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介绍

从风中提取能量涉及非常复杂的技术，而不断改变方向和速度的风的动态特性使这一过程更加繁琐¹．在进行优化设计和预测峰值性能时，应考虑阻力和叶尖损失的影响。传统的求径向站最大元素功率系数的试差法不应采用，而应直接用解析法求²．推导了最大单元功率系数与速度干扰因子、阻力升力因子之间的关系。利用这一关系，设计和峰值性能的计算直接从峰值性能点开始，避免了试错过程^3.．

在本研究中，为风力机叶片的最大功率设计提供了一种计算方法⁴．为了确定功率Cp和功率产(理论)的系数值，并与博帕尔附近77°35′e和23°28′N海拔530 m的研究地点的Wind数据进行了比较。

研究目的

1.优化设计和峰值性能预测的新方法。
2.地形特征分类，包括孔隙度，粗糙度和涡轮机现场的障碍。
3.风力发电机组技术细节及功率曲线。
4.分析从风力发电机网站收集的数据。
5.确定年度能源产量。

方法

为了设计转子及其峰值性能预测，将叶片分为100个径向单元。考虑了100个辐射站的总数。由于叶尖损失因素，来自内部5%和外部5%长度的功率贡献没有被计算在内。确定了各工位叶片弦长、扭转和基本功率系数。图1显示叶片被划分为100个元素。

图1:10kW水平轴风力发电机叶片在100个零件 点击这里查看图

速度干扰因素

通过求解方程，确定径向站的轴向速度干扰因子a和角速度干扰因子a'

采用Newton-Raphson法[5]求解。“a”的初始值为0.30。通过Newton-Rap子方法，将函数G1和G2取为:


在哪里da ' / daEqn - (5)

Eqns(3)、(4)、(5)分别测定Eqn- G1和G2。

i. a的新值确定为-



2'a'新旧值的差被计算为-

Da = |a - a_n|

3旧值a被新值an替换。

iv.如果da³10-5，重复步骤(iii)到(vii)。

v.当da < 10-5时，取a和a'的值作为速度干扰因子。

图2:RGPV博帕尔基地的涡轮位置和地形特征。 点击这里查看图。

叶片的弦长和扭转

在给定的径向站，利用Eqn确定相对风角φ。



叶片β的扭转为(φ−α)，其中α为Cd/Cl比最小时叶片翼型截面的迎角⁶．

可靠性比率

得到了局部固体度比σ


其中，Cld是对应于给定翼型截面最小Cd /Cl比的升力系数。计算σ后，用Eqn确定弦长。



功率系数

利用Eqn法确定了径向站的基本功率系数。



对于数值积分方程。修改为以下形式:


在辛普森法则⁸在数值积分中，总功率系数由-确定



在哪里问Ki = 3 + (-1)我+1, I =辐射站的数量I = 100

图3:国家的RGPV校园 印度中央邦。 点击这里查看图。

在优化设计和峰值性能预测的新方法中，由于建立了最大功率系数对应的a、a’、ε和F的精确关系，避免了速度干扰因子收敛和功率系数比较最大化所需要的迭代过程⁵．新方法所需要的迭代过程仅仅是解Newton-Raphson方法下的一个方程，这个方程需要最多10次迭代才能使“a”的精度达到10-5。设计过程从最大功率点开始，而不是寻找最大功率点然后进行计算。从而简化了水平轴风力机的优化设计和准确的峰值功率预测。

表1:RGPV山水轮机障碍物特性测量值 点击这里查看表格。

测量场地描述

地形地图55 E / 7已经获得印度的地质调查所显示的轮廓丘陵附近博帕尔的研究进行了(图2)。考虑的博帕尔占地面积大约256平方公里在起伏的地形,点缀着水体,耕地和荒地以及半城市住宅。图2 RGPV Bhopal站点风力发电机位置及地形特征，图3为RGPV丘陵安装的风力发电机。

表2:技术规范 Machinocraft 10千瓦 点击这里查看表格。

指定测量地点附近的障碍物

每个障碍都出现在测量附近场地影响采集的风资料，这要视情况而定基于地形的孔隙度和粗糙度。每一个障碍物必须通过它的相对位置来指定和它的尺寸，必须分配孔隙度。障碍物的位置在局部的极坐标系统角(轴承用指南针测量)是顺时针从北;距离是指从场地到场地的径向长度障碍物的角(用a测量卷尺或测距仪)。附近的障碍涡轮位置如图3所示。表1显示了各种障碍的距离。作为一般规则，建筑的孔隙率可以设置为零树木约0.5。一排相似的建筑物它们之间的距离是长度的三分之一建筑的孔隙度约为0.33。

表3:叶片翼型的攻角、阻力、升力和阻升比 点击这里查看表格。

风力发电机组技术细节及功率曲线

机械制造10千瓦风力发电机安装在RGPV位于77°35 e经度和北纬23度28分博帕尔附近，海拔530米。技术功率曲线如图4所示。风力涡轮机转子由三个螺旋桨式叶片组成。带有内螺纹的衬套嵌在根部部分，这样就形成了与轮毂的连接。壳体、梁和根截面由玻璃纤维增强聚酯制成，其中主要强度性能已通过使用连续纤维(单向划桨)实现。衬套由铬合金钢制成。气动叶尖制动器的所有金属部件均由不锈钢、碳纤维和环氧树脂制成。

图4:在RGPV山上，风力涡轮机的障碍图 点击这里查看图。

风力机叶片技术细节测量 在网站

该型号为NACA 63400系列，生产效率高，对污垢的敏感性小。它的失速性能也很好。在一组中，每一个叶片通常是三片叶片，根部和尖端的重量与组中其他两个叶片相同。叶型气动数据如表2所示，其最小阻升比为0.0137。攻角是-4?风机叶片规格如表4所示。

图4:安装在RGPV Bhopal的10kw涡轮风速功率曲线 点击这里查看图。

图5:理论模型和实验模型的输出功率kW与叶尖速比 点击这里查看图。

实验数据收集的分析风力涡轮机的网站

数据记录在数据记录仪中，设定一个月的时间，每隔1分钟读数一次，给我们风速和发电量的信息。进一步按上述公式计算出叶尖速比(?)和功率系数(Cp)。表5是涡轮现场收集的实验数据。

表4:10kW风力机叶片规格。 点击这里查看表格。

结果与讨论

为设计风力机转子叶片弦长，确定了其在各站的扭转和基本功率系数。通过建立与最大功率系数对应的轴向干涉系数(a)、角速度干涉系数(a’)、Cd/Cl比(ε)之间的精确关系，避免了速度干涉系数收敛和功率系数比较最大化所需要的迭代过程。结果表明，风力转子处于最优设计状态。风速和攻角是有变化的。考虑了叶尖损失修正因子(F)。在上面的例子中，叶片型线和叶片型线产生的功率可以计算到其他NACA型线。

表5:涡轮现场收集的实验数据。 点击这里查看表格。

图6:理论功率与叶尖速比的系数 和实验模型。 点击这里查看图。

结果产生的研究网站收集的数据,因为这些数据是应用于数学模型基于优化设计的新方法和最佳性能预测的功率系数Cp的价值和发电生产理论和实验图5和6所示。当叶尖速比(l)为3-4时，Cp值达到最大值(0.45)。由图5和图6可知，涡轮产生的最大功率在7- 10kw之间，l在3-4之间。

显示WEG产生的实验功率。将理论和实验数据相结合，得出汽轮机数学仿真产生的理论功率为60.25 kWh，实验功率为42.85 kWh。

参考文献

1. Griffiths, R.T.和M.G. Wollard，最优风力发电机性能，杂志达成。能源， (1978) 4: 261-272
2. 《空气动力学理论中的飞机螺旋桨》。杜兰德，w.f.多佛出版社，纽约(1963)。
3. “水平轴风力发电机转子之叶片元件性能研究”，国立台湾大学土木工程研究所硕士论文。风能工程学报，(1983) 7(3): 129-137。
4. Jansen, w.a.m.，发展中国家的水平轴快速运行风力涡轮机。SWD 76-3，发展中国家风能指导委员会，阿默斯福特，荷兰，(1976)91。
5. 利用风力涡轮机从自由流中提取能量的原理，Int。J. of Wind eng .，(1983)7(2): 115 - 125。
6. 罗赫巴赫，C.， H. Wainauski和R. Worobel，风力涡轮机空气动力学的实验和分析研究，联合技术公司汉密尔顿标准分部。康涅狄格州，(1977)250。
7. 萨斯特里，s.s.，工程数学，2，普伦蒂斯霍尔印度(2003)。
8. 斯蒂文斯，M. T. M.和P. T. Smulders，“风能利用的威布尔风速分布参数的估计”，Int．《风Engg。(1999)3(2): 132 - 14。