新型組合式垂直軸風機的優化設計與性能研究

2015-02-19 02:41:49霍玉雷楊洪偉談宏飛

浙江工業大學學報 2015年3期

徐　璋,霍玉雷,陳　勇,楊洪偉,談宏飛

(浙江工業大學能源與動力工程研究所，浙江杭州 310014)

徐璋,霍玉雷,陳勇,楊洪偉,談宏飛

(浙江工業大學能源與動力工程研究所，浙江杭州 310014)

摘要：對于垂直軸風機，升力型風能轉化效率高,但是其在低風速下不能自啟動；阻力型可以在低風速下自啟動，但其轉速低，而且其風能利用率低.為了充分發揮二者性能，我們設計制作了一種新型組合式垂直軸風力機，通過采用超越離合器作為連接件將Darrieus風力機和Savonius風力機組合而成，并對其進行了三維數值模擬和吹風實驗.通過對比有無加裝S型風機時風機啟動風速和輸出功率的模擬結果與實驗數據，發現該新型組合式垂直軸風機啟動風速明顯降低，風能利用率僅略有下降，很好地實現了互補.

關鍵詞：CFD;垂直軸風力機;升力型;阻力型;超越離合器;吹風實驗

Optimum design and study on the properties of a new combined

type vertical axis wind turbine

XU Zhang, HUO Yulei, CHEN Yong, YANG Hongwei, TAN Hongfei

(Institute of Energy and Power Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:For vertical axis wind turbines(VAWT)，the lift type has a high conversion efficiency but it cannot start itself at low wind speed；the resistance type can start itself at low wind speed， but it also has a low fan speed and a low wind power utilization coefficient． In order to fully take advantage of their merits， a new-type VAWT, which joined a Savonius wind turbine and a Darrieus wind turbine by an overrunning clutch, was proposed. 3-d numerical simulation and experimental wind tunnel tests were carried out．By comparing the power output and start-up wind speed between the units with and without S-type wind turbine，it shows that the start-up wind speed of this new type VAWT decreases significantly, while the wind power utilization coefficient only reduces slightly, which combines the advantages of two types of wind turbines.

Keywords:CFD; VAWT; lift type; resistance type; overrunning clutch; wind tunnel tests

隨著能源與環境之間的矛盾日益加劇，作為可再生能源的風能，已受到世界各國的歡迎和重視[1].但風力發電在實際應用推廣中遇到了入網難、棄風率高、性能不穩定等諸多問題[2]，正因如此，分布式能源作為一種解決方案應運而生，各種新型的風力發電機，尤其是垂直軸風機層出不窮.

分別作為垂直軸風力機升力型和阻力型最典型代表形式的薩窩紐斯型(Savonius type)和達里厄型(Darrieus type)風力發電機組，有著各自的優缺點.為使Darrieus風力機能在低風速下啟動，采用加裝Savonius風力機的方法[3].當把S型風力機串加在D型風力機上后,D型風力機由S型風力機低速轉動下產生的較大力矩帶動從而進行旋轉，啟動后，風能利用率高的D型風機起主要風能轉化作用，保證其整體性能.根據以上原理，本研究設計出Darrieus-Savonius組合式垂直軸風力機模型，以實現S型葉片和D型葉片的優勢互補.同時，針對此類組合式垂直軸風力機傳統設計中存在的高速運行時S型與D型相互影響的問題，進行了新型組合式垂直軸風機的優化設計，并對其氣動性能和風能轉換效率進行數值模擬與吹風實驗，目的是研究及驗證其可行性.

1新型組合式垂直軸風力機的優化和結構設計

查閱了相關的一些文獻[4-8]后，通過進行優化和尺寸計算，確定了此組合式垂直軸風力機中的的具體設計參數，分別如表1，2所示.

表1　S型風機具體設計參數

表2　D型風機具體設計參數

S型風輪制作的主要材料為白鐵皮，為了最大化采集利用各個方向上的風能，設計制作兩個相同規格的半圓形S型風輪以上下90°方位差疊加布置.D型風輪的葉片選擇玻璃鋼材質，形式為結構簡單，風阻較小的NACA0015對稱翼型，葉片和支撐桿通過螺母螺栓與磁懸浮發電機頂蓋相連.S型風機整體安裝于D型風機之上，防止S型與D型風力機之間迎風面積相互影響.在此設計條件下，S型風機在低風速下便可以啟動，繼而帶動D型風力機工作.

另外，組合式風力機平穩運行之后，在氣動性能方面，低速旋轉的S型會對高速旋轉的D型產生較大的消極影響.本設計擬采用帶軸承的CKZ型號的超越離合器，主動軸與S型風力機聯接，從動軸與D型風力機聯接.最終使得上下兩部分風機在D型風力機被S型風力機順利帶動后及時斷開，既保證了D型風力機的啟動，又不使得D型的氣動性能受S型的影響.安裝好的風力機具體形式如圖1所示.

圖1　組合式垂直軸風力機Fig.1　Combined type vertical axis wind turbine

2新型組合式垂直軸風力機的數值模擬

針對前述設計制作的風力機模型，在有無S型風機的情況下，分別建立模型，確定計算區域，在給定工況下，利用ANSYS Fluent軟件對模型進行三維非定常數值模擬，得到風機的模擬輸出轉矩和輸出功率,以及風能利用系數等氣動參數，從而對比得出結論.

2.1網格劃分與邊界條件的確定

風輪轉動過程的非定常數值模擬均采用滑移網格模型，有S型風機的總體網格數240萬，無S型風機的三維網格數為110萬.出于忽略體積力和外部熱源的考慮，在模擬過程中均以非定常不可壓縮Navier-Stokes方程作為控制方程.然后依次設定如下參數：

均勻來流風速為V0=8 m/s，D型、S型風輪規格參考表1，2；設置速度入口邊界和壓力出口邊界；有S型風機時選取壁面在兩部分風機葉片以及封蓋上，無S型風機時在D型風機葉片上，且均設置無滑移壁面邊界條件；在外流場與兩類型風力機各自的旋轉區域的交界面處，均設置Interface邊界條件；由于整機的三維數值模擬應用滑移網格技術，因此將葉片旋轉區域及其附近區域分別設定為不同的流體區域：D型葉片區域和S型葉片區域的旋轉速度分別為180 r/min和120 r/min；湍流模型采用標準k—ε湍流模型；計算方法采用SIMPLE算法，離散方法均采用二階迎風格式[9].

2.2三維CFD非定常數值模擬結果

2.2.1風力機的轉矩模擬

根據模擬結果，分析其氣動性能[10]可得：無S型風機的情況下，平均轉矩系數大約為0.2；在180 r/min的轉速下，葉片受到周期性轉矩矩范圍內葉片的平均轉矩為6.2 Nm.而有S型風機的情況下，平均轉矩系數在0.3左右.同理可以得到，在D型180 r/min和S型120 r/min的條件下，葉片的平均轉矩為9.5 Nm.對比可以發現，加裝S型以后風力機輸出的轉矩系數均高于相同條件下的無S型，說明加裝S型的風機在低風速下比沒有加裝S型的更加容易啟動.

2.2.2風力機的風能利用率模擬

通過風力機葉輪旋轉面的風能，并不能全部被葉輪吸收利用，其利用量與總風能量的比值，即風能利用率，代表了風力機將風能轉化為機械能的能力，是在忽略轉換裝置效率的情況下，評價風力機整個葉輪系統其氣動性能最為直觀的指標，且一臺風力機的風能利用率隨尖速比變化，存在一個最佳尖速比.在不同的尖速比下，對有無S型風機的情分別進行三維非穩態數值模擬，計算過程中對葉片所受到的轉矩系數進行監測，依據風能利用系數與轉矩系數的計算關系，對模擬結果進行處理，可以得到有無S型風機的情況下整機風能利用系數變化關系曲線的對比結果，如圖2所示.

圖2　有無S型風機情況下整機風能利用系數變化曲線Fig.2　Curve of wind power utilization coefficient of the wind turbine with and without S-type

由圖2可見：有無S型情況下的風能利用系數隨尖速比的變化趨勢基本一致，且均在尖速比3左右時風能利用系數達到最大.加裝S型后整機的風能利用系數均高于相應尖速比下的無S型的情況，加裝S型的最高風能利用率為0.27，平均風能利用率為0.25；無S型的最佳風能利用系數為0.29，平均風能利用系數為0.25.從模擬的結果中可以看出：有S型的情況下風能利用系數低于無S型的情況.其差異的主要原因是組合式垂直軸風力機中加裝的兩個S型風力機，其屬于阻力型的風機，風能利用系數較D型風力機有一定程度的差距；且由于超越離合器本身主動軸和從動軸之間的相對轉動存在較低程度的摩擦，風力機的性能會受到一定影響，導致加裝S型后風能利用系數有所降低.同樣是由于超越離合器的存在，在D型工作后使S型和D型斷開，各自旋轉，D型起主要的風能轉化作用，從而使得風能利用系數只是略有降低，并未造成實質性的影響.同時，根據上節的結果來看，該組合式風機能在低風速下獲得更好的啟動性能，所以總體來說利大于弊，符合實驗目的.

3吹風實驗及其結果分析

在實際應用中，由于風力機的組裝、制造過程中的誤差以及工作時的各部件摩擦損耗，會使得風力機的實際氣動性能較模擬結果有一定程度的下降.為了對該組合式風力機的實際氣動性能進行研究驗證，制造1∶1模型并進行了吹風實驗：在不同風速下，利用控制器遠程管理軟件實時測量和記錄特定風速下風力機的轉速和輸出的電壓、電流、功率.為了能夠更加直觀地對比有無S型情況下風機的性能，對測量數據進行可視化處理，得到了有無S型情況下各參數之間的變化關系曲線圖.圖3為兩種情況下風速與轉速變化關系曲線，圖4為兩種情況下轉速與輸出功率的變化關系曲線.

圖3　有無S型風機情況下風速與轉速變化關系曲線圖Fig.3　Curve of wind speed and the fan speed of the wind turbine with and without S-type

圖4　有無S型風機情況下轉數與輸出功率變化關系曲線圖Fig.4　Curve of fan speed and Output power of the wind turbine with and without S-type

對比圖3的兩條曲線并結合測量結果可以看出：有S型的情況下風力機的啟動風速為0.782 m/s，遠低于無S的情況下風力機的啟動速度1.768 m/s.在風速達到2.5 m/s前，有S型的情況下轉速增加較為緩慢，這是因為S型轉速大于D型轉速，兩者尚未脫離，S型風機轉速的上升速度較D型慢，會對整機的造成一定的阻礙.但是在風速達到2.5 m/s后，D型轉速開始大于S型，由于超越離合器的存在，S型脫離，變化關系曲線趨于一致.

對比圖4的兩條曲線可以看出：兩種情況下風機的輸出功率隨轉速具有相似的變化，只是在S型風力機經超越離合器脫離前，有S型的情況在數值上略微低于無S型的情況，這種差距在脫離后基本消失.

根據以上的測量結果，可進一步得到轉數與風能利用系數的關系，如圖5所示.

圖5　有無S型風機情況下轉數與風能利用率變化關系曲線圖Fig.5　Curve of fan speed and wind power utilization coefficient of the wind turbine with and without S-type

由圖5可見：在200 r/min的轉速以內，加裝S型風機前后，風機的風能利用系數伴隨著轉速具有相似的變化規律，臨界轉速都在160 r/min附近，超過160 r/min后，風能利用系數逐漸降低.在數值上無S型的風機整體偏低，有S型的情況下最高風能利用率在0.25左右，高于無S型情況下的0.27，且都略低于模擬得到的最高風能利用系數.由于模擬時的三維模型經過簡化，忽略了中心轉軸及支撐桿的風阻，因此其結果與預期是一致的.

4結論

對設計的新型組合式垂直軸風力機進行的CFD數值模擬實驗表明了加裝Savonius風力機后，組合式風力機整體的啟動風速相對于單獨的Darrieus風力機確有很大減小，雖然與此同時，風機的輸出功率，風能利用率略有降低，但總體來看，利大于弊.吹風實驗由于考慮了各處的實際風阻，同樣轉數下測得的風能利用率比模擬的要小，啟動風速要比模擬的大，但其趨勢和模擬結果相同，很好地驗證了模擬得出的結論.這一切都得益于創新性地提出使用超越離合器作為連接件，把影響降到了最低.但大多數部件經由手工制作，還達不到實際應用的水平，在性能上還有提升的空間，相信會得到更加廣闊的應用和發展.

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(責任編輯：劉巖)