摘 要

本文针对带法兰集风体结构的水平轴风力发电机组，提出了一种基于边界磁力特性的智能集风体结构设计，该结构包括了扩散器和自适应法兰，可以减小高风速下作用于集风体上的风荷载。自适应法兰可以保持带法兰集风体在风速低于额定风速时的优点，并在较高风速时减小作用在集风体和叶片上的风荷载。在数值分析中，我们对具有自适应法兰的集风体结构进行了双向流固耦合分析，研究了高风速下自适应法兰的重构对集风体周围流场和风荷载的影响。数值计算结果表明，当60m/s风速时，集风体结构表明载荷降低了38%左右。通过降低高风速时风力发电机组上的载荷，一方面降低了风力机的制造工艺要求，减少了制造成本，另一方面扩展了风力机的工作风速范围，增加了风力机的有效发电时长。

关键词:风力发电机组，集风体结构，数值模拟，流固耦合

Design of Intelligent wind Collector Structure Based on

Boundary Magnetic Characteristics

ABSTRACT

In this paper, an intelligent wind collector structure based on boundary magnetic characteristics is proposed for horizontal axis wind turbine with flanged collector structure. The structure includes diffuser and adaptive flange, which can reduce the wind load acting on the collector at high wind speed. The self-adapting flange can keep the advantage of flanged air collector when the wind speed is lower than the rated wind speed, and reduce the wind load acting on the air collector and blade at higher wind speed. In the numerical analysis, the two-way fluid-structure coupling analysis of the wind collector structure with adaptive flange is carried out, and the effect of the reconstruction of adaptive flange on the flow field and wind load around the wind collector at high wind speed is studied. The numerical results show that when the wind speed is 60 m/s, the structure of the collector shows that the load is reduced about 38% of the original. By reducing the loads on wind turbines at high wind speeds, on the one hand, the manufacturing process requirements of wind turbines are reduced, and the manufacturing cost is reduced. On the other hand, the working wind speed range of wind turbines is extended, and the effective generation time of wind turbines is increased.

Key words: Wind turbine; Wind collector structure; Numerical simulation; Fluid structure coupling

目录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2集风体结构风力机的研究现状 3

1.3 集风体结构的自适应研究 5

1.4 研究内容 6

第二章 基础理论和智能集风体的结构设计 7

2.1 空气动力学基础理论 7

2.2 集风体的基本理论 10

2.3 智能集风体结构设计 13

第三章 CFD模型的建立 15

3.1 集风体结构的几何模型 15

3.2 流体部分设置 16

3.3 固体部分设置 19

3.4 流固耦合部分设置 21

第四章 结果讨论与分析 22

4.1确定智能集风体的磁力边界 22

4.2智能集风体的降低风载荷作用 23

4.3智能集风体风力机的经济性分析 26

第五章 总结和展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 32

第一章 绪论

1.1引言

能源作为人类生产和生活提供能量和动力的重要物质，由于社会经济的发展以及人们生活水平的提高，能源的消耗量也在急骤上升。然而，目前人类对于能源的利用方式仍然是以煤、石油、天然气等化石能源为主，这一方面面临着有限的化石能耗消耗殆尽导致能源危机加剧，另一方面产生的污染物导致全球生态环境日趋恶化。为了满足人类生存需求，保持社会可持续发展，清洁能源和可再生能源的开发和利用越来越受到关注。

风能是一种清洁而稳定的新能源，是最重要的可再生能源之一。一般人们风能利用的方式，是将风的动能通过某种设备转化为其他可利用的能量如机械能、热能、电能等，具体方法有：帆船，风力发电，风力致热，风力水车等。目前风能最主要的利用方式是风力发电。风力发电作为清洁无污染，可再生可持续的环境友好型发电方式，备受世界各国关注。特别是近些年来，风力发电技术趋于成熟后，风力发电成本大幅度降低，风电行业许多新兴企业如雨后春笋般出现。

在当今世界上，我国已经成为风力发电发展最快的国家，无论风电装机总量还是新增装机容量都排在世界第一位。最新的统计数据如图1-1所示，我国风力发电累计风电装机总量在2018年年底时已经达到了 2.095亿千瓦，新增装机容量也在显著回升。在2018年我国的风力发电年发电量为 3660亿千瓦时，风力发电量在全国总发电量中的占比为5.2%。在2016年，国家能源局制定出台的《风电发展“十三五”规划》中提到，预计到2020年底，全国风力发电累计装机总量将达到2.1亿千瓦以上，风力发电年发电量将达到4200亿千瓦时，约占全国总发电量的6%^[1]。

风力发电系统中的主要设备是风力发电机组。由不同分类方式，风力发电机可以分为许多类型。按照风轮旋转主轴与地面相对位置，风电机组分为水平轴和垂直轴风电机组。下图展示了一些不同种类的水平轴风力机。目前大型风力发电机组几乎全部为水平轴升力型三叶片，主要原因是水平轴风电机组有较高的风能利用系数。垂直轴风力机多用于小型风力发电机组。

图1-2 各种类型的水平轴风力机

1.2集风体结构风力机的研究现状

众所周知，风力机从风力中提取的功率随着风速的立方增大而增大，风速的微小增加都会导致风力发电的大幅度增加。在如今，无论是风力发电机塔架的高度还是叶片的大小、材料，都受到了制造工艺和技术条件的制约，要使风能得到充分利用，提高单机功率与发电效率的方法越来越趋向于集风加速方案。因此，许多研究人员一直在努力开发能够有效加速接近风速的新技术和新设备。集风体结构风力机就是这样一种先进的风力机设计方案。通过在风力机的叶轮外增加集风体装置，风力机的来流风速增大，输出功率将会有很大程度的提升。

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