在瞬态分析中各段塔筒连接处满足极限强度要求。采用FAT112作为S-N曲线,利用雨流计数法提取临界损伤面上的应力循环,依据Miner线性损伤累积理论,得到塔筒的疲劳危险点处于第二段焊接节点处,塔筒疲劳寿命为18.14年,无法达到20~25年的使用寿命。
  3、利用ANSYS对不同频率比、质量比、阻尼比的TMD减振系统进行研究。使用不同减振评价指标时,减振设计参数的最优值有所不同。固定质量比为0.05,以位移、加速度分别为减振评价指标时,频率比最优值分别为0.80、0.95,阻尼比最优值分别为0.12、0.09;此参数下的位移减振率、加速度减振率为32.92%、29.34%,对结构最大响应的减振效果比较明显。
  4、TMD减振系统的减振对于塔筒疲劳寿命的延长有很大帮助,这归功于减振系统的工作能减小塔筒单元的应力幅值。在固定质量比为0.05时的最优延寿效果的减振参数下,塔筒的疲劳寿命为273.79年,寿命延长比15.09;这说明减振系统能使塔筒的疲劳寿命远大于20~25年的工作年限。TMD减振系统的质量比对减振效果影响较大,成正相关。如只需使塔筒的疲劳寿命大于20~25年,质量比为0.01即可,但因TMD行程的限制,需要采用阻尼比0.21以上的减振参数。
[硕士论文] 张婷婷
农业工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:风能取之不尽,用之不竭,是清洁、无污染的可再生能源之一,已经受到全世界的广泛关注。风力发电是风能利用的主要形式,风力机是将风能转化为机械能的重要设备。垂直轴风力机可以接受任意方向的来风而不需要安装对风装置、发电机和传动链安装在地面维护方便等优点备受关注。直线翼垂直轴风力机是典型的小型风力机,在农村用电、路灯、农田水利灌溉等方面具有重要作用。但是直线翼垂直轴风力机气动性能较水平轴风力机低,还需要进一步改进。该研究设计一种安装于直线翼垂直轴风力机叶片尾缘的弯板,利用弯板改变叶片表面的压力场和涡旋的分布,提高叶片做正功的转矩,减小叶片附近的涡旋损失,从而提高风力机气动性能。以NACA系列三种薄厚叶片风力机为对照,分别在薄厚叶片尾缘加不同长度弯板研究风力机性能的变化。采用数值模拟方法,基于RNG k-ε湍流模型,分析低尖速比下弯板长度对风力机气动性能的影响,并进行风洞试验验证。因此,本文主要研究内容包括以下三个方面:
  (1)弯板对风力机动态气动特性影响研究,通过数值模拟方法计算有无弯板风力机的输出转矩和输出功率,分析弯板长度对输出性能的影响,将得到的较优弯板结构风力机和原始风力机结构进行加工,进行风洞试验,在不同来流风速条件下,比较弯板对风力机动态气动特性改善情况。
  (2)弯板对叶片周围流场影响研究,计算在一个旋转周期内,风力机转矩系数随旋转角的变化情况,并对典型旋转角下的流场进行分析,探讨弯板改变输出转矩特性的机理。
  (3)弯板对风力机静态起动特性影响研究,通过数值模拟方法计算弯板对风力机在不同旋转角方位静止时起动转矩的影响,并进行风洞试验验证,同时结合流场进行分析。
  得到的主要结论如下:
  (1)低尖速比下在叶片尾缘加适当的弯板可以提高风力机的输出性能,弯板长度与翼型弦长比例要适当。在相同条件下弯板加在厚翼型叶片比在薄翼型叶片上风力机特性改善显著。(2)叶片尾缘加适当弯板可以提高风力机的起动性能,当旋转角在0~120°有无弯板风力机受到的起动转矩相同,但当旋转角在120~180°时有弯板风力机的起动转矩明显提升,且弯板的作用消除了反向转矩。同时弯板对厚翼型起动性能改善明显。
  (3)对NACA0024翼型有无弯板风力机通过风洞试验得出,叶片尾缘加弯板可以提高风力机的稳定转速。当风速为10m/s时有弯板风力机转速可提高245 r/min。
  (4)叶片尾缘加装适当弯板后可在某些旋转角下改变叶片上下表面的压力分布状态和流体流动情况,同时提高了该旋转角下的气动特性,从而改善整个风力机的性能。
  该研究通过数值模拟和风洞试验方法对弯板的有效性进行验证,结合流场分析了弯板提升风力机性能的机理。为通过改变叶片自身结构来提高风力机性能提供一种新的方法。
[硕士论文] 白荣彬
农业工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:为探究S1046、S809翼型叶片是否较NACA0018翼型叶片在起动特性和输出特性方面有所提高,文章选取了S系列非对称翼型S809和对称翼型S1046两种翼型进行了数值计算和风洞实验。
  主要研究内容如下:
  (1)不同翼型风力机的输出特性,其中包括功率系数特性与转速特性。采用了理论分析和数值计算相结合的方法,分析不同翼型的输出特性,并对得到的数值计算结果进行风洞实验,验证数值计算的准确性。通过对特征点的流场进行分析,得出三种不同翼型风力机输出特性变化的原因。
  (2)不同翼型风力机的起动特性,其中包括静力矩系数特性与自起动特性。采用了理论分析和数值计算相结合的方法,分析不同翼型不同方位角的风力机的静力矩系数,进一步将得到的数值计算结果进行风洞实验,验证数值计算的准确性;对三种不同翼型叶片在不同风速不加负载的状态下进行自起动实验,探究三种不同翼型叶片在自起动方面的优缺点。
  研究得到以下主要结论:
  (1)输出特性方面:在不同风速下,三种不同翼型的两叶片和三叶片风力机功率系数都随尖速比的增大呈现先上升后下降的趋势。相同风速下,S1046翼型两叶片风力机在尖速比达到1.2后,功率系数高于其他两种叶片。在尖速比为2.0时,达到最大功率系数;三叶片风力机在尖速比达到1.0后,功率系数高于其他两种叶片。在尖速比为1.8时,达到最大功率系数。通过计算获得的流场图表明,S1046翼型风力机内部流场较为规整,流线较为平滑,对流经叶片尖端和风力机内部的涡旋均有不同程度改善,一定程度上减少了能量损失,从而改善了风力机的输出特性。同时,S1046翼型两叶片和三叶片风力机在各个风速下的最高转速都高于其他两种翼型,起动时间也高于其他两种翼型。
  (2)起动特性方面:
  在风速为10 m/s时对三种不同翼型风力机进行了不同方位角的静力矩数值计算和风洞实验。总体趋势上来看,非对称翼型S809相对于其他两种对称翼型具有更大的静力矩系数。风洞实验结果与数值计算结果在整体趋势上具有良好的一致性,验证了数值计算的准确性。
  自起动实验中表明,S1046翼型两叶片和三叶片风力机在自起动方面都优于NACA0018翼型。两叶片S1046翼型在风速为6m/s时即可起动,S809翼型需7m/s,NACA0018翼型在9 m/s时才能起动。三叶片S1046和S809翼型在风速为6m/s时即可起动,NACA0018翼型在8 m/s时才能起动。
  研究通过数值计算和风洞实验的方法对三种不同翼型在输出特性和起动特性两个方面进行了分析,探明了更适合垂直轴风力机工作环境,更高输出特性和起动特性的叶片翼型,为之后的翼型研究提供参考。
[硕士论文] 吴志诚
农业工程;农业生物环境与能源工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:随着风电市场的迅速发展,适用于中小型风电市场的直线翼垂直轴风力机越来越受欢迎,然而目前直线翼垂直轴风力机仍然存在一些问题,如在低风速下难以自起动的状况以及其输出功率较低等问题,该研究为避免风力机结构复杂化,从风力机风轮结构出发,提出了一种具有偏心结构的直线翼垂直轴风力机风轮形式,通过增大叶片气动力对转轴的作用半径来改善风力机的起动性能和提高输出功率特性,并设置了6种风轮偏心量(0、10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm),制作了一台直径0.8 m、高0.5 m风力机模型,通过将数值模拟、力学分析和风洞试验这三种方法有机结合,主要从以下两方面研究:
  (1)偏心风轮结构对直线翼垂直轴风力机的起动性能影响研究。首先,通过风洞试验测试了6种具有不同偏心量的2叶片风力机和3叶片风力机在不同风速下的起动状况;然后通过数值模拟的方法计算了在10 m/s风速时,6种具有不同偏心量的风力机在旋转周期内的各个方位角下的静态力矩特性,从定量的角度分析偏心风轮结构的对风力机的起动状况的影响原因;并通过对风力机风轮进行受力分析,诠释偏心风轮造成风力机的静态力矩差异的原因,揭示偏心风轮的作用机理;最后从流场的角度展示了偏心风轮结构对风力机风轮附近流场的影响。
  (2)偏心风轮结构对直线翼垂直轴风力机的动态气动特性影响研究。通过风洞试验测试6种具有不同偏心量的2叶片风力机和3叶片风力机在不同风速下的转速特性,以及在10m/s风速下的输出功率特性,并挑选性能改善较好的偏心风力机和无偏心量风力机进一步测试其在各个风速下的输出功率特性,验证偏心风轮结构对风力机输出性能改善的有效性和普遍性。同时,通过数值模拟方法计算了风力机在运转过程中的动态力矩特性,模拟了具有不同风轮偏心量的风力机的动态流场情况。
  在该研究条件下得到以下主要结论:
  (1)偏心风轮结构对风力机起动特性有很大的影响,适当的偏心量可以消除风力机在某些方位角处的反向力矩,提高静态力矩系数,有效地提升风力机在低风速下的起动能力,同时使静态力矩系数波动变得平滑,但偏心量对风力机静态力矩的影响与方位角密切相关,在一些方位角处也起到负面效果。其影响机理主要由于是偏心结构改变了叶片气动力作用在旋转中心的位置造成的。因此,偏心量要适当,不能过小也不宜过大。
  (2)偏心风轮结构对风力机的动态气动特性有很大影响,主要体现在两方面:对于风力机的转速特性,无论是对2叶片风力机还是对3叶片的风力机偏心风轮结构对风力机的转速有很大程度的提升效果,适当的风轮偏心量能够使风力机在低风速下的转速达到甚至超过更高风速下的无偏心量风力机转速;对于风力机输出功率特性,适当的偏心量在低叶尖速比下和高叶尖速比下均可有效提高风力机的输出功率系数,在设置的6中偏心量风轮中,效果最好偏心量为L=30 mm,该偏心量下,2叶片风力机在测试设定最大叶尖速比时功率系数可较无偏心风轮风力机提高18%;而3叶片风力机在实验设定叶尖速比范围内达到了功率系数最大值,最大功率系数可较无偏心风轮提高20%。
  (3)该研究所提出的偏心风轮结构未添加任何附加装置,避免使风力机结构复杂化,在一定程度上有效改善直线翼垂直轴风力机的静态起动特性、转速特性和输出功率特性,并且使风力机在运转过程中的转矩波动变得平滑,提升了风力机在运转过程中的稳定性。说明了仅从风轮结构优化上也可提升该种风力机的性能,为今后风力机的设计和研发提供了新的思路。
[硕士论文] 高胜强
动力工程 东北电力大学 2017(学位年度)
摘要:随着近年来我国风电产业的飞速发展,发电用户对风力机的要求越来越高,这就要求风力机制造商生产出更高风能利用率的风力机。在我国翼型研制水平较低的大背景下,人们纷纷将目光投向了对风力机叶片的优化设计上并取得了一定的成果。本文使用Huent计算软件、采用S-A湍流模型和Simple算法对三维NACA0015叶片在低马赫数条件下施加定常吸气以及叶表加小圆柱的流场进行了数值模拟。
  首先,在三维条件下对空气绕流叶片的流场进行模拟,分析结果发现:与二维条件下的模拟结果有所不同,空气绕流三维叶片时虽然同样会在叶片尾部形成分离流动,但是叶片表面的分离涡以偶数个反方向渦对的形式分离叶片表面,并且分离涡沿着叶展方向是周期性变化的。
  其次,研究定常吸气对风力机气动性能的影响。研究发现在叶片吸力面分离点附近施加定常吸气可有效提高翼型升力、推迟叶片表面流动分离,翼型升力随着抽气孔长度的增大而升高;对三维叶片施加抽气控制存在最佳的抽气孔长I和抽气间隔d。
  最后,数值模拟叶表小圆柱对风力机气动性能影响。研究发现,当攻角为18°时,在距离叶片前缘0.1倍弦长、距离叶片表面0.04 m处设置直径为0.02 m的微小圆柱可以有效提高叶型升力、增加叶表流速、降低叶表压强、推迟叶片表面流动分离。叶片升力最大时对应的圆柱距叶片表面的距离随着圆柱直径的增大而增大,并且选取不同的圆柱直径时计算得到的最大升力基本相同。
[硕士论文] 李滨辰
电气工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着经济的不断发展,我国对各种化石能源的消耗不断增加、环境污染状况的日益严重,使得我国对新能源的需求越来越大。风电由于其蕴藏储量大、对环境基本无污染以及地区分布广泛的特点,越来越受到关注。但是在复杂地理环境下的风电开发过程中,存在着不易安装测风塔的问题,所以需要根据具体的地理环境,对风场地形进行建模与数值计算,以获得所需观测地点的风资源特性,从而为风力发电机微观选址提供参考,实现风能资源最大程度的利用与风力发电模式的最优化。
  本文研究了基于数值模拟的复杂地理环境下风资源的影响因素,主要内容有:
  (1)对风工程理论与计算流体力学(CFD)数值方法进行分析。分析了大气边界层风资源的主要特性,包括:风速剖面、湍流规范与不同地貌所对应的大气边界层的主要风场特性。同时,介绍了CFD基本控制方程,包括:质量守恒方程、动量守恒方程与能量守恒方程等三大守恒方程。介绍了控制方程的离散方法,包括:离散的概念与高阶空间离散。介绍了针对湍流数值模拟的四种方法。
  (2)以经典的贝尔山体模型为基础进行算例研究,重点从收敛性的判定,网格依赖性和湍流模型的敏感性进行分析,并通过对所建立的数值模型进行不断修正,将现场测量值、实验值、数值模拟结果进行对比验证,最终确认出一套适用于山地风场的数值模拟方法。
  (3)分析了 CFD数值模拟过程中,山体的表面粗糙度对山体整体风场特性的影响程度。进行了针对单山模型的模拟与计算,并分析了山体坡度对整体风场参数的具体影响。进行了双山模型中两个山体左右排列情况的模拟与计算,分析了山体坡度、山体间距对整体风场参数的影响。
  (4)利用 CFD方法并基于风切变系数对西南某地区山地风电场的实际地形进行的微观选址研究,分析复杂地形的风场分布,着重考察风机处的风切变系数变化,讨论了机位在该风场中安装的可行性,分析了风切变系数在机组疲劳设计阶段的影响。
[硕士论文] 叶彪
机械电子工程 汕头大学 2017(学位年度)
摘要:随着海上风电的迅猛发展,风力机大型化已经成为风电发展的必然趋势。海上风电现已有单机容量达到8MW,风轮直径达160m的巨型风电机组,未来风力发电机组的功率和直径将会越来越大。风力机尺寸的大型化,使叶片柔性增强,再加上风湍流和风切变,导致叶片局部不均匀性载荷增强;而传统的变桨控制调动整个叶片同步变桨的方式已经无法应对海上复杂多变的环境。因此,研究一种能有效降低大型风力机叶片载荷的控制技术,对延长风力机寿命和降低维护成本都有重要意义。
  针对叶片变形所产生的非定常气动载荷控制技术,在航天航空领域已有应用,称为智能叶片技术,即通过调整翼型的几何形状,改变叶片的几何形状和物理属性,达到优化翼型气动特性、降低叶片气动载荷的目的。智能叶片于20世纪80年代开始应用于水平轴风力机上,迄今为止,已经在风力发电领域中有广泛的应用。智能叶片主要由以下几个基本部分组成:控制器,传感器,制动器以及气动装置,目前尾缘襟翼是智能叶片概念中最具潜力的气动装置之一。
  本文首先采用Xfoil软件计算并分析了在NACA64618翼型后缘添加尾缘襟翼后对翼型气动参数的影响。然后,以美国可再生能源实验室(NREL)5MW风力机为参考风机,基于NREL系列的开源代码FAST及MATLAB/Simulink,在原参考风力机的控制模块上通过改进和重新编译源代码,添加了尾缘襟翼控制模块;并在此基础上结合基础控制器,独立变桨控制器在平均风速为12m/s的标准湍流风模型(NTM)和极限湍流风模型(ETM)风况下进行了模拟仿真。最后,为进一步提高尾缘襟翼降低整机载荷的能力,研究了尾缘襟翼参数:占弦比,偏转角度范围,展向位置和展向长度对整机载荷的影响。
  结果表明,本文设计的尾缘襟翼控制模块不仅可以在保证功率输出的同时,降低叶片载荷,也能有效的辅助变桨控制系统,降低桨距角的幅度,缓解变桨系统疲劳与磨损。通过研究尾缘襟翼参数对整机载荷的影响,以降低叶根挥舞弯矩为目的,选取了一组既可以有效降低叶片载荷,同时也能减少驱动能耗的尾缘襟翼参数,即尾缘襟翼占弦比为0.1c,偏转角度范围±10°,展向位置70.71%, 展向长度为23.8623%,以期为实际工程提供参考。
[博士论文] 王绍龙
农业工程;农业生物环境与能源工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:在风能利用高速发展的大背景下,如何提高风力发电机组的可靠性、可维护性和抵抗各种极端气候条件的能力受到了越来越多的关注,其中,适用于寒冷气候条件的风力机研究便是近年来风力机研发的一个重要方向,而结冰问题又是寒冷气候条件下的主要问题。风力机结冰是指在寒冷气候条件下空气中的液态水在风力机表面冻结并积累成冰的物理过程。叶片表面结冰后会降低翼型升力,增加阻力,导致风力机输如功率降低。叶片结冰会改变其载荷分布,影响结构强度与疲劳寿命;叶片上的冰块甩落也会带来安全隐患。针对水平轴风力机旋转叶片结冰分布进行研究,在参考国内外结冰研究成果的基础上,利用提出的准三维结冰数值模拟方法获得了大型风力机的结冰分布,构建了结冰风洞试验系统,试验获得了旋转叶片模型的结冰分布。主要工作及获得的创新性研究成果如下:
  (1)提出了适用于水平轴风力机旋转叶片准三维结冰数值模拟研究方法,并对水平轴风力机准三维结冰分布进行了数值模拟研究。借鉴飞行器二维云雾结冰计算理论与方法,依据风力机叶素理论工作原理,提出了风力机旋转叶片准三维结冰数值模拟研究方法。对在额定工况下运行的某1.5 MW水平轴风力机在不同环境温度、液态水含量、水滴粒子平均直径、结冰时间下的旋转叶片结冰进行数值模拟。得到的主要结论:
  1)利用该方法计算出了旋转叶片结冰分布,归纳出两种典型冰型,即流线型冰和角状型冰;叶片发生结冰区域在尖部前50%-70%;随着结冰时间增长,相同截面展向位置的翼型上的结冰类型不变,只在原有结冰形状的基础上不断扩大,单位时间内扩大量接近相等。当环境温度及液态水含量一定时可推测出该处翼型结冰冰型,而水滴粒子平均直径对结冰冰型影响较弱。环境温度越高,液态水含量越大,越容易形成角状型冰,反之环境温度越低,液态水含量越小,越容易形成流线型冰;液态水含量及水滴粒子平均直径越大,结冰区域越向叶片根部发展。
  2)建立了风力机不规则冰形评价方法,分析了环境温度、液态水含量及水滴粒子平均直径对结冰特征量最大结冰厚度、结冰面积及结冰体积的影响规律。该成果可为风力机结冰控制策略的开发与防除冰系统设计提供了有益参考。
  (2)设计新型利用自然低温的结冰风洞试验系统,并对其性能进行了验证。依托我国东北地区特有的持久稳定的低温环境,在实验室既有的常规开口射流式风洞的基础上,设计安装了喷雾系统和气道结构,形成了利用自然低温的结冰风洞试验系统。对结冰试验系统的试验段温度,流场均匀性,液态水含量和水滴粒子平均直径进行了测量,对不同工况下的玻璃钢叶片进行了固定叶片结冰风洞试验。
  得到的主要结论是:
  1)当外界温度稳定时结冰风洞试验段温度亦保持稳定,试验段风速分布较均匀,对于液态水含量分布,在试验段截面中心部分产生了较均匀区域,围绕中心区域形成多个相近的环形区域。喷雾系统产生的水滴粒子直径介于30μm~50μm之间,各项指标可在一定程度上满足风力机结冰试验需求。
  2)利用该系统测试了固定叶片结冰分布,并与数值模拟结果进行了对比分析。在攻角较小且液态水含量较小时,通过试验获得的冰形与数值模拟结果重合度较高。当液态水含量较大时,数值模拟虽然能够得到不规则冰形,但与试验结果偏差较大,表明数值模拟方法还不能完全计算所有工况下的叶片结冰,结冰风洞试验仍是当前风力机叶片结冰研究必不可少的研究方法。该试验系统的设计为风力机以及其它模型的结冰研究提供了新的试验手段。
  (3)研究了旋转风力机叶片段模型结冰分布规律。在现有利用自然低温的结冰风洞试验系统的基础上,增加了旋转叶片试验台,形成了旋转叶片结冰风洞试验系统。在一定的结冰工况下,对不同直径的圆柱和不同翼型的叶片段在不同转速条件下进行旋转叶片结冰风洞试验。得到的主要结论有:
  1)获得了旋转圆柱结冰分布规律,通过正交试验获得了旋转圆柱无因次结冰面积及无因次结冰驻点厚度的回归模型方程,其预测趋势与试验结果具有较高吻合性,为旋转叶片结冰研究提供了试验基础。
  2)对于旋转铝制叶片,总体来看,转速对结冰冰型影响明显,转速较低时结冰冰厚均匀,转速较高时叶片前缘结冰增加,尾缘结冰减少;结冰时间对叶片结冰冰型影响较小,但是随着时间的增加,结冰量增加。对称翼型与非对称翼型结冰冰形存在明显差异,非对称翼型会有前缘结冰与尾缘结冰同时存在的工况;无因次结冰面积、无因次结冰驻点厚度随结冰时间增加而增加,其他典型特征量变化较小;转速不同对结冰典型特征量影响明显,很大程度上决定其发展趋势;非对称翼型在一定工况下出现两个结冰区域,需要增加额外的典型特征量进行分析。
  3)对于玻璃钢叶片,其结冰规律与铝制叶片相同,通过正交试验获得了无因次结冰面积及无因次结冰驻点厚度的回归模型方程,在一定范围内模型与试验值重合性较高。该部分工作为大型风力机叶片结冰试验研究奠定基础。
  (4)研究了针对水平轴风力机旋转叶片结冰分布的相似方法,提出了一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统并进行了验证。分析现有结冰相似性研究的相关理论,利用旋转叶片结冰相似方法,提出了一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统,拓宽了结冰风洞试验参数范围,提高了结冰风洞的试验能力,并对旋转叶片结冰相似方法在风力机叶片结冰研究中的可行性进行了验证。
  得到的主要结论有:
  1)提出了一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统,在不改变结冰风洞试验段截面尺寸的前提下,提高了试验模型的圆周速度,使其能进行更多工况的结冰试验;对新结冰试验系统的各项参数进行测量,试验系统可满足旋转叶片结冰试验需求;对比了改进前后旋转圆柱及旋转叶片的结冰冰形,两者重合度较高,改进后的试验系统可进行旋转叶片结冰试验。
  2)验证了旋转叶片结冰相似方法在风力机旋转叶片结冰研究中的可行性,给出了霜冰及明冰状态下缩比为0.5和0.25时的试验参数,通过数值模拟获得了该试验参数下结冰冰形,与原始工况的结冰冰形相似度较高。利用风力机结冰相似方法,可以用翼型弦长0.21 m距转轴0.5 m的叶片段模型结冰分布预测弦长0.84 m距转轴38.1 m处的实际叶片翼型结冰分布,改进后的结冰风洞试验系统可对该相似试验工况进行试验。
  该研究属于风力机结冰领域相关研究的前期应用基础性研究,可为后续风力机灾害预测,结冰预警及防除冰系统的开发提供理论和试验基础。利用该研究获得的结冰分布规律,可以对该结冰工况下的风力机工作性能进行评估,为防除冰系统的设计与研发提供基础参数。利用该研究设计研制的结冰试验系统,可以对现有的风力机计算模型进行进一步的优化,对防除冰装置的有效性进行验证。通过该研究提出的一种偏心放置的绕轴旋转叶片结冰风洞试验系统,基于风力机叶片结冰相似方法,可以对实际风力机的全尺寸结冰分布开展进一步研究。
[博士论文] 陈亚琼
机械设计及理论 北京交通大学 2017(学位年度)
摘要:随着能源和环境问题的日益严峻,新能源的研究越来越受到各国的关注和重视。风能是无污染的可再生能源,也是地球上最古老的能源之一,具有蕴藏量大,分布广的优点。降低风力发电成本对现代风力机提出高性能的要求,针对这一问题,本文以风力机专用翼型参数化设计为基础,提出了一种风力机翼型、叶片以及聚能装置协同设计的方法,并系统研究了风力机的参数化表达、设计与分析理论。
  为实现风力机叶片的三维参数化设计与建模,建立了包含风力机翼型轮廓线以及弦长分布和扭角分布的混合参数化数学模型。综合翼型集成参数化理论与Bezier曲线拟合的混合建模方法,以拟合标准差最小为目标,对风力机翼型形状函参数的最优值进行了迭代求解,同时对弦长分布和扭角分布进行了修正和参数化表达,从而获得了更加光顺的风力机叶片外形。以某小型风力机叶片为例,通过用58个控制参数进行参数化建模,对应参数化表达的拟合风力机叶片在功率、载荷和噪声等变化曲线与原风力机吻合一致,符合收敛的精度的要求,为风力机叶片三维协同参数化设计提供了理论基础。
  为了得到拥有优良气动特性且低噪声水平的风力机专用翼型的轮廓线,提出了翼型多工况点多目标综合优化设计方法。基于叶片不同部位对翼型的特殊要求,建立了各自优化命题和求解方法,为低风速风场工况下的小型风力机叶片设计了一套具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型族。
  提高风力机功率系数是降低风力机发电成本的关键技术,为此提出了一种聚能风力机构型设计及其运行特性的优化设计方法。基于扩散器计算流体力学模型和叶素动量理论,推导了传统风力机与聚能风力机统一的气动性能计算模型。通过翼型、扩散器装置、叶片数和桨距角的协同优化配置得到了一种小型高效的聚能风力机叶片。与同等尺寸的传统风力机叶片对比,优化得到的聚能风力机的启动风速得到了有效降低,且年发电量为原风力机的1.96倍。
[硕士论文] 周统汉
电气工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:改善能源组成布局,是减轻环境恶化、建设绿色经济的重要措施之一。减小火电等高污染的发电规模,发展清洁能源势在必行。而风具有清洁、易获取、容量大的特点,使风力发电成为最具商业化潜力的清洁能源发电技术之一。近年来,风电虽然整体已经从补充能源形式逐步发展到替代能源阶段,但是风速与大气环境以及地形地貌呈高度相关性,并伴随着较强的间歇性和不确定性特征,给电网供电的安全性和可靠性,造成了不可忽视的负面作用。对风电场风资源特性的分析以及准确评估,是优化这一问题的行之有效的方案之一。建立有效可靠的风电评估模型,不仅可应用于风功率预测、发电计划修正,也适用于旋转备用估计。因此,对风电场风能资源特性分析与评估,为含风电的电网可靠安全运行,减小风电并网带来的波动,提供了有效的方法与思路。
  本文考虑大范围风电并网对电网的可靠安全运行的影响,基于不同时间尺度与空间尺度风资源的特性分析,对风功率波动特征、风场集群并网对电网的影响以及风场数据采集与特性分析系统平台的设计实现做了深入探究,主要内容如下:
  (1)对风力发电技术和风资源特性基础知识进行了深度的文献研究,围绕影响风功率的因素,建立了完善的风资源特性评估参数体系。并针对四川某复杂地理环境的风场实测数据,包括风场平均风速、平均风向、大气压强、温度、空气湿度等数据,根据评估需求进行修正、去伪、补充、整理,为验证模型准确性做数据支撑,并分析了复杂地形地貌对风资源特性的影响。
  (2)运用概率统计思想,基于实测风场风功率数据,先绘制出了风功率波动概率密度函数直方图,后给出了几种可能的单一先验分布模型,并建立评价模型准确度的指标体系,仿真分析了各个单一模型的拟合情况,计算了模型的各个指标值。
  (3)针对风功率波动特征,首先基于先验分布的参数估计方法,提出风功率波动混合Laplace分布分析模型,推导证明了模型的具体表达形式,然后建立了评估模型准确度的参数指标集,最后结合(1)中实测风场数据,分析复杂地理环境下,多个时空分辨率的风功率波动对电网冲击影响,并仿真拟合了多时空分辨率下的风功率的波动,验证了模型具有较好的适用性。
  (4)根据风功率波动模型以及风电的出力特性,对风场监控系统进行了方案设计。并通过可视化手段,编程实现风场数据采集与特性分析系统平台。
[硕士论文] 梁浩
电气工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着传统能源的不断减少,风能作为一种可循环利用的能源越来越受到人们的关注。对于风资源的利用,最普遍的是利用风机进行发电,将风能转化为人们可以直接使用的电能。在风电场中,当平稳的气流吹过风机叶片带动风力机转动,由于风力机的转动以及叶片的阻挡作用,在风力机下风向产生尾流效应。在尾流区域,所产生的湍流、涡流等现象,会影响下游风电机组的发电量以及降低风电机组的使用寿命,若控制不当,不仅降低风资源利用率,也会使得风电场的整体效益降低。本文针对风力机尾流效应影响风电机组功率输出的现象,从风力机推力系数的角度出发,在考虑尾流效应的影响因素下,提高风电场的总功率输出。主要研究内容有以下几个方面:
  (1)基于Jensen尾流模型,通过控制上游风机的推力系数,提高风电场风机综合出力,使得风电场风机发电功率达到最优。通过对比控制上游风力机的推力系数与无干扰控制两种情况下风电场模型中风电机组出力功率总和,提出控制风力机组在不同距离和不同风速下最佳的推力系数。
  (2)对尾流叠加的情况进行分析,得出尾流叠加模型和叠加后任意一台风力机处的风速,通过对风能利用系数与推力系数的拟合,将风力发电机的电功率输出模型进一步细化,得出其最终数学表达式。
  (3)对单台风力发电机进行了三维数值模拟,从流体力学角度解释了风力机的尾流效应。通过Matlab平台进行计算,从得到的数据结果分析说明了上游风力发电机所产生的尾流对下游风电机组的功率输出具有很大影响,验证了在计算风电场总电功率输出时考虑风力机尾流的必要性与重要性。
  (4)对串行风机的数量进行扩展,阐述了N台风机串行分布后,使输出电功率达到最大的计算方法。对风电场的风电机组排布进行了分析,在建设风电场时,考虑风力机的尾流影响,错列排布来减小其影响。
  本文最后通过开发风电场风机最优出力控制平台,为调节风力机推力系数提供原始数据和控制操作,将理论计算运用到实际控制中。
[硕士论文] 郑祖亮
机械电子工程 汕头大学 2017(学位年度)
摘要:塔架作为风力机组的主要承力部件,塔架的安全状况直接决定了整个风力机的安全性。随着风力机朝大型化方向发展,风力机塔架柔性已不容忽视。当塔高高于100m时,同等高度柔性塔架较刚性塔架重量大幅降低,有效的降低了塔架的生产和运输成本。但柔性塔架的大变形不仅会影响塔架自身的结构强度,还会影响风轮叶片的位置,影响整机的稳定性。因此,基于风力机组柔性经济性以及塔架大变形的考虑,研究柔性塔架的载荷和动态响应具有重要的工程实际意义。
  本文对风力机气动分析理论进行了调研,阐述了近海风力机风轮和塔架的气动载荷计算方法,为近海风力机气动载荷计算提供了理论基础。同时,介绍了常用的波浪理论,采用Morison方程计算塔架的波浪力。并利用FAST中的HydroDyn模块在JONSWAP波浪频谱模型的基础上对不规则波浪进行仿真,得到了波浪的速度和加速度参数。从而计算出了波浪力,为风力机塔架动态响应分析提供计算基础。
  本文详细阐述了柔性塔架的定义。以美国可再生能源实验室(NREL)5MW风力机塔架为参考,通过修改塔架的高度、壁厚、直径等特征参数,在ANSYS中建立了5MW风力机柔性塔架模型,并进行了模态分析,得出柔性塔架的固有频率和固有振型。
  利用FAST中的Areodyn和HydroDyn模块间的结合模拟风浪载荷的叠加,分别计算刚性塔架和柔性塔架在考虑波浪与否情况下的载荷响应。结果表明,相比钢架性塔,柔性塔架的塔底剪力在波浪载荷作用方向上变化幅度更大,在非波浪载荷作用方向上变化幅度明显减小;而柔性塔架的塔底弯矩正好相反,它在波浪载荷作用方向上变化幅度比刚性塔架更小,在非波浪载荷作用方向上变化幅度明显增大。
  为分析塔架在风浪载荷作用下的动态响应,将塔架简化为悬臂梁,并进行有限元离散建模。根据前面计算的风浪载荷数据,建立了柔性塔架结构动力学方程。同时,用Newmark法求解动力学方程,编制相应的计算机程序,得到柔性塔架的动态响应数据。将本文计算结果与FAST计算结果进行了对比,取得一致的仿真结果,说明本文模型的可靠性。此外,本文模型在计算塔架固有频率、修改塔架参数方面较FAST更便捷,具有一定的优越性。
[硕士论文] 刘健
雷电科学与技术 南京信息工程大学 2017(学位年度)
摘要:风力发电因其清洁无污染、可永续利用等优点在近数十年得到蓬勃发展,这种快速发展也伴随着日益严重的雷电灾害威胁。风电机组容量和规模的不断扩大增加了机组遭受雷击的风险,而风机叶片是最容易遭受雷击并发生损坏的部件。长度的增加、新型材料的使用更是为现代大型风机叶片的防雷保护提出诸多新的挑战。因此需要详细研究风机叶片的雷击特性,诸如叶片落雷点分布规律和雷击后暂态特性等为叶片接闪器布置、防雷分区和绝缘配合提供参考。
  文章分析了风机叶片遭受雷击后的损坏形式和损坏机理,讨论了现有叶片防雷措施及其不足之处;通过对现有风力发电机年预计雷击次数计算公式存在问题的分析,讨论提出改进计算方法;基于二维闪电先导随机模式,建立简化风机模型,对闪电先导与风机的连接过程进行了模拟。根据多次模拟结果分析闪电和风机连接过程形态,统计闪击距离和最后一条距离的区间分布,研究风机叶片落雷点分布规律。利用ATP-EMTP搭建风机叶片模型,分别计算叶片内嵌引下线、电缆线和采用碳纤维层压板时的暂态过电压和内部电场强度。研究得到的主要结论如下:
  叶片遭受雷击后产生破坏主要由于雷电流热效应和机械效应作用。风机叶片的旋转可能导致的回击雷和“Swept stroke”现象、对风机电晕放电可能产生影响、叶片表面污染导致的沿面闪络等进一步增加了叶片防雷的难度。
  现有IEC关于风机年雷击次数公式无法考虑风机转动过程中最高点的变化,也无法给出具体上下行雷击次数。本文提出的改进计算方法考虑风机转动最高点的周期性变化和上行雷击事件,计算结果与实际观测数据较为接近。当风机安装在山体上时,需要用风机等效高度替代其结构高度。
  二维闪电先导随机模式能够较好反映闪电发展和风机叶片接闪过程。闪电与风机的连接形态呈现多样性特点。闪击距离和最后一跳的距离区间分布跨度较大,除90°情况外,其余7种最后一跳距离主要集中区间一致,与雷电流幅值相关。风机叶片落雷点主要集中在距叶尖4m以内的范围,占所有雷击总数的98.50%,这也与实际观测数据相吻合。风机叶片旋转角度对落雷点分布存在一定影响,总的趋势是随着旋转角度的增大,落雷点越往叶尖部位集中。
  叶片遭受雷击后,引下线承受电位降可达MV量级;内部电缆线感应产生的电流幅值较小,但其与引下线间电位差沿叶片纵向衰减,二者间电场强度达几千kV/m,极易产生内部电弧;引下线和碳纤维层压板在叶片尖端和根部相连方式下电位差和电场强度远小于仅在叶片根部相连方式,电场强度减小至几kV/m。当叶片内部敷设电缆线时,需要尽可能拉大引下线和电缆线间距离;采用碳纤维层压板时可在叶片尖端和根部将其与引下线相连。
[硕士论文] 王农祥
农业工程 东北农业大学 2017(学位年度)
摘要:直线翼垂直轴风力机低风速下起动性差,组合型垂直轴风力机高尖速比下功率系数低的缺点是制约其发展的关键,为推动小型垂直轴风力机在小型离网型发电领域内的应用,保证其在牧区,海岛及农村能源领域内的易用性,该研究设计优化出一组椭圆叶片Savonius阻力风轮,并使其与直线翼垂直轴风力机结合,保证风力机在低风速时能自起动的前提下,使风力机能够获取更大的功率系数。
  为改善垂直轴风力机性能,该研究主要针对阻力风轮净重叠比,阻力风轮轮廓压缩比和阻力风轮与直线翼垂直轴风力机相对夹角这三个参数进行研究。该文所采用研究方法为数值模拟计算和风洞实验。
  该文首先对阻力风轮净重叠比进行数值计算,根据相关文献和前期实验结果,选取0,0.1,0.175,0.2,0.3这5种净重叠比进行计算,选取最优计算结果,在此基础上对阻力风轮轮廓压缩比进行计算,参数设置9组,在0.8~1.6之间进行。通过两次计算,确定阻力风轮模型参数,并将该阻力风轮与直线翼垂直轴风力机以不同夹角结合(0°,30°,60°,90°,120°,150°),探究相对夹角对组合型垂直轴风力机功率系数的影响关系。
  为探究阻力风轮对风力机输出功率特性的影响,该研究在6 m/s,8 m/s和10 m/s三种风速下,对组合型垂直轴风力机和直线翼垂直轴风力机进行数值计算,并对风力机流场进行了分析,同时对风力机模型进行风洞实验,验证数值计算的可靠性。
  为探究阻力风轮对直线翼垂直轴风力机转速特性的影响,该研究选取4~10 m/s范围内的7组风速,对组合型垂直轴风力机和直线翼垂直轴风力机转速进行了测量,探究阻力风轮对直线翼垂直轴风力机起动时间和稳定转速的影响。
  为探究阻力风轮对直线翼垂直轴风力机起动性能的影响,该研究在10 m/s风速下对组合型垂直轴风力机和直线翼垂直轴风力机的静力矩系数进行了数值计算,并对风力机流场进行了分析,同时对风力机模型进行风洞实验,验证数值计算的可靠性。
  通过数值计算和风洞实验研究,该文主要研究结果如下:
  (1)合理改变Savonius风轮的主要结构参数,可以有效提高组合型垂直轴风力机的动态输出特性和静态起动特性。该研究较优组合型垂直轴风力机结构参数如下:净重叠比OLn为0.2,阻力风轮轮廓压缩比k为1.4,阻力风轮与直线翼垂直轴风力机的相对夹角θ为0。
  (2)具有较优阻力风轮结构参数的组合型垂直轴风力机功率输出特性得到改善,稳定转速高并且起动性好,其在风速4 m/s时即可以实现自起动。
  (3)具有较优阻力风轮结构参数的组合型垂直轴风力机起动性能好,其平均静力矩系数较直线翼垂直轴风力机提升了158.6%。
  该研究验证了合理设置阻力风轮参数对组合型垂直轴风力机性能提升的有效性,为今后研究组合型垂直轴风力机阻力风轮参数提供了一个新的思路。
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