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文 献 综 述 |
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一、研究背景 我国幅员辽阔，蕴藏着丰富的风能资源,而风能作为一种无污染、可再生、高效清洁的替代能源，具有极高的开发利用价值。世界上第1台风力发电机于1891年在丹麦建成, 但由于技术和经济等方面原因,在当时，风力发电未能成为电网中的主力能源。后来经过对叶片外形及叶片上风能损失的不断研究，提出了许多修正方案，得出了影响风能损失的重要影响因子，改善了风力发电的运行状况。目前风力发电已在世界范围内有了一定的利用规模。 二、研究意义 叶片是水平轴风力机的核心部件，可将风能转化为机械能。叶片的气动性能不仅直接决定风力机的能量转换效率，还影响风力机及其部件的运行可靠性。因此对风力机外形优化的研究具有重要学术价值，是促进风力机改良，以及风力发电行业发展的最直接有效的方法。 传统的水平轴风力涡轮叶片通常采用直接的方法设计(即正问题方法) ,也就是基于分析的设计方法。设计过程包括分析和完善叶片几何结构直到满足所需的性能要求，基于这个目的，叶片叶素理论,如PRO P程序等，广泛应用于叶片设计。 虽然直接设计方法有许多优点，但也存在耗时较长，所需的转子特征不能直接确定等缺点。比如,确定所需的气动特性沿叶展分布(如升力系数)，以符合最佳的升 — 阻比，以及均匀的轴向来流分布以达到最佳的转子性能;又如，对某些失速调节型风力涡轮,为避免破坏电机，峰值动力必须限制;再如，某些所需的转子特性应在最初的叶片设计阶段考虑等。因此,当使用正问题方法进行叶片结构优化设计时, 必须面对这些无法克服的特殊困难。如果采用反问题设计方法，正问题设计方法的许多缺点就可以大大减少，同时反问题设计方法(逆设计)还可包括正问题方法中的许多优点。程序PRO P ID 正是基于这种目的而发展起来的一种反问题叶片气动设计方法，更准确地讲, PRO P ID可以从确定的叶片几何中得到转子所希望的性能及气动特性。反问题设计方法对传统的设计方法有明显的改进,用反问题方法优化叶片的几何结构，需要已知最佳转子特性，但在新设计开始时往往是不知道的。因此，发展一种最优化方法以确定最佳转子特性是非常必要的。它可以与反问题设计方法结合使用，以达到最佳的叶片几何设计。本课题研究的即是基于逆设计的风力叶片优化方法。 三、国内外研究现状 国外风力机较发达国家凭借在叶片设计方面积累的经验和实力，在叶片翼型方面，正在研制风力机专用翼型，如瑞典航空研究所研制的FFA-W翼型、丹麦的RISФA系列翼型和美国国家可再生能源实验室的S系列翼型。在气动外形设计方面，从翼型的选择到整体外形设计己形成一套成熟的理论体系,并不断修正、完善现有的设计理论，己开发出众多相关软件及程序代码，如Profili、FAST_AD、Aerodyn、GHBLADED、LM Blades等。在设计过程中，一些专门的叶片设计公司如AERODYN、CTC等均使用大约十余种软件组成的系统进行综合设计，以确保叶片在获得优异的气动性能同时拥有良好的结构性能和工艺性。依靠自身的技术优势和技术垄断，它们现已把研发目标投向海上风电场，研制更大型的叶片，LM公司已经成功研制出5MW叶片，长61.5米。 在我国，也有一批学者致力于风力机叶片的研究。截止目前，我国在风电叶片设计优化上也取得了非常丰富的结果。同济大学硕士研究生徐贵营及其导师黄争鸣研发了建立可实现不同优化目标的风力机优化设计平台[7.8]，分别以风力机年发电量、低风速启动性能等为设计目标对一款 600W 小型风力机进行优化设计。建立了多目标风力机优化设计平台，采用基于 Pareto 最优解概念的多目标优化算法，采取先优化后决策的方式对 NREL PHASE VI 风力机叶片进行多目标优化改进。上海交通大学博士沈昕及其导师[16]，针对风力机气动性能预测及应用展开研究，一方面通过建立合理可靠的风力机定常及非定常气动性能模型揭示风力机工作时气动特性，另一方面结合气动性能预测模型建立风力机叶片优化设计平台。上海交通大学杜朝晖教授与美国伊利诺大学合作[6]，为找到一种优化方法来确定转子的最佳性能发展了一种最优化方法PRO PGA，它是基于最优化方法的遗传算法，并包括PRO P ID的部分反问题设计能力。在给定的一系列设计参数的要求和约束条件下，对一定特性的叶轮, PRO PGA可以完成最佳的叶片几何计算。在过去的几十年内，我国在风力机气动性能预测和优化设计方面已取得了重大进步，然而仍有许多影响风力机气动性能的物理机理及叶片气动优化设计理念还没有被完全理解，因此还需要开展进一步的探索工作。 四、研究目的 我们研究这一课题，目的在于了解风电机组的设计流程，培养运用所学知识分析和解决问题的能力，同时培养编程和仿真的能力。最后，在学习和掌握风力机叶片气动优化设计方法的基础上，学习如何利用风力机气动设计专业软件PROPID完成风力机的气动设计，然后对所设计叶片完成性能评估。 参考文献： [1] Hansen M O L. Aerodynamics of wind turbines[M]. Routledge, 2013. [2] 廖明夫，R.Gasch，J.Twele. 风力发电技术[M].西北工业大学出版社，2009. [3] 李春，叶舟，高伟等. 现代大型风力机设计原理[M].上海科学技术出版社，2013. [4] 赵万里.大型风力机气动设计及流动控制研究[M].中国水利水电出版社，2013. [5] Burton T, Jenkins N, Sharpe D, et al. Wind energy handbook[M]. John Wiley amp; Sons, 2011. [6] 杜朝辉. 一种水平轴风轮叶片的气动设计方法[J]. 太阳能学报, 2000, 21(4): 364-370. [7] 徐贵营. 风力机叶片外形优化与设计[D]. 同济大学, 2008. [8] 徐贵营, 黄争鸣. 水平轴风力机叶片的逆向设计与分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2008 (1): 41-44. [9] Selig M S, Tangler J L. Development and application of a multipoint inverse design method for horizontal axis wind turbines[J]. Wind Engineering, 1995, 19(2): 91-106. [10] Fuglsang P, Madsen H A. Optimization method for wind turbine rotors[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1999, 80(1): 191-206. [11] Polat O, Tuncer I H. Aerodynamic shape optimization of Wind Turbine Blades using a parallel Genetic Algorithm[J]. Procedia Engineering, 2013, 61: 28-31. [12] Saeidi D, Sedaghat A, Alamdari P, et al. Aerodynamic design and economical evaluation of site specific small vertical axis wind turbines[J]. Applied Energy, 2013, 101: 765-775. [13] Kim B, Kim W, Bae S, et al. Aerodynamic design and performance analysis of multi-MW class wind turbine blade[J]. Journal of mechanical science and technology, 2011, 25(8): 1995-2002. [14] Xudong W, Shen W Z, Zhu W J, et al. Shape optimization of wind turbine blades[J]. Wind Energy, 2009, 12(8): 781-803. [15] 周振凯，刘占芳.水平轴风力机叶片优化设计[D].重庆大学，2011. [16] 沈昕，杜朝晖. 水平轴风力机气动性能预测及优化设计[D].上海交通大学，2014. |
