泛函分析思想在新型风力机叶片设计中的应用

考虑法向力和切向力的叶尖损失,推导并给出了一种改进的风力机轴向和周向因子的计算模型。结合最新设计的高性能风力机专用翼型系列,利用泛函分析方法,研究了风力机叶片展向弦长及扭角分布的泛函表达方法,提出一种新的通用叶片形状的广义泛函方程;考虑实际风场风速的概率分布,空气密度及工业界对风力机叶片的气动与结构设计要求,分别以定速运行方式和变速运行方式下风力机叶轮年发电量输出最大化为目标,以叶片展向分布函数系数为设计变量,建立了2.3MW风力机叶片优化设计数学模型;优化得到2组性能优越的风力机叶片。新叶片的捕风效率和年发电量都远远高于传统风力机叶片,其中,所设计定速叶片最大功率系数达到0.515 7,变速叶片最大功率系数达到0.517 7。     

叶尖结构变化对风力机噪声源分布特性的影响

为探究由水平轴风力机叶尖结构变化所造成的风力机噪声源分布特性的规律,利用圆盘声阵列系统对不同叶尖结构风力机采用近场声全息技术和远场波束形成技术进行噪声源识别.采集得到运行中的水平轴风力机在额定工况下的噪声信号,分析了噪声源声压级变化情况以及风力机噪声声源位置的分布规律.结果 表明:叶尖结构变化可以有效降低风力机的气动噪声,改变了风力机叶尖噪声的强度和产生位置,在一定程度上降低了叶尖噪声.通过对风力机叶尖结构的优化设计可以在不损害风力机气动性能的同时,实现较好的降噪效果.     

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。     

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%.     

叶尖开孔对风力机流场的影响研究

以NREL Phase VI叶片的1/8缩比模型为研究对象,在叶片叶尖区域设计由前缘到叶尖端面的3个环形通气孔,改变叶尖流场分布.采用CFD的方法,通过转速变化分析叶尖表面的压力分布情况及其叶尖涡的发展过程,进而研究叶尖开孔对风力机叶尖涡的影响.研究结果表明:转速低于900 r/min时,叶尖开孔对叶片气动性能影响不大;而转速高于900 r/min时,叶尖开孔可降低涡核强度,加速叶尖涡耗散,提高叶片气动效率.从环形通气孔中喷射的气流对来流有明显的抑制作用,能够减小尾流区内的轴向速度.在加速叶尖涡的耗散和降低叶尖涡的强度方面,风力机叶尖处开孔在转速超过900 r/min以上时被视为一种比较有效的设计.     

变风速下风力机叶片载荷特性研究

根据风力机的气动理论,并考虑风切变和风力机结构、几何参数的影响,建立了风力机叶片的气动载荷计算模型。以基本风速、渐变风速、阵风风速和脉动风速4种风速类型建立了变风速模型,并应用于叶片载荷计算模型,实现变风速下的叶片气动载荷的计算。以某MW级风力机为对象,给出了数值计算流程并进行了实例计算,结果显示:风力机叶片的气动载荷主要分布在叶片的中段和叶尖,且载荷大小随风速起伏变化,叶根的气动载荷随风速变化的趋势不明显,风速较大时,叶片上的载荷波动较为显著。结果可为叶片的结构设计和动力学分析提供参考。     

分布式等角螺线型垂直轴风力机的设计及性能分析

提出一种新型鹦鹉螺等角螺线垂直轴阻力型风力机,基于流体动力学分析软件,通过建立三维模型,对其气动特性进行研究;依据空气动力学的知识,模拟风力机与空气之间的流-固耦合,分析风力机的风速分布以及风轮受力等.建立了风轮的数学模型,并根据仿真中得到的转矩、风力机转速等参数作为发电机的输入,使用矢量控制的方法,建立永磁法电机的数学控制模型,得到发电机的电流、电压、功率等输出特性曲线.与实测得到的实验数据进行验证对比,验证了仿真数据的准确性,证实了新型风力机的可行性,为风力机结构优化设计及其发展提供了借鉴和参考.     

导流型垂直轴风力机气动特性的数值研究

分析了传统垂直轴风力机效率低的原因,并数值研究了带有导叶的导流型垂直轴风力机的气动性能.研究结果表明,导叶不仅可以有效地降低因来流对动叶轮吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,而且还有助于改善来流对动叶轮压力面的有效冲击,这些均使该风力机动叶轮的旋转扭矩得到显著增加.因此,导流型垂直轴风力机可以有效克服传统垂直轴风力机性能上的缺陷,有望提高其风能利用效率.     

双叉式叶尖结构对风力机气动噪声的影响

为降低风力机的气动噪声,提出一种用于小型风力机的双叉式叶尖结构改型设计方案,在风洞实验室开展了风力机外特性测试与气动噪声试验.试验结果表明:双叉式叶尖结构在3～9m/s的低风速段和中风速段能提高风力机的输出功率;双叉式叶尖结构可降低风力机风轮旋转基频所对应的最大声压级与叶尖涡脱落频率所对应的声压级.由此可知双叉式叶尖结构能有效降低风力机的气动噪声,其中叶尖夹角为90°的双叉式叶尖结构降噪性能最优.     

导叶对涡轮型垂直轴风力机气动性能的影响

针对传统垂直轴风力机效率低的缺陷,阐述带导叶垂直轴风力机的结构优势,并分析导叶对涡轮型垂直轴风力机的作用。应用计算流体力学理论,在设计风速12 m／s下,采用滑移网格技术及 k-ε 模型对有、无导叶两种涡轮型垂直轴风力机的气动性能进行比较。研究表明,导叶可以有效降低由于来流对逆风区叶片吸力面的直接冲击而造成的阻力扭矩,也会负面影响顺风区叶片的性能,但其负作用效果远不及在逆风区挡流降阻的正作用效果,故加导叶后风轮的性能会有很大提高。带弧线形导叶涡轮型垂直轴风力机最大风能利用系数可达0.24,具有工作范围广、最佳尖速比大的特点。     

风速梯度对风力机设计影响的理论分析

根据风速指数规律分布,采用三种计算过程,对风轮扫掠面积上的真实风功率做了定量计算.数值积分计算结果表明,在四类廓线指数、七种塔架高度情况下,风速梯度对气动设计影响甚微,采用风轮中心风速做为单一的设计风速是切实可行的.     

基于风速估计和风剪切的风力发电机组变桨距控制

为提高大型风力发电机组捕获风能的能力,改善其主要零部件受荷载情况,提出基于有效风速估计和风剪切的风力发电机组独立变桨距控制策略.以某5 MW变速变桨风力发电机组为验证对象,基于Bladed软件平台对传统统一变桨控制策略和独立变桨控制策略进行仿真比较.结果表明:相对于统一变桨距控制策略,独立变桨距控制策略不但能满足维持风力发电机组输出功率额定值稳定的要求,而且使发电机组主要零部件的受荷载情况得到明显改善.     

风电机组塔筒结构绕流风场的数值模拟研究

为研究风电机组塔筒结构的气动力特性,基于ANSYS软件,建立了塔筒结构的简化模型并对其进行绕流风场的数值模拟分析,主要探讨了塔筒结构表面风压分布特征,风场风速、湍流度及不同高度比对塔筒表面风压分布的影响.结果显示,圆锥塔筒结构背风面在绕流作用下沿高度方向由上向下形成连续几个回流区,导致背风面受到正压作用;不同风速只有对塔筒背风表面压力大小有较之明显影响,而对塔筒迎风面及侧风面压力大小影响很小;湍流强度对模型表面风压系数大小有不同程度的影响,随着湍流强度的增加,模型侧面(大部区域)、背风表面的压力绝对值相应减小;不同高度比对模型表面风压分布有显著影响.研究结论可为风力发电机塔筒结构的设计提供参考.     

Perspectives of China’s Wind Energy Development

Wind energy is a kind of clean renewable energy, which is also relatively mature in technology, with largescale development conditions and prospect for the commercialization. The development of wind energy is a systematic project, involving policy, law, technology, economy, society, environment, education and other aspects. The relationship among all the aspects should be well treated and coordinated. This paper has discussed the following relationships which should be well coordinated： relationship between wind resources and wind energy development, relationship between the wind turbine generator system and the components, relationship between wind energy technology and wind energy industry, relationship between off-grid wind power and grid-connected wind power, relationship between wind farm and the power grid, relationship between onshore wind power and offshore wind power, relationship between wind energy and other energies, relationship between technology introduction and self-innovation, relationship among foreign-funded, joint ventured and domestic-funded enterprises and relationship between the government guidance and the market regulation, as well as giving out some suggestions.     

不同结构参数下桥梁风障阻风性能试验研究

为探究不同结构参数对桥梁风障阻风性能,本文通过风洞试验,获取了不同构造形式的挡风障整体及局部流场分布规律。试验结果表明,不同风速下,桥梁风障后方折减规律一致。利用风速折减系数作为风障阻风性能评价指标,定量的分析比较了挖板圆孔式风障及障条式风障在不同风速工况下的阻风效果,发现安装桥梁挡风障后,车道上风速折减系数最低仅为裸桥工况的20%,同时对比分析了孔隙率、障条宽度等结构参数对桥梁风障阻风性能的影响规律,试验结果为桥梁挡风障的设计提供了理论参考。     

高速湍流风下漂浮式风力机系泊失效动态响应研究

以Barge平台5 MW风力机为研究对象,基于叶素动量理论、势流理论及有限元法建立平台气动−水动−系泊动力学模型,考虑风浪同向入射的最恶劣情况下的系泊失效,此时漂浮式风力机承受风浪载荷最大,系泊最易因疲劳及冲击载荷发生失效,对比分析高速湍流风与稳态风作用下不同位置系泊失效前后平台动态响应及系泊张力。结果表明,迎风浪侧系泊失效对多个自由度响应有显著影响,背风浪侧系泊失效主要影响纵荡、纵摇和艏摇响应,在高速湍流风作用下,平台瞬态响应加剧,横荡方向的漂移距离增加,纵荡波动幅值提高,迎风浪侧系泊张力最大值及平均值明显增大,且越靠近迎风浪侧系泊平均张力越大。因此,出于安全性考虑,平台系泊设计应考虑高速湍流风的影响。     

吉林省风能资源利用现状及弃风解决方案探讨

为有效应对吉林省风电发展中的弃风问题,对吉林省风能分布、利用状况进行综述,利用统计数据对吉林省风能资源特点及风力发电出力规律特性进行分析和总结,并提出具有可操作性的解决吉林省弃风问题的方案,力求构建吉林省新型能源消费结构,以新能源替代和抑制常规非再生能源的消费增长,为吉林省节能减排及低碳经济发展探索新思路。     

考虑风偏角影响的大跨径拱桥横向风荷载试验

依据某大跨径拱桥全桥气弹模型风洞试验,研究了不同风偏角下结构的横向风荷载响应。试验对模型的动力特性和静力刚度进行了测定,并采用紊流场模拟桥址处的风环境,进行了0°～90°风偏角下不同风速的试验。试验验证了该拱桥的气动安全性。数据分析结果表明:当风向为正横桥向时,桥梁结构的风作用处于最不利状态,结构关键位置随风偏角的增大而增大;斜风向下桥梁实际风荷载效应比采用三角函数分解方法叠加得到结构风荷载效应更为不利。     

矿井活塞风效应数值模拟

为研究活塞风对矿井通风系统的影响,运用Fluent移动参考网格建立数值分析模型,分析电机车牵引矿车在矿井井巷中运动时的矿井活塞风效应。结果表明:列车行驶前方为增压减速区,区内压力随距离的增大而减小,风速随距离的增大而增大。列车行驶后方先后存在减压增速区和增压减速区,两区内风速均随距离的增大而减小,减压增速区内压力随距离的增大而增大,增压减速区内压力随距离的增大先后存在一个增压和减压区。列车行驶前方和后方,风速和压力平面影响面积均随距离的增大而增大。列车中前部矿车活塞风风速较大。矿车内尾部、底部活塞风效应较强。     

Assessment of wind energy potential in China

China wind atlas was made by numerical simulation and the wind energy potential in China was calculated. The model system for wind energy resource assessment was set up based on Canadian Wind Energy Simulating Toolkit （WEST） and the simulating method was as follows. First, the weather classes were obtained depend on meteorological data of 30 years. Then, driven by the initial meteorological field produced by each weather class, the meso-scale model ran for the distribution of wind energy resources according each weather class condition one by one. Finally, averaging all the modeling output weighted by the occurrence frequency of each weather class, the annual mean distribution of wind energy resources was worked out. Compared the simulated wind energy potential with other results from several activities and studies for wind energy resource assessment, it is found that the simulated wind energy potential in mainland of China is 3 times that from the second and the third investigations for wind energy resources by CMA, and is similar to the wind energy potential obtained by NREL in Solar and Wind Energy Resource Assessment （SWERA） project. The simulated offshore wind energy potential of China seems smaller than the true value. According to the simulated results of CMA and considering lots of limited factors to wind energy development, the final conclusion can be obtained that the wind energy availability in China is 700 - 1 200 GW, in which 600 - 1 000 GW is in mainland and 100 - 200 GW is on offshore, and wind power will become the important part of energy composition in future.