同轴反桨双风轮垂直轴风力机气动特性分析

对一种新型同轴反桨双风轮垂直轴风力机的气动特性展开研究,采用计算流体动力学方法对双风轮风力机进行了动态分析,并通过求解三维非定常N-S方程,得到风力机的气动载荷,与实验对比验证了该方法的有效性。研究结果表明:当尖速比为4时,同轴反桨双风轮垂直轴风力机下风轮相对于单风轮风力机的功率系数提高0.3%,而上风轮功率系数则提高3.2%;双风轮风力机尾流速度亏损大于单个风力机尾流速度亏损,在风场布机中有较大优势。当尖速比为4时,同轴反桨双风轮风力机内部复杂的涡流变化比较剧烈,其对风力机尾流变化也会产生较大的影响,此外,同轴反桨双风轮风力机内部的叶尖涡变化没有单个风力机内部叶尖涡变化明显。     

上游风力机倾斜尾流对下游风力机气动特性的影响

为了研究上游风力机倾斜尾流对下游风力机气动特性的影响,基于Open FOAM开源软件,使用大涡模拟和致动线相结合的数值方法。通过改变上游风力机偏航角,使其尾流发生倾斜,对2台风力机的总功率输出和下游风力机的气动特性进行研究。研究表明:随着上游风力机偏航角的增大,2台风力机的总功率先增大后减小。当偏航角为30°时,2台风力机总输出功率最大,相比上游风力机未偏航时总功率提高了23.6%;下游风力机风轮气动载荷的平均值增大,振幅先增大后减小,并且气动载荷的变化与风轮的3倍转频相关;风轮叶片不同截面处的轴向力和切向力先增大后保持不变,力的最大值对应的方位角区间在逐渐增大,最小值对应的方位角区间在逐渐减小。此结果可为探究提高风力机功率输出的方法和复杂入流条件下风力机气动特性的研究提供参考。     

基于虚拟叶片模型的阵列风力机尾迹研究

研究考虑尾流效应的风电场气动控制策略优化技术,减少风电场尾流效应,是当前风电技术研究的热点之一。基于VBM模型研究了1.5 MW同轴阵列风力机和9台错列或顺列布置风力机的尾流效应及气动偏航控制策略。通过调整风机偏航角度,改变尾流流动方向,得到了偏航角度对上下游风力机性能及全场功率水平的影响。研究发现,偏航控制可将尾迹偏离下游风轮中心位置,对上游风力机使用基于偏航的控制策略尾迹偏移效果显著。对于同轴阵列风力机,当上游风力机使用偏航控制时,上游的输出功率减小,但下游的输出功率增大,25°偏航控制时,下游风力机功率可增大59.1%。     

H型风轮流动控制的实验研究

为了提高H型风轮的气动性能,将上游来流引入叶片尾缘并在尾缘缝隙形成射流的被动流动控制方法应用到H型风轮并在低速风洞进行风洞实验,得到了原型风轮与流动控制下风轮的基本气动性能。实验结果表明:原型风轮的气动性能系数(扭矩系数Cm、风能利用系数Cp)均随着尖速比λ的增大先增大,在尖速比λ1时取得最大值,然后再减小,随着来流风速的增大,气动性能系数增大,且气动性能系数最大值对应的尖速比λ增大;相对于原型风轮,流动控制下风轮的气动系数均有提高,尤其是尖速比λ1.2,气动性能系数显著增加,随着来流风速的增大,流动控制效果减弱,在尖速比λ1.2时,流动控制效果减弱明显。     

椭圆叶片Savonius风力机叶轮气动性能数值计算

为提高 Savonius 风力机叶轮的风能转化效率,提出椭圆叶片 Savonius 风力机叶轮方案,并通过非定常流体动力学数值计算分析了不同尖速比下叶片扁度对叶轮的气动特性的影响。计算基于雷诺时均的 N-S 方程,湍流模型采用RNG k-ε模型,利用滑移网格技术模拟叶轮的转动,通过网格无关性和湍流模型验证分析验证所采用数值方法的有效性。研究结果表明：随着扁度减小,叶片最大力矩系数增加,而最小力矩系数减小;扁度为0.72的叶轮的最大平均功率系数最大(0.2650),相比常规Savonius叶轮增加5.84%。     

基于单机最优功率曲线拟合的多场景风电功率预测方法

风的时变和间歇性制约风电与负荷的实时能量平衡,准确的功率预测有助于风能成为可调度能源。针对风电不确定性问题,提出了基于单机最优功率曲线拟合的多计算流体力学(CFD)场景风电功率预测方法。首先,离散求解大气物理运动方程,并建立能反映风电场流体分布的CFD加速比矩阵。其次,针对风轮旋转尾流效应,提出了参考风轮推力系数的自由与带有激盘模型流场的变权重CFD组合预测。最后,提出了一种利用经过尾流修正风电机组自身风速计数据的迭代风电功率曲线拟合方法,以贡献率为判断指标,迭代剔除坏点并拟合单机最优功率曲线。实际算例结果证明所提方法可以有效提高功率曲线拟合和预测精确度。     

风力机风轮气动性能三维流场数值模拟

数值试验方法可为选择最佳形状风轮翼型和风轮尺寸,使风力机具有优异的空气动力特性提供试验依据。完善并依据计算流体动力学理论和相似理论,以风力机风轮作为研究对象,研究数值试验技术。建立考虑地形和风剪切效应影响的风电场风速湍流数学模型,利用相似理论构建风电场三维数值试验,并通过计算流体动力学软件Fluent实现,用户自定义函数(user-defined function,UDF)技术定义风力机动态风速及数值试验边界条件。研究风力机风轮的气动性能,模拟风轮在空气动力作用下的风轮表面压力、风轮转速、力矩时程等气动力作用参数。研究结果表明:利用数值试验和现场实测2种方法得到的风轮气动动态特性随时间的变化趋势具有相似性。     

尾流效应和风特性对双馈风机LVRT的影响

对双馈异步风力发电机(DFIG)低电压穿越能力的研究普遍基于额定风速,为了使研究更加准确,考虑了风电机组间的尾流效应和不同类型的风特性,建立了尾流效应模型、4种风特性模型和风电场模型,仿真了DFIG在不同情况下的低电压穿越能力。结果表明,尾流效应在一定范围内会降低风电机组的有功功率、增加无功功率补偿,并抑制直流母线电压振荡的幅值,提高DFIG低电压穿越能力;相同幅值的风特性,渐变风输出的有功功率最大,阵风引起的有功功率振荡最剧烈,渐变风、随机风引起的直流电容电压振荡幅值较大。     

风电场尾流分布计算及场内优化控制方法

对于已建风电场,减少尾流效应,提高风电场整体输出功率,是风电场优化控制的目标之一。文中分析了风电机组状态参数变化与输出功率、尾流分布间的耦合关系,建立了尾流与风轮交汇面积的计算方法,以及多台风电机组尾流的叠加模型。针对不同来流风向及来流风速下风电场尾流分布的不同,提出了一种风电场尾流分布计算方法,用于计算每台风电机组位置处的风速;基于该尾流分布计算方法,以风电场整体输出功率最大为目标函数,轴向诱导因子为优化参数,粒子群算法为优化算法,建立风电场优化控制模型。以丹麦Horns Rev风电场为研究对象,进行计算分析,结果表明:风电场尾流分布计算方法能够准确计算风电场尾流分布,风电场优化控制方法能够提高风电场整体输出功率。     

尾流效应对风电场机组功率特性影响的研究

针对影响风电场机组功率输出的问题,通过实地考察,选择合适位置安放测量装置,并结合GB/T 18451.2—2003功率特性测试标准进行测试研究,分析不同区域内的风速和风功率输出特性。结果表明:风电机组之间的尾流效应,降低了风电机组的风能利用系数,影响了风电机组的功率输出;因此,在建设风电场时,应充分考虑风电机组之间的距离,尽量减少尾流效应对风电机组的影响。