【正文】 最佳功率輸出隨轉(zhuǎn)速變化曲線如果發(fā)電機運行所需功率曲線與上圖曲線有較大偏差，即出現(xiàn)發(fā)電機的過載與欠載。因為轉(zhuǎn)矩T=P/ω，同一轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩與功率成正比。如圖425所示，發(fā)電機過載時，在最佳運行狀態(tài)下，風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機運行所需轉(zhuǎn)矩，則會引起風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，將會導(dǎo)致發(fā)電機的過載，甚至損毀。發(fā)電機欠載時，因為在最佳運行狀態(tài)下，風(fēng)力機的輸出轉(zhuǎn)矩小于發(fā)電機運行所需轉(zhuǎn)矩，會使得風(fēng)力機失速或者停止轉(zhuǎn)動[53]。圖425 發(fā)電機的過載和欠載綜上所述，如果發(fā)電機的負(fù)載曲線不能與風(fēng)力機的功率曲線非常接近，將會改變風(fēng)力機的工作效率。如果發(fā)電機和風(fēng)力機適配非常好，將不會發(fā)生過載和欠載，那么風(fēng)力機在任一風(fēng)速下均按最佳轉(zhuǎn)速運行，保持最大機械能輸出，發(fā)電機運行所需功率與風(fēng)力機的輸入功率相一致，風(fēng)能就能以最大效率轉(zhuǎn)化為電能。 發(fā)電機正常工作時的負(fù)載調(diào)節(jié)由上一節(jié)選定了與風(fēng)力機最佳輸出功率轉(zhuǎn)速相適配的發(fā)電機，發(fā)電機在工作時，可能因為負(fù)載的大小，影響發(fā)電機運行所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，使之大于或小于風(fēng)力機最佳工作狀態(tài)下的輸出轉(zhuǎn)矩，因此會影響風(fēng)力機轉(zhuǎn)速，從而影響工作效率。根據(jù)圖422在不同風(fēng)速下，功率輸出隨轉(zhuǎn)速變化曲線，可以得出風(fēng)力機在不同風(fēng)速下的最佳輸出功率與最佳轉(zhuǎn)速圖，如圖426所示：橫坐標(biāo)為風(fēng)速，縱坐標(biāo)為最佳轉(zhuǎn)速及此時所對應(yīng)的最佳輸出功率。圖426 最佳輸出功率與轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化圖根據(jù)式411可知，發(fā)電機運行所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載來改變，增加負(fù)載，則會增加發(fā)電機運行所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；減小負(fù)載，則會減小發(fā)電機運行所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。因此若在運行過程中，發(fā)現(xiàn)相應(yīng)風(fēng)速下的轉(zhuǎn)速高于圖426中的最佳轉(zhuǎn)速，則應(yīng)該增加負(fù)載，使得發(fā)電機所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩提高，從而將轉(zhuǎn)速降低，達(dá)到最佳工作轉(zhuǎn)速，提高風(fēng)能利用率；若轉(zhuǎn)速低于最佳轉(zhuǎn)速，則應(yīng)該減小負(fù)載，這樣使得發(fā)電機所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩減小，從而轉(zhuǎn)速升高，達(dá)到最佳工作轉(zhuǎn)速，提高風(fēng)能利用率。綜上所述，選定合適的發(fā)電機后，正常工作時，可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載來使得發(fā)電機在最佳轉(zhuǎn)速下運行，從而提高風(fēng)能利用率。 本章小結(jié)本章通過建立瞬態(tài)模型，用CFX軟件研究了工作狀態(tài)下各參數(shù)對于H型垂直軸風(fēng)力機的功率輸出、轉(zhuǎn)矩輸出、和風(fēng)能利用率等性能的影響，并研究了不同風(fēng)速下H型垂直軸風(fēng)力機的輸出性能以及選取與風(fēng)力機相適配的發(fā)電機，得出以下結(jié)論：(1) 在安裝半徑的選擇上，如果H型垂直軸風(fēng)力機需要很高的轉(zhuǎn)速運行情況下，可以適當(dāng)選擇小一些的半徑。若H型垂直軸風(fēng)力機運行對于轉(zhuǎn)矩要求比較高，則需要適當(dāng)選擇較大的安裝半徑。(2) 葉片弦長對于功率輸出峰值的大小影響較小，弦長的選擇影響功率輸出峰值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，還影響著取得最大風(fēng)能利用率相對應(yīng)的尖速比。若發(fā)電機運行需要較大的轉(zhuǎn)矩，則選擇較長的弦長；若發(fā)電機對于轉(zhuǎn)速要求較高，則選擇短的弦長。(3) 安裝角度的選擇對于風(fēng)力機的輸出性能的影響較大，總體來說，安裝角度選擇5176。時，H型垂直軸風(fēng)力機的功率輸出，轉(zhuǎn)矩輸出和風(fēng)能利用率均高于其他安裝角度。(4) 經(jīng)過計算研究，葉片數(shù)目一般選擇34枚葉片。2枚葉片時，輸出轉(zhuǎn)矩較低，需要高尖速比，會產(chǎn)生噪音和振動問題。5枚葉片時，不能很好的利用風(fēng)能資源，效率不高。(5) 隨著風(fēng)速的增加，H型垂直軸風(fēng)力機的輸出功率與輸出轉(zhuǎn)矩也隨之迅速增加，其中輸出功率的增長幅度比輸出轉(zhuǎn)矩的增長幅度大。(6) 把各風(fēng)速下的最佳工作點連接成一條曲線，即可得到風(fēng)力機最佳功率輸出隨轉(zhuǎn)速變化曲線。選取運行所需功率隨轉(zhuǎn)速變化曲線與之相接近的發(fā)電機，即滿足最大發(fā)電的要求，不會出現(xiàn)發(fā)電機的過載與欠載。發(fā)電機在正常工作時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速低于或高于最佳轉(zhuǎn)速時，可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載來調(diào)節(jié)發(fā)電機運行所需轉(zhuǎn)矩，從而使轉(zhuǎn)速提高或降低到最佳轉(zhuǎn)速，從而獲得最大的風(fēng)能利用率。第五章 垂直軸風(fēng)力機尾流特性研究第五章 垂直軸風(fēng)力機尾流特性研究風(fēng)場中許多風(fēng)力機排布在一起，下游的風(fēng)力機必將處于上游風(fēng)力機的尾流中，處于尾流中的風(fēng)力機的輸出功率會受到影響，進而降低整個風(fēng)電場的總電能輸出。研究上游風(fēng)力機尾流對下游風(fēng)力機的影響是為了更好的在風(fēng)電場中排布風(fēng)力機，盡量減小尾流效應(yīng)對下游風(fēng)力機的影響，提高風(fēng)電場的發(fā)電量，使達(dá)到最佳經(jīng)濟效益。 尾流的形成機理在風(fēng)場中，當(dāng)來流通過風(fēng)力機時，來流會對葉片施加一個旋轉(zhuǎn)力矩，作為反向力，葉片也會對周圍的空氣施加一個大小相等、方向相反的力矩。受這個力矩的影響，葉片后方的空氣會沿著葉片運轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)。因此，葉片后方的空氣會受到兩個不同方向力的作用，一個沿著來流方向，另一個沿著旋轉(zhuǎn)的切向方向，這兩個力的合力形成了風(fēng)力機的尾流，下風(fēng)方向上的空氣會形成很多渦流。因為空氣中的大氣分子流動具有不確定性，這樣渦流在下風(fēng)方向上會橫向擴展，這種擴展會在風(fēng)力機下風(fēng)方向上很遠(yuǎn)的距離保持下去，下游區(qū)域的風(fēng)力機受到渦流影響，其輸出功率會出現(xiàn)一定程度的下降，這種現(xiàn)象被稱為風(fēng)力機尾流效應(yīng)。 工程實例本文以瑞典法爾肯貝里市的200kW垂直軸風(fēng)力機(圖51)為原型，按照真實的空間排布進行數(shù)值模擬[54]。這是首次將一組四個垂直軸風(fēng)力機建在同一地區(qū)，每兩個風(fēng)力機間隔140～150m。圖51 法爾肯貝里市的200kW垂直軸風(fēng)力機該風(fēng)力機主要技術(shù)參數(shù)如表51。表51 遠(yuǎn)場尾流分析風(fēng)力機技術(shù)參數(shù)風(fēng)機類型塔筒高度H(m)風(fēng)輪直徑D(m)葉片長度L(m)結(jié)構(gòu)翼型結(jié)構(gòu)弦長(m)結(jié)構(gòu)高(m)葉梢翼型葉梢弦長(m)安裝角β(176。)葉片數(shù)HDarrieus402624NACA002512NACA0018103 尾流特征仿真模型 風(fēng)力機分布本章首先運用上一章的CFD計算方法算出單機輸出功率，然后再根據(jù)瑞典的法爾肯貝里市(Falkenberg)風(fēng)力機真實空間排布進行遠(yuǎn)場尾流的影響分析計算。布置如圖52所示，兩次計算分析中，計算域尺寸相同。(a)單機風(fēng)場 (b)雙機組前后排布圖52 垂直軸風(fēng)力機風(fēng)場地分布示意圖 網(wǎng)格劃分與邊界設(shè)定對上述采用相同的六面體網(wǎng)格單元對流場進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，圖53為雙機組前后排布的網(wǎng)格劃分效果圖，單機流場區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為210萬，雙機組流場域網(wǎng)格節(jié)點數(shù)約為330萬。圖53 雙機組前后排布的網(wǎng)格劃分效果圖計算邊界條件設(shè)定為：(1)：計算區(qū)域入口處給定進口總溫、軸向速度與湍流強度；(2)：計算區(qū)域下游出口給定平均靜壓；(3)：葉片表面及流場底面設(shè)定為無滑移邊界，流場頂面和兩側(cè)設(shè)定為對稱邊界；(4)：靜止域與旋轉(zhuǎn)域交界面設(shè)定相對旋轉(zhuǎn)邊界。在大氣邊界層中，由于受到地面摩擦的影響，平均水平入流風(fēng)速會隨高度而發(fā)生變化，即存在風(fēng)剪切效應(yīng)。涉及到風(fēng)速梯度的計算，可以采用對數(shù)律分布或者指數(shù)律分布[55]。(1) 對數(shù)律分布在低層大氣層中，風(fēng)速梯度的計算可采用普朗特(Prandtl)對數(shù)律分布。 (51)式中 為高度z處的入流風(fēng)速； 為摩擦速度； κ為卡門常數(shù)，； z0為地面粗糙長度，不同地面的z0值見表52所示：表52 不同地表面的粗糙長度地形水面區(qū)域開放的平地郊區(qū)小城鎮(zhèn)大城區(qū)z0/m～～～～2～3當(dāng)?shù)孛娌紳M樹木或者建筑物時，要將其平均高度處的風(fēng)速視為0，這樣對式(51)進行修正，即 (52)值與空氣粘滯系數(shù)、入流風(fēng)速、以及地面粗糙長度相關(guān)，(為建筑物或樹木的平均高度)。(2) 指數(shù)律分布目前在風(fēng)力機工程和建筑工程中，大多數(shù)工程的平均風(fēng)速梯度計算中采用指數(shù)分布律方法[56]。本文在H型垂直軸尾流效應(yīng)計算中也采用指數(shù)率分布來表示風(fēng)速梯度。風(fēng)速梯度的指數(shù)律分布可表示為： (53)式中：為高度處的入流風(fēng)速；為參考高度處的入流風(fēng)速；α為赫爾曼(Hellman)指數(shù)。赫爾曼(Hellman)指數(shù)α值與地形和地表面的物體有關(guān)。在我國，一般分為四類[57]：第一類是指開放的水面或岸邊地形，取=；第二類是指比較稀疏的定居點以及丘陵地帶，取=；第三類是指居住稍密集些的城鎮(zhèn)地區(qū)，取=；第四類是指人口密集的城市地區(qū)，取=。圖54 不同赫爾曼(Hellman)指數(shù)下的風(fēng)速梯度圖54給出了不同赫爾曼(Hellman)指數(shù)下的風(fēng)速梯度。由圖中可以得知，隨著高度的增加，入流風(fēng)速也在增加。在不同赫爾曼(Hellman)指數(shù)下，風(fēng)速增長的快慢不同。赫爾曼(Hellman)指數(shù)越小，即地貌越平坦，風(fēng)速越快達(dá)到最大入流風(fēng)速，即風(fēng)速不再受到地表面的影響。本文采用的風(fēng)速是根據(jù)我國烏拉特后旗風(fēng)場測風(fēng)塔70m高度處年平均風(fēng)速測定結(jié)果，設(shè)定式(56)中zs=70m，V(zs)=，=[58]。經(jīng)過CFX編輯邊界條件公式：LIBRARY: CEL: amp。replace EXPRESSIONS: Uinf = [m/s] Vprofil = Uinf*(z/hight)^ hight = 70[m] tt = (1/12)[s] END ENDEND圖55為計算域入口設(shè)定風(fēng)速隨高度變化示意圖：圖55 計算域入口處風(fēng)速隨高度變化梯度 計算結(jié)果與分析為精確模擬風(fēng)力機遠(yuǎn)場尾流的影響，應(yīng)使進口氣流經(jīng)過上游風(fēng)力機所產(chǎn)生的湍流和速度場在空間與時間上充分發(fā)展。根據(jù)風(fēng)力機計算域尺寸和風(fēng)速，設(shè)定風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)12圈為一個計算模擬過程，葉輪每旋轉(zhuǎn)5176。為一個計算步進行瞬態(tài)計算。圖56為圖52中三臺風(fēng)力機在轉(zhuǎn)速為20rpm下輸出功率輸出穩(wěn)定后截取其中一段輸出轉(zhuǎn)矩圖。由圖可見：圖52 (a)和圖52(b)上游風(fēng)力機輸出轉(zhuǎn)矩峰值輸出相近，約為38000 Nm。然而，圖52 (b)下游風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩輸出峰值與谷值均低于圖52 (a)中風(fēng)機轉(zhuǎn)矩。圖52 (b)中下游風(fēng)力機由于上游風(fēng)力機尾流影響，轉(zhuǎn)矩峰值輸出具有一定的波動，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，轉(zhuǎn)矩峰值約為30000 Nm。、。處于上游的風(fēng)力機的輸出功率受下游風(fēng)力機的影響較小，與單獨風(fēng)力機的輸出功率基本一致，而下游風(fēng)力機輸出功率減少17%左右。Z0圖56 遠(yuǎn)場尾流分析中風(fēng)力機轉(zhuǎn)矩輸出圖57 單機模擬尾流切片云圖圖57為單個風(fēng)力機在工作狀態(tài)下，尾流中速度云圖切片。圖中，越往下風(fēng)向，尾流影響逐漸減小，風(fēng)速變化梯度逐漸趨于平緩。然而在風(fēng)機下游200m的范圍內(nèi)風(fēng)速尚未完全恢復(fù)。風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)方向為逆時針(俯視)，尾流影響區(qū)域逐漸向風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)相反的方向偏移即Y的正方向。圖58 雙機組速度云圖及功率流分布圖58為雙機組串列排布時，流場穩(wěn)定后縱向切片和橫向切片速度云圖，以及葉輪前后掃風(fēng)面積(LD)內(nèi)功率流隨流場縱向位置變化示意圖。圖中，隨著距離的增加，風(fēng)速梯度特征逐漸不明顯。上游風(fēng)力機尾流在到達(dá)下游風(fēng)力機位置時迅速向下發(fā)展，勢必對風(fēng)機葉片靠近地面部位氣動特性造成影響。而下游風(fēng)力機尾流由于沒有遇到障礙物，呈水平狀，并在后方250m處恢復(fù)常態(tài)。從橫向切片可看出，上游風(fēng)力機尾流對下游風(fēng)力機兩側(cè)的影響存在差異，同時可看到，在整個計算域內(nèi)，尾流都有沿風(fēng)輪轉(zhuǎn)動方向相反的方向延伸。功率流由表達(dá)式在風(fēng)輪正前后面積為LD的截面上積分算得。在CFX里可通過編輯公式監(jiān)測得到：Power = areaInt(*Density*Velocity in Stn Frame^3)@area1計算域入口由于存在風(fēng)速梯度。圖中，功率流在風(fēng)力機旋轉(zhuǎn)域內(nèi)快速下降。下游風(fēng)力機由于處于上游風(fēng)力機尾流區(qū)域內(nèi)并且由于自身對氣流的阻擋。圖59 雙機組串列排布時湍動能切片云圖圖59為雙機組串列排布時，風(fēng)力機功率輸出穩(wěn)定后某一時刻湍動能切片云圖。圖中，湍流集中在旋轉(zhuǎn)葉片上下端處。因此對垂直軸風(fēng)力機葉片上下端形狀進行改善可削弱湍流的強度，對于維持垂直軸風(fēng)力機長期可靠運行和提升功率輸出有切實重要的意義。隨著下游距離的增加，葉片上下端處產(chǎn)生的湍流逐漸向轉(zhuǎn)動軸線處靠攏，且葉片上端的湍流逐漸稀釋，下端處湍流先增強后削弱，并擴散。下游風(fēng)力機葉片下端在Y軸的正半軸處遭遇湍流。該處湍流的存在影響下游風(fēng)力機功率輸出，并且不均勻的氣動變化易加劇該處葉片與主軸連接處的疲勞荷載。結(jié)合上述結(jié)論，建議該類型垂直軸風(fēng)力機在空間排布上，風(fēng)力機空間距離間隔設(shè)定為200m以上。在盛行風(fēng)的方向，兩風(fēng)力機避開串列排列，下游風(fēng)力機沿上游風(fēng)力機轉(zhuǎn)動方向移動大約兩個機身直徑的距離。 本章小結(jié)本章通過介紹瑞典法爾肯貝里市工程實例、并引入風(fēng)速梯度概念應(yīng)用于入口處風(fēng)速，建立了單機與雙機前后排布的模型，分析了上游風(fēng)力機尾流對于下游風(fēng)力機的影響，得出適用于本文所模擬風(fēng)場的以下結(jié)論：(1) 尾流分析時，引入風(fēng)速梯度概念，垂直方向上風(fēng)速呈梯度分布，比較切合實際入流情況，根據(jù)該風(fēng)力機在瑞士Falkenberg市的真實空間排布，下游150m處風(fēng)力機在上述工況下穩(wěn)定后計算輸出功率下降約為20%。(2) 上游風(fēng)力機尾流在下游150m依然有較強影響。上游風(fēng)力機對下游風(fēng)力機產(chǎn)生的湍流集中在葉片右下半部(前視圖)。因此，建議該類型垂直軸風(fēng)力機在空間排布上，空間距離間隔設(shè)定在200m以上；在盛行風(fēng)的方向，兩風(fēng)力機避開串列排列，下游風(fēng)力機沿上游風(fēng)力機轉(zhuǎn)動方向移動大約兩個機身直徑的距離。第六章 總結(jié)與展望第六章 總結(jié)和展望本文針對H型垂直軸風(fēng)力機運用CFD技術(shù)采用穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計算進行研究，主要研究了靜態(tài)啟動性能和動態(tài)捕獲風(fēng)能的性能，以及選擇與風(fēng)力機性能相適配的發(fā)電機，另外還研究了風(fēng)場中尾流對風(fēng)力機輸出的影響。通過模擬計算得出以下結(jié)論：(1) 葉片的安裝半徑越大，自啟動性能越好。正常工作時，輸出轉(zhuǎn)矩也較大，但是轉(zhuǎn)速沒有小半徑葉片的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速高。風(fēng)力機要求高轉(zhuǎn)速則選擇較小的安裝半徑，要求轉(zhuǎn)矩高，則選擇較大安裝半徑。(2) ～，啟動轉(zhuǎn)矩增長較快，啟動轉(zhuǎn)矩隨葉片弦長增加的幅度明顯減小。正常工作時