自動變槳距立軸風力機功率模型研究

自動變槳距立軸風力機功率模型研究

0變槳距立軸風力機風能發(fā)電是風能應用的主要形式之一。水平軸風力機和垂直軸風力機是風氣發(fā)電的兩種基本形式。水平軸風力機由于風能利用系數(shù)較高成為目前的主流風力機,并已得到大規(guī)模發(fā)展,但因其具有槳葉受力情況復雜、機艙在塔架頂部不易維護等固有特點,使得風力發(fā)電成本較高。與水平軸風力機相比,立軸風力機具有安裝維護方便、噪聲小、葉片受力穩(wěn)定等優(yōu)點,特別是在城市和山區(qū)等湍流嚴重的風場條件下,立軸風力機比水平軸風力機更具優(yōu)勢。但風能利用系數(shù)較低、啟動性能較差,一直限制著立軸風力機的發(fā)展。通過改變?nèi)~片槳距角可以改變運轉(zhuǎn)過程中的葉片攻角,進而優(yōu)化葉輪的氣動性能,提高風能利用系數(shù),這種技術稱為變槳距技術。近年來在對立軸風力機存在問題的研究中,變槳距技術被認為是一種可提高風力機啟動性能和風能利用系數(shù)及平滑輸出力矩的有效方法。國內(nèi)外均對該技術進行了相關研究,美國馬薩諸塞州能源公司曾研制了擺線規(guī)律的變槳距立軸風力機,葉片槳距角是用導桿及凸輪機構實現(xiàn)的,結(jié)構較復雜,但風能利用效率比傳統(tǒng)的達里厄風力機高,并具有自起動的優(yōu)點;2002年新南威爾士大學通過葉片上平衡錘的離心力作用實現(xiàn)了自適應的變槳距控制;2005年首爾大學對使用舵機控制葉片的槳距角進行了相關研究;近年來國內(nèi)也有相關技術的專利申請。本文設計了一種通過電氣自動控制實現(xiàn)變槳距的立軸風力機,并進行了變槳距控制規(guī)律的分析研究。1動態(tài)葉片槳距角閉環(huán)控制自動變槳距立軸風力機整體結(jié)構如圖1。葉輪由兩個葉片組成,葉輪半徑R為1m,葉輪高H為2m,葉片翼型選用NACA0015翼型,葉片弦長L為0.4m。風速儀和風向儀可測得風速風向信號,絕對式編碼器可測得葉輪的方位角信號和轉(zhuǎn)速信號及葉片槳距角信號。根據(jù)傳感器測得的風速風向信號?V、葉輪方位角信號θ及葉尖速信號?U?控制器按照一定函數(shù)關系計算得到槳距角給定信號,葉片編碼器測得葉片轉(zhuǎn)角信號作為反饋,控制器輸出PWM信號驅(qū)動直流伺服電機調(diào)節(jié)葉片槳距角,這樣便構成一個實時的葉片槳距角閉環(huán)控制系統(tǒng)。在風力機運行過程中,控制系統(tǒng)可按照特定的變槳距規(guī)律準確控制葉片槳距角以提高風能利用系數(shù)。2葉輪氣動性能的表征基于葉素理論建立了立軸風力機變槳距葉片受力分析模型如圖2,葉片槳距角γ可自由調(diào)節(jié),變化范圍為0°～360°,來流風速為?V?葉片轉(zhuǎn)軸的線速度為?U?葉輪旋轉(zhuǎn)方位角為θ。在葉輪旋轉(zhuǎn)過程中,調(diào)節(jié)槳距角γ可以改變?nèi)~片攻角α,攻角直接決定了葉片翼型的升力系數(shù)Cl和阻力系數(shù)Cd,即決定了葉片的氣動升力Fl和阻力Fd,從而影響了整個葉輪的氣動性能。葉片的相對風速?W和攻角α可分別表示為:?W=?V-?U(1)α=π-γ-θ+arg?W(2)定義氣動系數(shù)復向量:?C=Cd-iCl(3)基于葉素理論,葉輪的瞬時功率可表示為:Ρ=∫Η0|?R×(12ρL|?W|2?Ceiarg?W)||?U|Rdz(4)式中,z——葉輪豎直高度方向;ρ——空氣密度。在葉輪半徑R(矢量表示為?R)、葉片弦長L、葉片數(shù)量N及葉片高度H等風力機結(jié)構參數(shù)一定的情況下,風力機瞬時功率P只與風速?V、葉尖速?U、方位角θ、槳距角γ有關,功率函數(shù)表示為:Ρ=f(?V,?U,θ,γ)(5)如果在風力機運行過程中,通過相應傳感器實時測得風向風速?V、葉輪方位角θ及葉尖速?U?那么只需將槳距角γ調(diào)節(jié)到合適的大小便可獲得此時葉輪瞬時輸出功率的最大值。3可變距離檢測規(guī)律的研究3.1大攻角范圍內(nèi)的氣動氣動模擬計算選用國內(nèi)外常用翼型NACA0015作為變槳距立軸風力機的葉片翼型,NACA翼型族由美國國家航空咨詢委員會(原NACA,現(xiàn)NASA)提出,并于1937年針對航空應用問題對該翼型族0°～32°攻角范圍內(nèi)的氣動性能進行了不同雷諾數(shù)情況下的測試。1981年美國Sandia實驗室針對垂直軸風力機的應用問題對幾種對稱NACA翼型也進行了測試,由于該機構的研究對象為定槳距垂直軸風力機,更為關注的是小攻角范圍的氣動性能,因此在0°～30°攻角范圍內(nèi)進行了大量數(shù)據(jù)的測試,而在大攻角范圍內(nèi)僅提供了少量測試數(shù)據(jù)。為進行變槳距規(guī)律的分析與研究,同時為更準確的描述400mm弦長的NACA0015翼型在風速10m/s工況下的氣動性能,需確定NACA0015對稱翼型0°～180°范圍內(nèi)所有角度的氣動性能參數(shù)。本文采用Fluent6.3進行數(shù)值模擬計算:1)前處理:通過ICEM軟件對NACA0015翼型劃分O型網(wǎng)格。為更好地捕捉近壁面流場形態(tài),壁面網(wǎng)格Y+約為10,處于粘性底層。整個計算域約為翼型弦長的15倍,網(wǎng)格總數(shù)25萬。2)求解器:計算采用雷諾平均N-S方程,翼型流體在未分離前湍流模型選取單方程S-A模型。為了模擬大攻角分離流態(tài),采用非穩(wěn)態(tài)計算,湍流模型為K-epsilon模型加標準壁面函數(shù)法,壓力-速度耦合采用SIMPLE算法。為減少數(shù)值耗散,對流項離散格式為2階迎風格式,擴散項采用中心差分格式,計算中應用基于壓力的隱式方法。本次計算風速為10m/s,流體可視為不可壓流體。邊界條件采用速度進口、壓力出口和無滑移壁面等條件。3)后處理:對于大攻角工況下的數(shù)據(jù)采集取其平均值。根據(jù)上述方法可得到弦長400mm的NACA0015翼型在10m/s風速狀況下的升阻力系數(shù)與攻角的關系如圖3,圖中同時給出了Sandia實驗室提供的雷諾數(shù)為3.6×105時0°～30°攻角范圍內(nèi)的翼型氣動參數(shù),對比可發(fā)現(xiàn):當攻角小于13°時,仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)基本吻合;當攻角大于13°后,兩組數(shù)據(jù)發(fā)生一定偏離。主要是由于該翼型的失速角在13°附近,當攻角大于失速角后,在翼型上表面開始出現(xiàn)分離,隨著攻角加大,翼型上表面逆壓梯度增大,使得氣流在翼型上表面嚴重分離,形成渦流,且分離點前移,從而導致翼型阻力急劇上升,翼型的局部攻角在此范圍變化劇烈,這時仿真或?qū)嶒炈鶞y的結(jié)果都會發(fā)生上下振蕩,所以大攻角范圍內(nèi)翼型氣動參數(shù)的確定還有待深入研究。但氣動性能仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)的整體變化趨勢一致,基于仿真數(shù)據(jù)對立軸風力機變槳距規(guī)律的研究方法較可靠。3.2風力機葉片最優(yōu)槳距角規(guī)律風力機的基本理論有貝茨理論和葉素理論。貝茨理論確定了極限風能利用系數(shù);葉素理論的出發(fā)點是將葉片分成許多微段,每個微段可看成是二維翼型,忽略了葉片之間的干擾,這種簡化會造成葉輪風能利用系數(shù)計算的不準確,但對葉輪性能的定性分析影響不大。圖4為基于葉素理論確定葉片最優(yōu)槳距角規(guī)律的程序流程圖,基本原理是:在風速?V、尖速比λ(λ=|?U|/|?V|)及其他葉輪參數(shù)確定的情況下,求解方位角0°～360°范圍內(nèi)每一處的功率最大值。葉素理論的模型較簡單,運算速度較快,但模型的簡化對結(jié)果的影響不大。因為該模型主要是忽略了速度誘導因子的變化,這樣會造成計算風能利用系數(shù)的結(jié)果偏大,但整體變化趨勢仍是正確的。為了確定風力機葉片的最優(yōu)槳距角變化規(guī)律,對葉輪風能利用系數(shù)進行準確的定性分析即可,所以該方法得到的最優(yōu)槳距角規(guī)律較準確。根據(jù)圖4的流程圖,分別求解了風速10m/s時,尖速比在0.1、0.5、0.9時的最優(yōu)槳距角變化規(guī)律。如圖5所示,實線表示實際求解后得到的曲線,可發(fā)現(xiàn)曲線出現(xiàn)了不連續(xù)性。主要是由于翼型本身的失由于翼型前緣與尾部氣動系數(shù)的差異,導致槳距角的變化規(guī)律會在方位角180°處突變(槳距角突變180°)。綜合考慮實際控制的可行性及翼型氣動系數(shù)的近似對稱性(如圖3),尖速比小于1時的槳距角變化函數(shù)為:α=-θ/2+90°,θ=[0°,720°]同樣的方法可求解出尖速比分別為1.2、1.5、2.0時的最優(yōu)槳距角變化規(guī)律,為表達方便,將以上3種變槳規(guī)律分別定義為:1_2變槳規(guī)律,1_5變槳規(guī)律,2_0變槳規(guī)律。如圖6、圖7所示,當尖速比小于1時最優(yōu)槳距角變化規(guī)律的周期為葉輪旋轉(zhuǎn)兩周所用時間,即葉輪旋轉(zhuǎn)兩周,葉片僅旋轉(zhuǎn)一周,槳距角隨方位角呈線性變化,可稱作同步變槳規(guī)律。當尖速比大于1時,規(guī)律周期為葉輪旋轉(zhuǎn)一周所用時間,規(guī)律變化趨勢相似,葉片約在90°范圍內(nèi)擺動,且在左盤面槳距角調(diào)節(jié)幅度最大,但隨尖速比的增大,變化幅度逐漸減小。4不同變槳距規(guī)律對葉輪性能的影響對于立軸風力機氣動性能較成熟的理論預報方法主要有多流管模型和渦流模型。多流管模型是Strickland在1975年提出,模型簡單快捷,且具有較高的計算精度,便于工程應用。該模型的基礎仍是軸向動量-葉素理論,主要考慮了方位角θ對速度因子a的影響。多流管模型是按照方位角增量Δθ將葉輪整個盤面分成多個流管,則氣體流過單個流管的動量變化率為:ΔΙ=2ρ|?V|2a(θ)(1-a(θ))RΔθsin(θ)Η(6)式中,ρ——空氣密度。流管內(nèi)葉素受力:?F=ΝΔθπ12ρLΗ|?W|2?Ceiarg?W(7)?F=FRe+iFΙm(8)根據(jù)動量定理:ΔI=FIm(9)該方程是一個非線性的超越方程,可通過迭代法求解出速度因子a,則相對風速為:?W=a(θ)?V-?U(10)風能利用系數(shù)和葉輪轉(zhuǎn)矩可分別表示為:Cp=12π∫2π0|?R×(12L|?W|2?Ceiarg?W)||?U|R2|?V|3dθ(11)Μ=CpρR2Η|?V|3|?U|(12)根據(jù)上述推導過程,運用Matlab軟件建立M函數(shù)計算不同變槳距規(guī)律在不同尖速比時對應的風能利用系數(shù)和轉(zhuǎn)矩,然后對各點進行多項式曲線擬合,可得到不同控制規(guī)律的葉輪性能對比情況,如圖8所示。由Cp～λ曲線可知,風力機采用同步變槳距規(guī)律時對應的最大功率點發(fā)生在λ=0.6處;分別采用1_2變槳規(guī)律、1_5變槳規(guī)律、2_0變槳規(guī)律時對應的最大功率點發(fā)生在λ=1.4、λ=1.8、λ=2.3處,未發(fā)生在相應的計算尖速比處,而是整體向右偏移。主要是由于多流管模型考慮了誘導速度的影響,計算結(jié)果更接近實際情況?？砂l(fā)現(xiàn)與定槳距規(guī)律相比,變槳距規(guī)律使葉輪的風能利用系數(shù)顯著提高,同時降低了葉輪工作時的尖速比,當采用2_0變槳規(guī)律時,在低尖速比2.5處功率最大點已達到0.45。與大尖速比工作的葉輪相比,低尖速比工作的葉輪轉(zhuǎn)速更低,這樣也就降低了離心力對葉片的作用,可提高風力機的運轉(zhuǎn)壽命。由M～λ曲線可知,在10m/s的風速狀況下,如果風力機采用定槳距規(guī)律,葉輪驅(qū)動轉(zhuǎn)矩整體較小,幾乎沒有啟動能力;當采用變槳距規(guī)律時,顯著提高了葉輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,特別是啟動性能得到了較大提升,可發(fā)現(xiàn)同步變槳規(guī)律下風力機的啟動轉(zhuǎn)矩已接近70Nm。5槳葉的控制規(guī)律以提高立軸風力機的啟動性能和發(fā)電效率為目標,提出一種自動變槳距立軸風力機方案。根據(jù)葉素理論建立了變槳距葉輪的功