基于文丘里效應的風力發電裝置的試驗模型分析研究

天津理工大學機械工程學院 天津 300384

伴隨可再生能源和分布式發電的興起，風力發電這種清潔能源受到行業的重視，通過對技術的再設計，不但能夠使成本效益高，調整能源結構，使得發電企業以更低的成本運營。在風電裝置運行中，通過對模型的試驗，可以改變傳統風電系統的運行方式，防止出現傳統水平軸式風力發電系統運行中的啟動風力大、旋轉葉片殺害鳥類的問題，充分滿足環境友好型需求和可持續運行需求。因此，可對該系統裝置的運行狀況進行動態化仿真模型的試驗，從而構建分布式的清潔能源系統，并且，通過試驗模型可以確定整個風電裝置各部件的運行模型，避免系統運行時風力資源損耗嚴重，提高風力發電的效率。

1 風力發電裝置的動態建模

1.1 文丘里效應 文丘里效應是利用風力發電裝置中的管道空間寬窄不一，且呈現漸縮的形式，從而使通過該處管道的氣體流速增大。本文中利用文丘里效應的模型可分為：第一，在收集風力單元的下方，在該模型下使收集的風能單元迅速變密，但是，該系統模型存在著使風力損耗較大的問題，可針對性的制定處理方案，以實現該模型的運行目的。第二，在裝置后方安裝文丘里管道，為更大限度的利用渦輪機，也可構建方案，擴大額定裝機的發電量。

1.2 下進風口模型 下進風口模型位于該裝置最上部集風口的下方連接處，類似于一種橫截面積從上至下由大到小的漏斗形，主要作用是將全方位的進風氣流體經該下進風口系統模型集中收集，滿足裝置中第一次流速增大的要求。

1.3 導風板模型 在下進風口模型的構建中，上方有圓柱形的進風口面，為了更方便從全方位收集氣流體，圓柱形進口面之間的距離會影響進氣量，故為了能更有利的采集分風量，可設置相對較寬的距離。在下進風口的中心位置，存在使各個方向的來流風順利進入下進風口的導風板，而導風板在下進風口中的深度對收集氣流也有較大作用，為了防止氣流從一側流入進口面，又從對立相反的一側溢出的現象發生，使更多的氣流能被利用，所以導風板應適當增加深度，而增加的導風板數量會在裝置中使用一定的空間，將進風口處的氣流體阻力增大，故需采用適當的導風板用以導流。

1.4 內壁面模型 在風力發電裝置進風口處中間有內壁面，目的是將氣流沿著內壁面和導風板送入下進風口中。內壁面主要考慮因素是直徑、內壁面的底部深度。增加內壁面底部在下進風口中的深度或者增加內壁面底部半徑，能使進入到氣流體的導風面積增大，使氣流能更好地進入下進風口中。與此同時，因為內壁面在下進風口中的增加部分會占據一定的空間，即進入的氣流體阻力增大，為更好的在發揮該裝置的發電效果，故把內壁面底部半徑和底部深度綜合考慮。同樣內壁面底部和導風板在其中占有一定的空間，所以進入下進風口的氣流體，會因風速的逐漸增大而達到飽和值，從而當裝置遇到較大風速時同時起到保護裝置的作用。

1.5 文丘里管道模型 在利用文丘里效應的文丘里管，可視為橫截面從左至右由大到小的倒喇叭形管，氣流從文丘里管的左側向右流動，由于通過橫截面積的逐漸減小，氣流體的速度也隨之增大，而文丘里管的右側接口處，即為安裝風力渦輪機組的位置，這是管內最佳的位置，使得渦輪機得到最有效的利用，高效的將風能轉化為電能。

在對裝置的輸出功率計算時，C——常數，C=ηρ；η——風力發電機轉換效率，%；ρ——氣流體密度，kg/m3；A——文丘里管末端的橫截面積，m2；ν——文丘里管末端風速，m/s。計算方法為：

2 風力發電裝置的動態建模

2.1 風力發電裝置 風力發電裝置采用水平走勢，風力渦輪機正對來自文丘里管道的氣流體，當風流通過文丘里管道運輸后，在管道的末端最狹窄處會形成“噴射效應”，在整個風力發電裝置的運行過程中，可以根據系統裝置的大小來安排渦輪機數量。

2.2 風速模型實驗 通常情況下，在對風速模型實驗過程中，需要先對當地的風力資源進行評估，面對不斷變化的風速，無法詳細的描述風的波形。在實驗中，我們采用生風裝置(吹風機)來模擬實驗，并在沒有該模型下同樣進行實驗，可以得到對比實驗結果。

2.3 對比試驗模型 在科學實驗研究領域，為得到最佳實驗效果，通常采用對比的方法，能定性或定量的在某種事物的某個不同特定條件下，而發生一系列的變化規律。為說明使用該裝置能高效發電的事實，實驗組為使用該模型，對照組為未使用該裝置下的發電狀況。二者采用同一風力來源，且大小相等，風力機相同，并且二者與風力來源距離相同，在逐漸將風速從零逐漸增大的過程中，可以明顯觀察到，裝置中所接的用電器先產生反應，而常規的風力機未能作出反應。采用電子電壓表評測風機轉動時裝置所產生的電壓大小，從而推斷出與常規風力發電機組在風速的產生上的差別。通過實驗，得到以下數據：

常規風力機 試驗裝置葉片直徑 10cm 10cm距離風力源1.2m時的發電電壓 1.48v 5.9v距離風力源1.0m時的發電電壓 1.98v 8.7v距離風力源0.8m時的發電電壓 2.57v 11.6v

結束語

總之，通過動態建模，能夠根據分系統的各部件的使用情況，來確立裝置的運行模型，結合分布式系統和高效利用能源的思想，提高裝置的運行效率，并通過對該裝置的動態模型設計，使發電裝置的各部件的大小進行設定，再通過該動態模型與傳統風力發電機組的對比實驗來實現風力發電的高效性和穩定性。