当前世界环境

介绍

从风中提取能量涉及非常复杂的技术，而风向和风速不断变化的风的动态特性使得这一过程更加繁琐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²．两个速度干扰因子之间的关系，导出了最大元素功率系数的拖曳因子。在这种关系的帮助下，设计和峰值性能的计算直接在峰值性能点开始，并且避免了试验和错误过程^3.．

在该研究中，方法演化​​了用于设计风力涡轮机叶片以进行最大电力生产的计算技术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。

研究的目的

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.风电机组的技术细节和功率曲线。
4.从风力涡轮机现场收集的数据分析。
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水平轴风力发电机组叶片100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'

根据牛顿-拉斐逊法[5]获得了该解。取“a”的初始值为0.30。通过牛顿-拉普森法，取函数G1和G2，如下所示：


在哪里da ' / da式（5）

通过EQNS（3），（4）和（5）测定EQN-G1和G2。

一世。'a'的新价值被确定为 -



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）至（vii）。

v.当da < 10-5时，取a和a'的值作为速度干扰因子。

图2：RGPV Bhopal站点和地形设施的涡轮机场的位置。 单击此处查看图。

叶片弦长和扭转

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是对应于给定翼型部分的最小CD / CL比的提升系数。在计算σ之后，在EQN的帮助下确定弦长。



功率系数

利用Eqn法确定了径向站的基本功率系数。



对于数值集成的EQN。被修改为以下形式：


遵循辛普森的规则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:RGPV校园，加利福尼亚州 印度Madhya Pradesh。 单击此处查看图。

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

第55 E/7号地形图来自印度地质调查局，该地形图显示了博帕尔附近丘陵场地的等高线，已对其进行了研究（图2）。考虑中的博帕尔占地约256平方公里，地形起伏，散布着水体、耕地和贫瘠土地以及半城市住宅。图2 RGPV博帕尔现场的风机位置和地形特征，图3显示了RGPV山丘处安装的风机。

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现场影响收集的风数据，并取决于在地形的孔隙和粗糙度。每个障碍物必须通过它的相对位置来指定必须分配给现场及其尺寸孔隙度。障碍的位置是指定的局部的极坐标系统角(轴承用罗盘测量）顺时针给出北;距离是指从场地到场地的径向长度障碍物的角(用a测量胶带或范围查找器）。障碍物附近涡轮部位在图1中示出。3.Table 1显示了各种障碍物的距离。一般来说孔隙率可以设置为等于建筑物的零树木约0.5。一排相似的建筑物它们之间的间隔为三分之一的长度建筑的孔隙度约为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。技术规格如表2所示，图4所示的电源曲线。风力涡轮机转子由三个螺旋桨式刀片制成。带内螺纹的衬套嵌入根部，因此形成到毂的附件。壳体，翼梁和根部由纤维玻璃增强聚酯制成，其中通过使用连续纤维（单向划线）实现了主要强度特性。衬套由铬合金钢制成。空气动力学叶片尖端制动器的所有金属部件都由不锈钢和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 单击此处查看图。

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 单击此处查看图。

图5：以kW与尖端速度比的输出功率与理论和实验模型 单击此处查看图。

从实验室收集的实验数据分析风力涡轮机的网站

数据记录在数据记录器中，设置每1分钟的一个月持续时间读数，给我们有关风速和发电的信息。通过上述公式进一步压制记录数据以找出尖端速比（Δ）和功率系数（CP）。表5显示了从涡轮部位收集的实验数据。

表4:10kW风力机叶片规格。 点击这里查看表格。

结果和讨论

为了设计风力涡轮机转子叶片曲线，其扭曲及其基本功率在每个站点都是共同高效的。由于建立轴向干扰因子（a），角速度干扰因子（a'），cd / cl比（ε），避免了通过比较的速度干扰因子收敛和电力系数最大化的迭代过程。对应于最大功率系数。发现在风转子上以最佳的设计条件运行。风速和攻击角度有变化。对尖端损耗校正因子（F）的考虑。在上面的示例中，可以计算由刀片轮廓产生的功率和相同的电力用于其他Naca Profil。

表5：从涡轮部位收集的实验数据。 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。 单击此处查看图。

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。

工具书类

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. Glauert，H.，空气动力学理论的飞机螺旋桨。编辑。Durand，W. F. Dover出版物，纽约（1963年）。
3. jones，c.n，横轴风力涡轮机转子中的刀片元件性能。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. Riegler，G.，通过风力涡轮机从自由流中提取能量提取原理，Int。J. of Wind eng .，（1983）7(2): 115-125.
6. Rohrbach，C.，H.Wainauski和R.Worobel，风车涡轮机空气动力学的实验和分析研究，汉密尔顿标准，联合技术Corpn划分，康涅狄格州（1977）250。
7. Sastry，Schenty Mathermatics，2，印度Prentice Hall（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．风杂志engg。，(1999)3(2): 132 - 14。