风力发电机叶片电加热融冰过程及其数值模拟

发布时间：2020-08-21 07:09

【摘要】：随着风能产业在世界范围内的迅速发展,风力发电机覆冰问题日益显著。目前,电加热融冰技术被认为是解决风电场覆冰问题最为有效、可靠和最具经济可行性的方法。然而,由于旋转状态下叶片融冰问题的复杂性和开展相关研究的困难性,国内外学者尚未在基础技术方面取得关键性的研究成果。基于上述研究背景,并结合当前叶片电加热装置研制所面临的诸多问题,本文开展了风力发电机叶片电加热融冰过程的系统研究,揭示了叶片电加热融冰的物理过程,为融冰装置的合理研制与高效运行提供了理论基础。论文的主要工作及取得的成果如下:(1)基于风力发电机叶片电加热融冰的基本物理过程和热传导过程,建立了叶片电加热融冰的数学模型,考虑了融冰过程中叶片、冰层与环境之间热交换的动态变化过程,分析了融冰后冰层底部空气间隙的产生与增长规律,给出了融冰时间的计算方法。(2)提出了将流动与传热耦合计算方法和两步显热容法相结合的数值计算思路,建立了基于全域温度场动态变化和冰层内部空气间隙动态发展的风力发电机叶片融冰数值计算方法。在使用覆冰叶片精确几何外形的基础上,实现了叶片融冰过程的动态模拟。同时,设计、制造并搭建了风力发电机融冰试验装置,开展了人工与自然条件下的叶片融冰试验研究,对数值计算方法进行了验证。结果表明,所建立的风力发电机叶片融冰数值计算方法能够较好地模拟叶片融冰过程,仿真得到的叶片表面温度变化规律与试验情况较为符合,其误差在±5°C以内,满足工程实践要求。(3)基于对叶片融冰试验现象与结果的分析,提出了叶片融冰过程存在自然终止现象的观点,利用所建立的数学模型和数值计算方法,对自然终止后的空气间隙内部速度场和温度场进行了仿真研究。给出了叶片融冰自然终止条件的定义:冰层内部空气间隙在两端均与外界空气实现连通,或者叶片加热区域表面在融冰开始后形成稳定的温度场分布。(4)结合试验与仿真结果对风力发电机叶片融冰过程进行了综合探究,通过对融冰进程中温度场的动态变化和冰层内部空气间隙动态发展过程的分析,给出了叶片融冰的完整物理过程,指出风力发电机叶片融冰过程主要分为五个阶段:初始温升、气隙出现、气隙增长、自然终止和冰层脱落。(5)利用所建立的数学模型和数值计算方法对临界融冰功率和限时融冰功率的影响因素进行了分析。结果表明,临界融冰功率主要受到覆冰程度、环境温度和合成风速的影响;限时融冰功率主要受到允许融冰时长、覆冰程度、环境温度和合成风速的影响。叶片攻角对两者的影响不具有规律性且基本可以忽略。通过开展人工条件下的试验研究,发现临界、限时融冰功率的仿真值与试验值具有较好的一致性,其平均误差分别为6.6%和6.9%,进一步验证了所建立数值计算方法的正确性和准确性。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM315
【图文】：

1 绪 论 论文的背景及研究意义.1 风能利用与发展风能作为一种清洁可再生的新型能源，不仅在能源供应、能源安全以及增长方面发挥着重要作用，也在大气污染防治和温室气体减排中扮演着。近年来，随着人们逐渐意识到传统化石能源对环境造成的破坏以及过可再生能源而导致的潜在能源安全问题，风电产业越来越引起世界各国在全球呈现持续高速发展态势。经过十数年的快速发展和逐步完善，风经日臻成熟并在全球范围内超过 90 个国家实现应用。据 GWEC（全球风）统计[1]：2017 年全球市场新增风电装机容量超过 52.5 GW，全球累计容量达到539.5GW，其中中国年新增装机容量为19.5GW，占全球市场的3装机容量达到 188.2GW，占全球市场的 34.8%。

图 1.2 300kW 风力发电机覆冰Fig.1.2 Ice accretion on a 300kW wind turbine来，随着对风机覆冰重视程度的提高以及相应观测或机构针对该问题进行了更为深入、全面和系统研究项目[18]对西班牙境内517台风力发电机在覆冰析，发现在为期29个月的监测时间内共计损失发电全国范围内的风力发电机因覆冰而发生的年度发于 200000 个家庭的用电量。V. Lehtom ki 等人[19]的风力发电机进行了跟踪研究，发现其年发电量损单台风机年度经济损失高达一百万美元。着“十三五”计划的逐步实施，我国内陆风电场、浙江、四川、重庆、贵州和云南等地均建设了春时节覆冰灾害频发，风电场覆冰事件屡见不鲜。

便在一个月后的 2015 年 1 月 29 至 31 日遭受到了间断的响。期间共计发生 3 次覆冰事件，累计停运时间 85.32 小时，共kWh。 年贵州某风电场一期机组(48 台，共 96MW)在 6 个月内受到间，因叶片覆冰而导致的总停机天数为42天，共计损失发电量72的电费损失 1053.80 万元，平均每台机组损失电费 21.95 万元。中通常将这类风机称作寒冷气候条件风力发电机，指的是会长时遇外界低温或积冰事件而导致设计及运行受到限制的风力发电类风力发电机的影响主要体现在以下几个方面：量仪器的影响发电机的合理有效运行离不开机舱顶部风速风向仪的稳定工作风速风向仪对大气环境参数的准确测量，致使控制系统基于不境参数而向机组发出不合理的运行指令。例如，不合理的变桨使风力发电机输出功率大打折扣，重则导致风机机械结构受到

【参考文献】

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本文编号：2799089