一种大型风力发电机集风整流系统的设计分析

赵尊立

摘 要：为解决传统风力发电机中只能在一定风速范围内工作、吹风方向性不好等问题，本文设计并验证了一种使风力加速的大型集风装置，介绍了该集风装置的功能和结构组成特点，分析了该装置在工作时的安全性和可行性。

关键词：风力加速；整流；风力发电机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.160

0 前言

目前，传统发电机组局限性较大，受到风速影响较大，还会因为风在其叶片上展现出湍流的状态，导致风机叶片的损伤。本文中，为解决叶片承受的风向等问题，设计出了能够提高风速和风的方向性的集风装置，同时这种装置能够根据风速进行调节，从而达到在保证提高风能利用率的前提下确保集风罩的安全。

1 风电发展的局限性

虽然风力发电到目前为止已经具有较长的发展时间，但是还不能和水力发电、火力发电以及核电进行相提并论。根据调查研究发现，造成这种现象的原因主要包括以下几个方面：（1）风能具有的能量密度小。由于风力发电和水力发电的原理相近，所以将风力发电和水力发电进行对比，可以发现由于水的密度远大于空气的密度，所以风能所具有的能量密度较小。（2）风力发电更难控制。在风力发电中，由于风速和风向都极难控制，所以当遇到风速较大的情况时，为了保证风力发电装置等不被破坏，需要将风力发电机关闭，这就导致了风力发电远低于水力发电、火力发电等。（3）技术条件限制。在现有技术基础下，风力发电的塔架高度、发电叶片的大小等收到很大的限制，但是为了提升风力发电的发电功率，目前最佳的方法就是将发电机组做的更高更大。

通过以上观点得出，风力发电局限性较大，导致风力发电在现阶段的发电功率低下，直接影响风力发电规模化、普遍化的发展。

2 理论基础分析

根据查询得到风能转化关系式： P=（1/2）Cp×A×ρ×V?

根据公式可得，为了提高每台风力发电机的发电功率，如果根据传统方法，那么只有利用塔架高度的提高来实现。但是，如果我们把风力发电的叶片所扫过的面积看作是一个通道的截面，同时因为只有从风力发电机组形成的截面穿过的风才能够做功，再根据流体力学具有连续性的原理，S1×V1=S2×V?

那么我们可以得到：通过把通道的截面缩小，从而将风速V提高，这样提高了风力发电的输出功率。这样得出，风速是提高风力发电功率最为重要的参数，风速的提高可以提高风力发电机的发电功率。若在功率达到要求的情况下，利于这个结论，可以将风电机组缩小化，就能够提高机组的稳定性和牢固性。

3 新型集风罩系统的结构设计

（1）总体外观为一喇叭状罩体，整个集风罩利用36块相同形状的块体组成，同时每个分割体均可以绕轴自由旋转。（2）集风罩进口与出口大小不同，进风口为朝着主风向，进风口大于出风口，同时将进口边缘和出口边缘进行支撑，而这就是集风罩的整体结构。（3）风罩进出口装有用电动机，用来控制风罩的旋转，同时电动机连接着转轴，装在风罩进出口的钢架上方。利用和电动机连接的绳索来实现风罩工作和避风的两种状态。

4 集风罩工作效果分析

4.1 网格划分及边界条件

在本次設计过程中，通过利用FLUENT流体分析软件实现对于集风罩的工作状态，即集风效果，进行数据模拟分析。在模拟计算过程中，FLUENT中的计算网格分为结构化网格和非结构化网格。其中结构化网格模拟得出的数据精度较高，但是划分十分困难，因为其对于计算区域的物理形状要求较高，这也导致了结构化网格的缺点，就是较窄的适用范围。而对于非结构化网格来说，其特点能够很好地解决结构化网格在任意形状和任意连通区域存在的问题。

在分析模拟过程中，由于集风罩的结构复杂，所以采用非结构化网格，选择的三维网格为Het/Hybrid类型，这种类型主要是六面体组成，除此之外，在合适的位置还可以产生六面体、楔形、锥形等网格单元。

4.2 模拟结果分析

设置不同的入口条件，迎面风速为2-8m/s时，计算模拟风罩集风效果。

流场。当入口风速分别为2m/s、8m/s时的集风罩出口的速度矢量图如上图所示。当风速为2m/s时，如图三所示，在集风罩的整流芯边缘位置，风速达到3m/s。在目前，风力发电机最低的工作风速为2.5m/s，这样就能达到风力发电机的正常运转速度，同时在径向方向上，从内到外，速度是逐渐增大，当达到整流管的内径边缘时，达到最大速度6m/s，这个速度是风速的三倍，所以集风罩工作效果良好。而在图四种，能够得到相同的结论，当风速为8m/s时，出口的速度大部分能达到16m/s以上，最高速度能够达到25m/s，集风罩工作效果尤为明显。

5 结论

（1）集风罩避风状态下效果良好。当集风罩在避风状态下，风力发电机的发电叶片所承受的压力只为工作压力的三分之一，表明达到了避风效果。

（2）集风罩在工作状态下集风效果明显。集风罩对于风速的加速效果能够达到1.5-3.0倍，在使用集风罩的情况下，不仅可以降低风力发电机的启动风速同时对于风机效率也有较大的提高。

（3）提高风能的利用率。从出口速度矢量图中可以得出，整流管、整流芯所表现出的整流效果明显，同时出口强风能够基本垂直吹向叶轮，这就能够提高风能的利用率。

参考文献：

[1]田德，王海宽，韩巧丽.浓缩风能型风力发电机的研究与进展[J].农业工程学报，2003，19（zl）.

[2]舒朝晖，马荣峰，陈焕新，王福宝，路阳.基于FLUENT的百叶窗翅片空气侧流动数值模拟[R].2009湖北省暖通空调制冷及热能动力学术年会.