【摘要】：隨著風能產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展,風力發(fā)電機覆冰問題日益顯著。目前,電加熱融冰技術(shù)被認為是解決風電場覆冰問題最為有效、可靠和最具經(jīng)濟可行性的方法。然而,由于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片融冰問題的復雜性和開展相關(guān)研究的困難性,國內(nèi)外學者尚未在基礎(chǔ)技術(shù)方面取得關(guān)鍵性的研究成果。基于上述研究背景,并結(jié)合當前葉片電加熱裝置研制所面臨的諸多問題,本文開展了風力發(fā)電機葉片電加熱融冰過程的系統(tǒng)研究,揭示了葉片電加熱融冰的物理過程,為融冰裝置的合理研制與高效運行提供了理論基礎(chǔ)。論文的主要工作及取得的成果如下:(1)基于風力發(fā)電機葉片電加熱融冰的基本物理過程和熱傳導過程,建立了葉片電加熱融冰的數(shù)學模型,考慮了融冰過程中葉片、冰層與環(huán)境之間熱交換的動態(tài)變化過程,分析了融冰后冰層底部空氣間隙的產(chǎn)生與增長規(guī)律,給出了融冰時間的計算方法。(2)提出了將流動與傳熱耦合計算方法和兩步顯熱容法相結(jié)合的數(shù)值計算思路,建立了基于全域溫度場動態(tài)變化和冰層內(nèi)部空氣間隙動態(tài)發(fā)展的風力發(fā)電機葉片融冰數(shù)值計算方法。在使用覆冰葉片精確幾何外形的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了葉片融冰過程的動態(tài)模擬。同時,設(shè)計、制造并搭建了風力發(fā)電機融冰試驗裝置,開展了人工與自然條件下的葉片融冰試驗研究,對數(shù)值計算方法進行了驗證。結(jié)果表明,所建立的風力發(fā)電機葉片融冰數(shù)值計算方法能夠較好地模擬葉片融冰過程,仿真得到的葉片表面溫度變化規(guī)律與試驗情況較為符合,其誤差在±5°C以內(nèi),滿足工程實踐要求。(3)基于對葉片融冰試驗現(xiàn)象與結(jié)果的分析,提出了葉片融冰過程存在自然終止現(xiàn)象的觀點,利用所建立的數(shù)學模型和數(shù)值計算方法,對自然終止后的空氣間隙內(nèi)部速度場和溫度場進行了仿真研究。給出了葉片融冰自然終止條件的定義:冰層內(nèi)部空氣間隙在兩端均與外界空氣實現(xiàn)連通,或者葉片加熱區(qū)域表面在融冰開始后形成穩(wěn)定的溫度場分布。(4)結(jié)合試驗與仿真結(jié)果對風力發(fā)電機葉片融冰過程進行了綜合探究,通過對融冰進程中溫度場的動態(tài)變化和冰層內(nèi)部空氣間隙動態(tài)發(fā)展過程的分析,給出了葉片融冰的完整物理過程,指出風力發(fā)電機葉片融冰過程主要分為五個階段:初始溫升、氣隙出現(xiàn)、氣隙增長、自然終止和冰層脫落。(5)利用所建立的數(shù)學模型和數(shù)值計算方法對臨界融冰功率和限時融冰功率的影響因素進行了分析。結(jié)果表明,臨界融冰功率主要受到覆冰程度、環(huán)境溫度和合成風速的影響;限時融冰功率主要受到允許融冰時長、覆冰程度、環(huán)境溫度和合成風速的影響。葉片攻角對兩者的影響不具有規(guī)律性且基本可以忽略。通過開展人工條件下的試驗研究,發(fā)現(xiàn)臨界、限時融冰功率的仿真值與試驗值具有較好的一致性,其平均誤差分別為6.6%和6.9%,進一步驗證了所建立數(shù)值計算方法的正確性和準確性。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM315
【圖文】：

1 緒 論 論文的背景及研究意義.1 風能利用與發(fā)展風能作為一種清潔可再生的新型能源，不僅在能源供應(yīng)、能源安全以及增長方面發(fā)揮著重要作用，也在大氣污染防治和溫室氣體減排中扮演著。近年來，隨著人們逐漸意識到傳統(tǒng)化石能源對環(huán)境造成的破壞以及過可再生能源而導致的潛在能源安全問題，風電產(chǎn)業(yè)越來越引起世界各國在全球呈現(xiàn)持續(xù)高速發(fā)展態(tài)勢。經(jīng)過十數(shù)年的快速發(fā)展和逐步完善，風經(jīng)日臻成熟并在全球范圍內(nèi)超過 90 個國家實現(xiàn)應(yīng)用。據(jù) GWEC（全球風）統(tǒng)計[1]：2017 年全球市場新增風電裝機容量超過 52.5 GW，全球累計容量達到539.5GW，其中中國年新增裝機容量為19.5GW，占全球市場的3裝機容量達到 188.2GW，占全球市場的 34.8%。

圖 1.2 300kW 風力發(fā)電機覆冰Fig.1.2 Ice accretion on a 300kW wind turbine來，隨著對風機覆冰重視程度的提高以及相應(yīng)觀測或機構(gòu)針對該問題進行了更為深入、全面和系統(tǒng)研究項目[18]對西班牙境內(nèi)517臺風力發(fā)電機在覆冰析，發(fā)現(xiàn)在為期29個月的監(jiān)測時間內(nèi)共計損失發(fā)電全國范圍內(nèi)的風力發(fā)電機因覆冰而發(fā)生的年度發(fā)于 200000 個家庭的用電量。V. Lehtom ki 等人[19]的風力發(fā)電機進行了跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)其年發(fā)電量損單臺風機年度經(jīng)濟損失高達一百萬美元。著“十三五”計劃的逐步實施，我國內(nèi)陸風電場、浙江、四川、重慶、貴州和云南等地均建設(shè)了春時節(jié)覆冰災害頻發(fā)，風電場覆冰事件屢見不鮮。

便在一個月后的 2015 年 1 月 29 至 31 日遭受到了間斷的響。期間共計發(fā)生 3 次覆冰事件，累計停運時間 85.32 小時，共kWh。 年貴州某風電場一期機組(48 臺，共 96MW)在 6 個月內(nèi)受到間，因葉片覆冰而導致的總停機天數(shù)為42天，共計損失發(fā)電量72的電費損失 1053.80 萬元，平均每臺機組損失電費 21.95 萬元。中通常將這類風機稱作寒冷氣候條件風力發(fā)電機，指的是會長時遇外界低溫或積冰事件而導致設(shè)計及運行受到限制的風力發(fā)電類風力發(fā)電機的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：量儀器的影響發(fā)電機的合理有效運行離不開機艙頂部風速風向儀的穩(wěn)定工作風速風向儀對大氣環(huán)境參數(shù)的準確測量，致使控制系統(tǒng)基于不境參數(shù)而向機組發(fā)出不合理的運行指令。例如，不合理的變槳使風力發(fā)電機輸出功率大打折扣，重則導致風機機械結(jié)構(gòu)受到

【參考文獻】

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1 胡琴;楊秀余;梅冰笑;舒立春;蔣興良;楊爽;梁健;;風力發(fā)電機葉片臨界防冰與融冰功率密度分析[J];中國電機工程學報;2015年19期

2 朱程香;付斌;孫志國;朱春玲;;風力機防冰熱載荷計算[J];南京航空航天大學學報;2011年05期

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1 王紹龍;水平軸風力機葉片結(jié)冰分布數(shù)值模擬與冰風洞試驗研究[D];東北農(nóng)業(yè)大學;2017年

2 王燕;磨蝕對水平軸風力機氣動性能的影響研究[D];蘭州大學;2017年

3 梁健;風力機葉片覆冰預測模型研究[D];重慶大學;2017年

4 劉國特;風力發(fā)電機葉片覆冰預測與覆冰對機組出力影響研究[D];華南理工大學;2014年

5 孫志國;飛機結(jié)冰數(shù)值計算與冰風洞部件設(shè)計研究[D];南京航空航天大學;2012年

6 曹廣州;迎風表面三維積冰的數(shù)學模型與計算方法研究[D];南京航空航天大學;2011年

7 范松海;輸電線路短路電流融冰過程與模型研究[D];重慶大學;2010年

8 肖春華;飛機電熱除冰過程的傳熱特性及其影響研究[D];中國空氣動力研究與發(fā)展中心;2010年

9 易賢;飛機積冰的數(shù)值計算與積冰試驗相似準則研究[D];中國空氣動力研究與發(fā)展中心;2007年

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2 盧方;風機葉片覆冰監(jiān)測與防冰除冰試驗研究[D];湖南大學;2014年

3 閔現(xiàn)花;結(jié)冰條件下過冷水滴撞擊特性及熱平衡分析[D];上海交通大學;2010年

4 朱東宇;翼型結(jié)冰過程的數(shù)值模擬[D];南京航空航天大學;2009年

本文編號：2799089