大型海上风电场风机排布优化策略研究

为提升大型海上风电场的经济效益,得到合理的风机排布方案,提出了一种规则型排布优化策略,该策略通过对风电场内风机布局参数进行遍历取值,对各方案分别进行发电量计算,从而找出发电量最大的方案;同时,还提出了随机型迭代优化策略,该策略以最优规则型方案作为初始方案,通过不断调整尾流较大风机的位置,从而提升整个风电场的发电量。2种风机机位优化策略均采用Python语言实现,通过实际风电场监测数据的分析对比,验证了Jensen尾流模型可较准确预测海上风电场风机尾流损失,最后通过对Horns Rev2海上风电场算例进行风机机位优化分析,得出了在最优规则型排布方案中各排风机的连线均大致与主风向垂直,且随机型排布方案的年发电量可在规则型排布方案基础上平均提升约1.35%的结论。     

台风下风力机测风仪安装位置研究

海上风力机组风速风向的准确测量对台风期间海上机组的安全性控制具有重要意义,而布置于机舱上方的测风仪易受叶片遮挡,导致风速风向测量数据有误进而影响机组的安全控制。基于CFD技术开展了风向仪安装位置的研究,首先给出了台风的典型风参数特征,然后基于现运行机组进行了机舱上方风速风向的测量工作,验证了CFD仿真方法的可行性。接着研究了台风工况机舱上方风向的变化规律,结果表明,叶片的不对称性会导致迎风姿态下,对称风向工况下的流场呈现不对称性,而风向仪安装位置距离机舱平台越远,风向偏转程度越小。同时发现,单一风向仪难以完成所有风向的准确测量,需根据叶片方位制定测量方案,本文提出的测量策略可用于工程应用。     

扰流板对风电机组叶片三维气动性能影响的研究

对于风电机组叶片,由于大型叶片根部翼型较厚,易出现流动分离现象,为了提高叶片气动性能,利用雷诺平均方程(RANS),采用SST k-ω湍流模型进行了叶片三维气动性能的仿真模拟,并与Bladed软件的计算值进行对比,验证了该方法的可行性。仿真模拟结果显示：叶片根部压力面和吸力面压力曲线交叉,严重影响了叶片轴端的输出功率,而安装扰流板的叶片根部压力面流体速度呈梯度下降,压力增大,同时提高了吸力面的流速,从而增大了叶片两面的压力差。在低于额定风速条件下,扰流板可以提高叶片轴端的输出功率2.3%～2.5%,推力增长仅为2.0%;扰流板安装高度越高,其轴端输出功率提升效果越好。     

基于CFD的复杂地形风电机组机位微地形风资源数值模拟研究

  [目的]  在复杂地形进行风电机组建设时,机位点周围易形成高边坡地形,改变了风资源分布特征,影响机组发电量和安全性能,文章旨在研究高边坡地形的影响因素和预防其对机组的危害。  [方法]  基于STAR-CCM+软件平台对实际风电场机组高边坡地形进行了数值模拟,分析了立机位置选择、坡度、开挖深度等因素对机位处风资源参数的影响。  [结果]  结果表明:高边坡改变了原地形风的加速效应,产生大幅度的流体分离。当高边坡位于机组上风向时,机组下叶尖易产生较大的风切变,湍流强度超标,而高边坡在机组下风向时,机位处风资源参数则正常;高边坡的坡度大小对坡前立机风参数无显著影响;当下叶尖高度低于边坡高度时,机组位置下叶尖风速很小,切变值易超标。  [结论]  分析结果可为高边坡地形机组施工平台设计和塔筒高度选择提供参考。     

大型风力机叶片净空计算方法研究

风力机容量增长伴随着叶片尺寸和柔性不断增大,易引起叶片扫塔。以108 m长叶片为研究对象,对比了叶片气动载荷和结构响应多种计算方法,研究了叶片净空距离的影响因素。基于叶素动量理论BEM和计算流体力学CFD计算叶片载荷,同时采用多体动力学MED和梁有限元两种方法计算叶片的受载变形。结果表明,采用叶素动量理论BEM计算的叶片中段载荷比采用计算流体力学CFD值更大,且载荷整体分布更均匀,多体动力学MED比1D梁单元法模态分析结果更准确,但两者计算的叶片变形程度相当。叶片变形与载荷呈单调递增正比关系,随刚度增加呈减小趋势,因此,工程使用BEM方法结合多体动力学方法可用于大型叶片净空计算,计算值相对保守。     

海上风机单桩基础稳流冲刷数值模拟

目的  桩基础冲刷是海上风电场建设及维护期间面临的重要技术问题,浪、流等环境载荷作用下形成的冲刷坑会降低桩土结构的稳定性,对风机结构安全造成不可忽视的影响。 方法  采用CFD技术结合泥沙输运模型,针对稳流条件下,砂质海床上圆柱形单桩基础的冲刷问题进行数值模拟研究,通过对流动——冲刷非线性耦合问题的求解,观察了桩基础周围冲刷坑的发展过程,得到了冲刷坑深度的时变曲线。 结果  计算结果表明,冲刷坑深度在冲刷开始阶段迅速增加,随后冲刷速度逐渐变慢;在16 min的计算时间内,冲刷深度达到0.81倍桩径。 结论  根据冲刷深度的变化情况,认为对于处于砂质海床区域内的风电场,应当在基础施工期间考虑冲刷防护,通过增加防护结构等方法避免冲刷坑的出现和扩展。     

半直驱永磁风力发电机散热性能影响因素研究

目的  随着风力发电技术的发展,永磁风力发电机单机容量不断增加,发热功率也随之增大,发电机散热正面临前所未有的挑战,如何有效地解决发电机温升高、散热难的问题一直是我们研究的重点。 方法  文章基于STAR-CCM+软件平台建立了发电机散热-冷却一体化数值模拟方法,通过与实验值对比验证了数值计算方法的可靠性。在此基础上对大功率永磁风力发电机内部温度分布规律以及冷却系统散热性能影响因素进行了研究。 结果  在额定功率下,绕组、定子铁芯的最高温度出现在中层区域,工艺条件允许的情况下,冷却水管位置应尽可能靠近绕组,以带走更多的热量;增大发电机总进风量,可显著降低定子铁芯温度和绕组温度;进风温度与绕组、定子铁芯最大温度呈线性关系,进风温度每降低5℃,最高温度降低约1.4℃,降低进风温度可一定程度上改善发电机散热性能;进水温度与绕组、定子铁芯最大温度呈线性关系,进水温度每降低5℃,最高温度降低约3.3℃,降低进水温度可大幅提升发电机散热性能。此外,冷却水管与定子铁芯的间隙极大地阻碍了冷却水管的换热,在间隙中填充导热性能好的材料可有效改善发电机散热性能。 结论  文章所得结论可有效指导永磁风力发电机的散热设计,能够保障风电机组在正常工作中安全运行。