低风速条件风力发电机组的初步研究
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摘要
本文在分析低风速风能利用策略的基础上,认为设计适合低风速发电的大型风电机组是必要的。机组设计中最主要的是叶片设计。本文在分析多种风力机设计理论基础上,认为动量理论、涡流理论及动态尾流理论仍然是确定风电机组叶片设计参数和载荷的依据。基于对大型风电机组叶片改型设计方法的分析提出以结构系数κ为界,将叶片分为内圈和外圈两个区域。对于内圈区域的翼型以结构特性为主;叶片外圈区域以最大限度发挥翼型的空气动力特性作为主要设计目标。这种布局能够显著提高叶片的结构强度,同时也保持了叶片整体的气动性能。额定功率为1.5MW的风电机组设计实例与NORDEX-S77风电机组总体参数和系统布局基本吻合,只有叶片的参数和功率曲线有些差异,验证了设计方法的可行性。
On the basis of studying how to use wind energy of low wind speed, a conclusion was drawn that design a large wind turbine which is suitable to generate electricity by low wind speed is essential.The main one is the blade design in the wind turbine design. A conclusion was drawn that Momentum theory, Glauert theory and Vortex theory were still the basis to reveal the overall design parameter of wind turbine blade; According to the analysis of the blade design, a structural coefficient k was introduced, by which the blade was divided into inner part and outer part. The key characteristic of inner part is structural intensity, while the aerodynamic characteristic is the key point in the outer part. The design demonstrated that both structural intensity and aerodynamic characteristics of blade were maintained with this kind of configuration. A case design was compared with NORDEX S77 wind turbine and the consilient result demonstrated that feasibility of the general design and system configuration.
On the basis of studying how to use wind energy of low wind speed, a conclusion was drawn that design a large wind turbine which is suitable to generate electricity by low wind speed is essential.The main one is the blade design in the wind turbine design. A conclusion was drawn that Momentum theory, Glauert theory and Vortex theory were still the basis to reveal the overall design parameter of wind turbine blade; According to the analysis of the blade design, a structural coefficient k was introduced, by which the blade was divided into inner part and outer part. The key characteristic of inner part is structural intensity, while the aerodynamic characteristic is the key point in the outer part. The design demonstrated that both structural intensity and aerodynamic characteristics of blade were maintained with this kind of configuration. A case design was compared with NORDEX S77 wind turbine and the consilient result demonstrated that feasibility of the general design and system configuration.
引文
[1]Gadian, A.; Dewsbury, J. Directional persistence of low wind speed observations. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume: 92, Issue: 12, October, 2004, pp.1061～1074
[2]Wright, A.K.; Wood, D.H. The starting and low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind turbine Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume:92, Issue: 14-15, December, 2004,pp. 1265～1279
[3]张新房,徐大平,吕跃刚,柳亦兵.风力发电技术的发展及若干问题[J].现代电力. Vol.20, No.5,2003.
[4]芮晓明,梁双印,许宝成.世界风力发电状况及对我国发展风电技术的思考[J].现代电力. 1997. No.4(14):102～106
[5]郭新生.风能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2007.7
[6]许英坚.美国低风速风电技术研究[J].热力发电,2005(11)
[7]陈宗器.风力发电综述与我国的开发设想[J].工程建设与设计, 1999(5):3～5
[8]Tony Burton著.武鑫(译).风能技术[M].北京:科学出版社,2007.9
[9]Griffin D A. NREL advanced research turbine (ART) aerodynamic design of ART-2B rotor blades. NREL/SR-500-28473
[10]D·勒古里雷斯.风力机的理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1987
[11]王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2003
[12]刘家澄.关于风电机国产化的几个问题[J].风力发电, 2002, 67(4):27～30
[13]施鹏飞.2002年中国风电发展报告. 2003
[14]刘万琨,张志英等.风能与风力发电技术[M].北京:化学工业出版社,2007.1
[15]施鹏飞.从世界发展趋势展望我国风力发电前景[J].中国电力.2003,936(9):54～62
[16]关立山.世界风力发电现状及展望[J].全球科技经济展望.2004,223(7):51～55
[17]孙孝仁,孙怡玲.2020年世界能源前景[J].SCI/TECH INFORMATION DEVEL OPMENT&ECONOMY.2000,10(2):P15～P16.
[18]中华人民共和国电力工业部.中国风电. 1998
[19]贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006
[20]李庆宜.小型风力机设计[M].北京:机械工业出版社,1986
[21]李立本,宋宪耕等.风力机结构动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.12
[22]David A Spera. Wind Turbine Technology. New York: ASME PRESS, 1994
[23]刘卫国.Matlab程序设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2006
[24]王兵团,张志刚等. Matlab与数学实验[M].北京:中国铁道出版社,2002.10
[25]张圣勤.Matlab 7.0实用教程[M].北京:机械工业出版社,2006
[26]王正林,龚纯等.精通MATLAB科学计算[M].北京:电子工业出版社,2007
[27]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2002,4～5
[28]刘吉辉.风力机全系统载荷分析及优化设计软件的集成开发:[硕士学位论文].汕头:汕头大学机械工程系,2006
[29] Borst H V. Summary of Propeller Design Procedures and Data. USAAMR
[30]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京:机械工业出版社,2005.7
[31]芮晓明,康传明.对我国风电产业发展中存在问题的分析与思考[J].太阳能,2005,(06):17～20
[32]萨本佶.高速齿轮传动设计[M].北京:机械工业出版社,1986
[33]康传明.大型风力发电机组总体设计方法的初步研究:[硕士学位论文].北京:华北电力大学,2007
[34]顾为东.中国风电产业发展新战略与风电非并网理论[M].北京:化学工业出版社,2006.10
[35]宋勇,艾宴清,梁波.精通ansys7.0有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2004
[36]李卫民,杨红义,等.ANSYS工程结构实用案例分析[M].北京:化学工业出版社,2007
[37]邢静忠,王永岗.ANSYS7.0分析实例与工程应用[M].北京:机械工业出版,2004
[38]孙菊芳.有限元法及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1989
[39]陈精一. ANSYS工程分析实例教程[M].北京:中国铁道出版社,2007
[40]Warren.Innovative Design Approaches for Large Wind Turbine Blades Final Report.Sandia National Laboratories,2004.5
[41] Jens Peter Molly,张世惠(译).风能-理论,应用与测试[M] .北京:北京电力科学研究院
[42] L.普朗特,K.奥斯瓦提奇,K.威格哈特.流体力学概论[M].北京:科学出版社.1981
[43]芮晓明,马志勇,康传明.大型风电机组叶片翼型的设计方法[J].农业机械学报,2008,39(2):192～194
[44]夏商周,申振华.改型尾缘对翼型流场影响的数值模拟[J].沈阳航空工业学院学报,2005,22(5):1～3
[45]杜朝晖.水平轴风力机的几个关键气动问题探讨[J].上海汽轮机.2002,23(1):1～35
[46]芮晓明,康传明.大型风力机叶片的翼型选择与改进设计方法[J].农业机械
[47]王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2003.3
[48]刘敏,郭鹏.Ekman层风速随高度分布方程的数值解实验[J].中国科学院上海天文台年刊,2005(26):34～37
[49]姜香梅,曾杰.风力机及其零部件载荷的确定方法[J] .新疆农业大学学报,2002,(02):74～77.
[50]刘雄,陈严.水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究[J].汕头大学学报,2006,21(1):44～48
[51]谢峰,赵吉文,等.600KW风力机塔架结构的仿真设计[J].系统仿真学报.2004,16(1):70～74
[52]钱翼稷.空气动力学[M].北京:北京航空航天大学.出版社,2004
[2]Wright, A.K.; Wood, D.H. The starting and low wind speed behaviour of a small horizontal axis wind turbine Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume:92, Issue: 14-15, December, 2004,pp. 1265～1279
[3]张新房,徐大平,吕跃刚,柳亦兵.风力发电技术的发展及若干问题[J].现代电力. Vol.20, No.5,2003.
[4]芮晓明,梁双印,许宝成.世界风力发电状况及对我国发展风电技术的思考[J].现代电力. 1997. No.4(14):102～106
[5]郭新生.风能利用技术[M].北京:化学工业出版社,2007.7
[6]许英坚.美国低风速风电技术研究[J].热力发电,2005(11)
[7]陈宗器.风力发电综述与我国的开发设想[J].工程建设与设计, 1999(5):3～5
[8]Tony Burton著.武鑫(译).风能技术[M].北京:科学出版社,2007.9
[9]Griffin D A. NREL advanced research turbine (ART) aerodynamic design of ART-2B rotor blades. NREL/SR-500-28473
[10]D·勒古里雷斯.风力机的理论与设计[M].北京:机械工业出版社,1987
[11]王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2003
[12]刘家澄.关于风电机国产化的几个问题[J].风力发电, 2002, 67(4):27～30
[13]施鹏飞.2002年中国风电发展报告. 2003
[14]刘万琨,张志英等.风能与风力发电技术[M].北京:化学工业出版社,2007.1
[15]施鹏飞.从世界发展趋势展望我国风力发电前景[J].中国电力.2003,936(9):54～62
[16]关立山.世界风力发电现状及展望[J].全球科技经济展望.2004,223(7):51～55
[17]孙孝仁,孙怡玲.2020年世界能源前景[J].SCI/TECH INFORMATION DEVEL OPMENT&ECONOMY.2000,10(2):P15～P16.
[18]中华人民共和国电力工业部.中国风电. 1998
[19]贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006
[20]李庆宜.小型风力机设计[M].北京:机械工业出版社,1986
[21]李立本,宋宪耕等.风力机结构动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,1999.12
[22]David A Spera. Wind Turbine Technology. New York: ASME PRESS, 1994
[23]刘卫国.Matlab程序设计与应用[M].北京:高等教育出版社,2006
[24]王兵团,张志刚等. Matlab与数学实验[M].北京:中国铁道出版社,2002.10
[25]张圣勤.Matlab 7.0实用教程[M].北京:机械工业出版社,2006
[26]王正林,龚纯等.精通MATLAB科学计算[M].北京:电子工业出版社,2007
[27]叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2002,4～5
[28]刘吉辉.风力机全系统载荷分析及优化设计软件的集成开发:[硕士学位论文].汕头:汕头大学机械工程系,2006
[29] Borst H V. Summary of Propeller Design Procedures and Data. USAAMR
[30]宫靖远.风电场工程技术手册[M].北京:机械工业出版社,2005.7
[31]芮晓明,康传明.对我国风电产业发展中存在问题的分析与思考[J].太阳能,2005,(06):17～20
[32]萨本佶.高速齿轮传动设计[M].北京:机械工业出版社,1986
[33]康传明.大型风力发电机组总体设计方法的初步研究:[硕士学位论文].北京:华北电力大学,2007
[34]顾为东.中国风电产业发展新战略与风电非并网理论[M].北京:化学工业出版社,2006.10
[35]宋勇,艾宴清,梁波.精通ansys7.0有限元分析[M].北京:清华大学出版社,2004
[36]李卫民,杨红义,等.ANSYS工程结构实用案例分析[M].北京:化学工业出版社,2007
[37]邢静忠,王永岗.ANSYS7.0分析实例与工程应用[M].北京:机械工业出版,2004
[38]孙菊芳.有限元法及其应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,1989
[39]陈精一. ANSYS工程分析实例教程[M].北京:中国铁道出版社,2007
[40]Warren.Innovative Design Approaches for Large Wind Turbine Blades Final Report.Sandia National Laboratories,2004.5
[41] Jens Peter Molly,张世惠(译).风能-理论,应用与测试[M] .北京:北京电力科学研究院
[42] L.普朗特,K.奥斯瓦提奇,K.威格哈特.流体力学概论[M].北京:科学出版社.1981
[43]芮晓明,马志勇,康传明.大型风电机组叶片翼型的设计方法[J].农业机械学报,2008,39(2):192～194
[44]夏商周,申振华.改型尾缘对翼型流场影响的数值模拟[J].沈阳航空工业学院学报,2005,22(5):1～3
[45]杜朝晖.水平轴风力机的几个关键气动问题探讨[J].上海汽轮机.2002,23(1):1～35
[46]芮晓明,康传明.大型风力机叶片的翼型选择与改进设计方法[J].农业机械
[47]王承煦,张源.风力发电[M].北京:中国电力出版社,2003.3
[48]刘敏,郭鹏.Ekman层风速随高度分布方程的数值解实验[J].中国科学院上海天文台年刊,2005(26):34～37
[49]姜香梅,曾杰.风力机及其零部件载荷的确定方法[J] .新疆农业大学学报,2002,(02):74～77.
[50]刘雄,陈严.水平轴风力机风轮叶片优化设计模型研究[J].汕头大学学报,2006,21(1):44～48
[51]谢峰,赵吉文,等.600KW风力机塔架结构的仿真设计[J].系统仿真学报.2004,16(1):70～74
[52]钱翼稷.空气动力学[M].北京:北京航空航天大学.出版社,2004