低风速风力机叶片气动设计方法研究.pdf
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1、第第 4 4 卷卷 第第 1 1 期期2 20 02 23 3 年年 8 8 月月新新能能源源科科技技N Ne ew w E En ne er rg gy y T Te ec ch hn no ol lo og gy yV Vo ol l.4 4,N No o.1 1A Au ug gu us st t,2 20 02 23 3 基金项目:国家重点研发计划(2020YFB1506600)。作者简介:肖航(1992),男,四川仁寿人,工程师,硕士;研究方向:风力机叶片设计,风力机系统设计。低风速风力机叶片气动设计方法研究肖 航(中船海装风电有限公司,重庆 401122)摘要:中国海上长江口以北、
2、内陆中东南部地区风资源较为匮乏,年均风速低,提高低风速风电场经济效益是风力发电技术重点研究方向之一。文章阐明了低风速风电项目投资的必要条件和风资源特征,明确了低风速风力发电机组的设计目标和运行特征,具体定义了一款低风速风电叶片设计目标,并通过叶片优化设计实现了风力机年发电量的最大化。优化设计的叶片满足低风速风力发电机组选型导则要求。通过对在役叶片进行优化,发电量提升了 0.6%1.03%,证明文章所述优化设计方法具备工程化应用价值。关键词:风能;风力发电;风力发电机组;低风速;风力机叶片;气动设计中图分类号:U671.99 文献标志码:A0 引言 中国风能资源分布特点与中国季风气候和西高东低的
3、阶梯式地貌紧密相关,受风力较强的冬季风和春季活跃的北方气旋活动影响,形成了我国陆上“三北”和新疆地区风能资源丰富和中东南部风能资源较为贫乏的总体特征。但是,中东南部风电场靠近用电负荷中心,利于消纳,仍是风能资源开发的热点地区。在全国年均风速分布的数值模拟基础上,剔除不可开发风能资源的区域,并考虑开发限制因素以后,河北南部、河南东部、山东南部、安徽北部和中部以及江苏东部以低风速风能资源为主,适宜采用低风速型风电机组1。此前,相关学者在低风速叶片的优化设计领域进行了一些研究。文献2以功率输出和年发电量最大化为优化目标,基于遗传算法对 1.5 MW 的风力机叶片进行了优化设计,优化后的最大输出功率提
4、高了1.16%。文献3建立了低风速功率系数的非线性约束优化模型,提高了 1.5 MW 风力机在低风速下的功率系数。文献4基于高、低风速叶片的结构特性,提出了低风速叶片的改进设计方法,使得叶片变得更轻,制作成本更低。文献5采用粒子群算法,以年发电量最大和叶根弯矩最小为设计目标,实现在不增加叶根弯矩的情况下,2.5 MW 风力机年发电量提升0.6%1.03%。本文紧密结合工程实际需求,对低风速风电项目投资的必要条件和风资源特征进行了分析,明确了低风速风力发电机组的设计目标和运行特征,具体定义了一款低风速风电叶片设计要求,并通过叶片优化设计方法实现了风力机年发电量的最大化,揭示了一定约束条件下,叶片
5、最大风能吸收效率与最优尖速比的关系以及直驱、双馈风力机最优化叶片的不同特点,提出了具有工程化应用价值的低风速叶片气动设计优化方法。1 低风速风场风资源特征 目前,行业内对低风速风电场项目的定义仍存在分歧,文献1定义年均风速为 4.85.8 m/s 的是低风速风电项目,低风速风力发电机组选型导则6定义标准空气密度下,轮毂高度处代表年均风速不高于 6.5 m/s 的为低风速风电项目;文献7定义轮毂中心高度上年均风速为 5.36.5 m/s 的是低风速风电项目。本文按低风速风力发电机组选型导则的定义,认为年均风速不高于 6.5 m/s 即为低风速风电项目,并选择 5.5 m/s 作为典型低风速风电项
6、目的代表年均风速进行研究。为确保低风速风电场具有开发价值,该电场至少应满足项目资本金财务内部收益率达到 8%以上7,建议取综合折减系数 0.7,低风速风电场年等效满负荷小时数不低于 2 000 h6。低风速风电项目风资源的重要特征是年均风速低,按低风速风力发电机组选型导则定义,年均风速不超过 6.5 m/s。参考 IEC61400120198标05新新能能源源科科技技准,不同的年均风速下,全年风速的理论概率分布服从瑞利分布,其式如式(1)所示。Pw=1-exp-(V0/2Vave)2(1)式中:Pw为风速分布概率;Vhub为风力机轮毂高度处的风速区间,本文取320 m/s;Vave为年均风速,
7、m/s。不同的年均风速,其风速概率分布不同,如图 1所示。图 1 不同年均风速下风速概率分布将 2.520.5 m/s 风速等分为 18 个风速区间,每个风速区间为一个 bin,则每个风速 bin 下的单位面积风能可表示为式(2)。E=8 766 12binupbinlowV3hub()binupbinlowPw()/1000 000(2)式中:E 为一个计算年内,单位面积的最大风能,MWh/m2;8 766 表示每一年共有 8 766 h(每 4 年为一个闰年,平均每年共有 8 766 h);为空气密度,本文考虑标准空气密度取=1.225 kg/m3;binup、binlow为一个风速区间的
8、上下限,如 2.53.5 m/s 这个风速区间的 binup=3.5 m/s,binlow=2.5 m/s。不同的年均风速,其风能概率分布不同,如图 2 所示。图 2 不同年均风速下风能分布低风速风电场的建设目标即从如图 2 所示的能量分布图中,尽可能多地吸收风能,用以转化为电能。由图 2 可知,年均风速越低,高风速段风能分布越少,应更重视低风速区间的风能捕获。2 低风速风电机组2 2.1 1 设设计计目目标标 低风速风电机组首先需要满足低风速风电场的投资必要条件。另外,低风速风电机组等级根据年均风速可分为 D-、D-、D-和 D-4 级,其对应年均风速如表 1 所示。表 1 低风速风力机设计
9、等级机组等级D-D-D-D-风速/m s-16.56.05.5由设计者规定低风速风电机组单位千瓦扫风面积不宜低于4.7 m2/kW,切入风速不宜高于 3 m/s,额定风速不宜高于10 m/s,切出风速不宜高于18 m/s,机组 Cp最大值不应低于 0.48,机 组 自 耗 电 应 小 于 额 定 功 率的 2.5%。2 2.2 2 整整机机效效率率 在风电机组设计中,发电机的技术路线选型需要与传动链的选型相匹配。目前,行业内主流的机组配型有两种:高速传动链配双馈异步发电机和直驱技术结合永磁发电机。以上 2 种配型分别简称为高速双馈和直驱永磁。就发电性能而言,通过定量分析,高速双馈机组与直驱永磁
10、机组相比,在低输出功率时,效率较低,但高输出功率时,效率更高,如图 3 所示。综合而言,双馈机组的整机效率占优9。图 3 双馈机组和直驱机组整机效率对比2 2.3 3 转转速速控控制制 定义叶片尖速比为:15新新能能源源科科技技=R30Vhub(3)式中:为叶片尖速比;为风轮转速,rpm;R 为风轮半径。为了更好地吸收风能,风电机组需要运行在固定的最优叶尖速比 opt下,此时,风轮转速与风速的最佳关系如图 4 中“理想”所示,关系如下:=30optVhubR(4)但受风电机组发电系统限制,风轮转速通常限制在并网转速与额定转速之间,当最佳风轮转速小于并网转速时,按并网转速运行;当最佳风轮转速大于
11、额定转速时,按额定转速运行。风电机组的风轮转速随风速的变化关系如图 4 中“双馈”和“直驱”所示。图 4 中,1为直驱机组并网转速,2为双馈机组并网转速,3为额定转速,在相同功率等级和风轮直径下,直驱和双馈机组额定转速通常相同。图 4 风轮转速与风速的关系 2 2.4 4 运运行行尖尖速速比比 由于风轮转速范围的限制,风电机组无法在所有风速段按最佳尖速比运行,将图 4 转换为叶尖速比与风速的关系,如图 5 所示。图 5 叶尖速比与风速的关系3 低风速风电叶片3 3.1 1 设设计计目目标标 综合前文,将低风速风电叶片的总体设计目标具体化,如表 2 所示。叶片的设计结果通常可以用一条 Cp-曲线
12、表示,如图 6 所示。低风速风电叶片的 Cp-曲线设计目标,即叶片的 Cp-曲线与表 2 的总体目标最优匹配,实现发电量最大化。3 3.2 2 气气动动设设计计的的基基本本理理论论 风力机叶片气动设计的基本理论是以空气动力学原理为基础,通过分析风力机叶片绕流流场动力学 表 2 低风速风电叶片设计目标设计目标机型名称理想机组直驱机组双馈机组机型型号WTG120-2MW-idealWTG120-2MW-direct driveWTG120-2MW-doubly fed功率等级/kW2 0002 0002 000风轮并网转速/rpm03.947.88风轮额定转速/rpm不设限制1313风轮直径/m1
13、20120120年等效满发小时数/h2 000(折减系数 0.7)2 000(折减系数 0.7)2 000(折减系数 0.7)年均风速/ms-15.55.55.5扫风面积/m2kW-15.655.655.65切入风速/ms-1333额定风速/ms-1101010切出风速/ms-1202020机组最大 Cp0.480.480.48机组损耗无损耗按图 3:“直驱”按图 3:“双馈”25新新能能源源科科技技图 6 叶片 Cp-曲线特性,提出和发展起来的适用于工程应用的设计理论和方法。叶素动量定理是风力机叶片气动设计的基本理论,在叶素动量理论的基础上,增加叶尖和叶根修正称为经典叶素动量定理,是目前风电
14、行业最广泛应用的基本理论和方法10。动量理论和叶素理论的模型如图 7 和图 8 所示。图 7 动量理论模型图 8 叶素理论模型通过联立动量方程和叶素方程可以得到式(5)和式(6)两个重要表达式11。a1-a=CN4F(sin)2(5)a1+a=CT4Fsincos(6)式中:a 为轴向诱导因子;为实度;CN为轴向力系数;F 为损失因子;为攻角;a为周向诱导因子;CT为切向力系数。损失因子 F 由叶根损失 Ft和叶尖损失 Fr组成,其表达如下:F=FtFr(7)Ft=2cos-1e-B(R-r)2Rsin(8)Fr=2cos-1e-B(r-rhub)2rhubsin(9)式中:B 为叶片数量;R
15、 为风轮半径;r 为叶片展向位置;rhub为轮毂半径。通过数值迭代,可以在一定误差范围内,计算出既满足动量定理又满足叶素定理的 a 和 a。得到 a和 a后,可以解出叶片各截面的升力阻力,进而求解整个叶片和整个风轮的升力和阻力。3 3.3 3 几几何何约约束束 叶片气动设计时,需要考虑结构设计和工程化的可行性,是为几何约束。3 3.3 3.1 1 厚厚度度约约束束选择越薄的翼型,叶片 Cp 越高,发电量越好,为严格反相关关系。但叶片太薄将导致叶片的刚度下降,不满足挠度约束。因此,本文在气动设计前,先确定叶片的厚度约束,如图 9 所示。图 9 叶片归一化厚度分布3 3.3 3.2 2 弦弦长长约
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