一種大型風力發電機集風整流系統的設計分析

趙尊立

摘 要：為解決傳統風力發電機中只能在一定風速范圍內工作、吹風方向性不好等問題，本文設計并驗證了一種使風力加速的大型集風裝置，介紹了該集風裝置的功能和結構組成特點，分析了該裝置在工作時的安全性和可行性。

關鍵詞：風力加速；整流；風力發電機

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.160

0 前言

目前，傳統發電機組局限性較大，受到風速影響較大，還會因為風在其葉片上展現出湍流的狀態，導致風機葉片的損傷。本文中，為解決葉片承受的風向等問題，設計出了能夠提高風速和風的方向性的集風裝置，同時這種裝置能夠根據風速進行調節，從而達到在保證提高風能利用率的前提下確保集風罩的安全。

1 風電發展的局限性

雖然風力發電到目前為止已經具有較長的發展時間，但是還不能和水力發電、火力發電以及核電進行相提并論。根據調查研究發現，造成這種現象的原因主要包括以下幾個方面：（1）風能具有的能量密度小。由于風力發電和水力發電的原理相近，所以將風力發電和水力發電進行對比，可以發現由于水的密度遠大于空氣的密度，所以風能所具有的能量密度較小。（2）風力發電更難控制。在風力發電中，由于風速和風向都極難控制，所以當遇到風速較大的情況時，為了保證風力發電裝置等不被破壞，需要將風力發電機關閉，這就導致了風力發電遠低于水力發電、火力發電等。（3）技術條件限制。在現有技術基礎下，風力發電的塔架高度、發電葉片的大小等收到很大的限制，但是為了提升風力發電的發電功率，目前最佳的方法就是將發電機組做的更高更大。

通過以上觀點得出，風力發電局限性較大，導致風力發電在現階段的發電功率低下，直接影響風力發電規模化、普遍化的發展。

2 理論基礎分析

根據查詢得到風能轉化關系式： P=（1/2）Cp×A×ρ×V?

根據公式可得，為了提高每臺風力發電機的發電功率，如果根據傳統方法，那么只有利用塔架高度的提高來實現。但是，如果我們把風力發電的葉片所掃過的面積看作是一個通道的截面，同時因為只有從風力發電機組形成的截面穿過的風才能夠做功，再根據流體力學具有連續性的原理，S1×V1=S2×V?

那么我們可以得到：通過把通道的截面縮小，從而將風速V提高，這樣提高了風力發電的輸出功率。這樣得出，風速是提高風力發電功率最為重要的參數，風速的提高可以提高風力發電機的發電功率。若在功率達到要求的情況下，利于這個結論，可以將風電機組縮小化，就能夠提高機組的穩定性和牢固性。

3 新型集風罩系統的結構設計

（1）總體外觀為一喇叭狀罩體，整個集風罩利用36塊相同形狀的塊體組成，同時每個分割體均可以繞軸自由旋轉。（2）集風罩進口與出口大小不同，進風口為朝著主風向，進風口大于出風口，同時將進口邊緣和出口邊緣進行支撐，而這就是集風罩的整體結構。（3）風罩進出口裝有用電動機，用來控制風罩的旋轉，同時電動機連接著轉軸，裝在風罩進出口的鋼架上方。利用和電動機連接的繩索來實現風罩工作和避風的兩種狀態。

4 集風罩工作效果分析

4.1 網格劃分及邊界條件

在本次設計過程中，通過利用FLUENT流體分析軟件實現對于集風罩的工作狀態，即集風效果，進行數據模擬分析。在模擬計算過程中，FLUENT中的計算網格分為結構化網格和非結構化網格。其中結構化網格模擬得出的數據精度較高，但是劃分十分困難，因為其對于計算區域的物理形狀要求較高，這也導致了結構化網格的缺點，就是較窄的適用范圍。而對于非結構化網格來說，其特點能夠很好地解決結構化網格在任意形狀和任意連通區域存在的問題。

在分析模擬過程中，由于集風罩的結構復雜，所以采用非結構化網格，選擇的三維網格為Het/Hybrid類型，這種類型主要是六面體組成，除此之外，在合適的位置還可以產生六面體、楔形、錐形等網格單元。

4.2 模擬結果分析

設置不同的入口條件，迎面風速為2-8m/s時，計算模擬風罩集風效果。

流場。當入口風速分別為2m/s、8m/s時的集風罩出口的速度矢量圖如上圖所示。當風速為2m/s時，如圖三所示，在集風罩的整流芯邊緣位置，風速達到3m/s。在目前，風力發電機最低的工作風速為2.5m/s，這樣就能達到風力發電機的正常運轉速度，同時在徑向方向上，從內到外，速度是逐漸增大，當達到整流管的內徑邊緣時，達到最大速度6m/s，這個速度是風速的三倍，所以集風罩工作效果良好。而在圖四種，能夠得到相同的結論，當風速為8m/s時，出口的速度大部分能達到16m/s以上，最高速度能夠達到25m/s，集風罩工作效果尤為明顯。

5 結論

（1）集風罩避風狀態下效果良好。當集風罩在避風狀態下，風力發電機的發電葉片所承受的壓力只為工作壓力的三分之一，表明達到了避風效果。

（2）集風罩在工作狀態下集風效果明顯。集風罩對于風速的加速效果能夠達到1.5-3.0倍，在使用集風罩的情況下，不僅可以降低風力發電機的啟動風速同時對于風機效率也有較大的提高。

（3）提高風能的利用率。從出口速度矢量圖中可以得出，整流管、整流芯所表現出的整流效果明顯，同時出口強風能夠基本垂直吹向葉輪，這就能夠提高風能的利用率。

參考文獻：

[1]田德，王海寬，韓巧麗.濃縮風能型風力發電機的研究與進展[J].農業工程學報，2003，19（zl）.

[2]舒朝暉，馬榮峰，陳煥新，王福寶，路陽.基于FLUENT的百葉窗翅片空氣側流動數值模擬[R].2009湖北省暖通空調制冷及熱能動力學術年會.