風能密度增加裝置的設計及應用

1、風能密度增加裝置的設計及應用摘要：如何更經(jīng)濟地提高風機的單機容量是風力發(fā)電的核心問題之一。本文根據(jù)流體力學的基本原理，研制了一種收縮噴管狀的“風能密度增加裝置”；使風吹到風機葉片之前在風速增加管中進行加速，從而增加風能密度。試驗結果表明：出風口處風速是進風口的1.9倍，風能密度提高為6.9倍，總動能變?yōu)?.74倍。動能的增加量是由于進風口處的部分壓力能轉化為出風口處的動能。由于風機的單機容量與風能密度成正比，因此該裝置可以成倍的提高風機的單機容量。論文關鍵詞：風速增加管,風能密度,收縮噴管,單機容量0引言風能總量豐富，分布廣泛，開發(fā)前景廣闊，近年來，成為新能源開發(fā)利用的熱點之一。但由于能量密度

2、很小，難以提高風機的單機容量1，不利于大規(guī)模開發(fā)利用。目前風能開發(fā)主要集中在加大風機直徑上，然而直徑超過一定值后，單機容量提高有限，安裝困難，成本大幅升高。本文根據(jù)流體在收縮噴管中流動時流速增加的原理，研制了收縮噴管狀的風能密度增加裝置2，并進行了相關的測試試驗。1 設計方案1.1裝置概況機械部分結構示意圖如圖1所示，模型照片如圖2所示。整個裝置通過鋼繩3連接在牽引點1上，并通過支柱2使鋼絲的牽引力始終平行于風速增加管5的軸線，使系統(tǒng)受力平衡；“田”字狀支撐架4用來連接牽引鋼絲和風速增加管，同時承受鋼絲繩產(chǎn)生的指向風速增加管軸線的力；采用過渡圓弧將風速增加管與尾管連接起來，風機安裝在尾管中；尾

3、管、風速增加管及支柱安裝在可移動平臺上；可移動平臺下面裝有萬向輪，可以繞牽引點轉動。1.牽引點 2.支柱 3.牽引鋼絲 4.“田”字狀支撐架5.風速增加管 6.尾管 7.尾管支撐架 8.可移動平臺圖1 機械部分結構示意圖圖2 模型照片F(xiàn)ig.2. Photo of the model1.2 方向控制裝置的可移動平臺可以繞牽引點旋轉,當風向不垂直進風口平面時，就會產(chǎn)生一個轉矩，整個裝置通過可移動平臺繞牽引點自動向最佳方位轉動，使兩者相互垂直。因此，此裝置具有自動調(diào)向功能。2理論計算設計風機功率為5MW（模型制作時，世界上單機容量最大的風機3，直徑d=126m，達到設計功率時風速v=8.54m/s

4、），模型以該風機為原型，按照1：210的比例制作，進風口直徑d1=0.6 m，出風口直徑d2=0.3 m，管長為L=0.369 m，錐角=40。裝置中鋼絲的牽引力等于風對風速增加管的作用力F。2.1 鋼絲的牽引力計算根據(jù)流動特點，風在風速增加管內(nèi)的流動可以看作一維定常管流，取進口截面A1和一個出口截面A2之間的流體作為控制體，在A1、A2處速度分別為v1和v2，v1取8.54 m/s。利用流體力學中的動量方程4：F=v2A2v2-v1A1v1 （1）A=d2/4v1A1=v2A2 （2）將式（2）代入式（1）式得：F=1.291.298.540.282638.54=103 NF實=103210

5、21kN即正常使用時鋼絲只承受約21kN的拉力。2.2 風能損失計算2.2.1 理論依據(jù)將噴管中氣體流動過程視為不可壓縮的一維等熵定常流動，則可等價于氣體從很大的容器中經(jīng)過收縮噴管流出，如圖3所示。圖3 風能損失計算模型示意圖Fig.3. Schematic drawing of the measurement model for the loss of the wind energy實際應用中可忽略氣體溫度的變化，即T2=T1；由質(zhì)量守恒方程： 因為實際應用中入口初速約為8.54m/s左右，預期加速倍率約為3-4倍。故可近似的認為馬赫數(shù)Mkeyimg40.1，又根據(jù)（5）（6）（7）式，可近

6、似認為p = p0，=0 , vA=常數(shù)，即壓強、密度恒定。 2.2.1 損失計算噴管中風能損失，分為管壁摩擦引起的沿程損失和管道截面變化引起的局部損失兩部分。a 沿程損失：取長度為dl的管長，則由微分法有5:式中：dl微段的沿程阻力系數(shù)，無因次量；r距入口l處噴嘴斷面的半徑，m；噴嘴出口斷面半徑，m；距入口l處斷面上平均流速，m/ s；g重力加速度；由于隨r的變化而變化，為了簡化計算，?。ㄊ街小⒎謩e為進、出口處沿程水頭損失系數(shù)）。對上述微分方程從到積分：根據(jù)尼古拉茲試驗結果，沿程阻力系數(shù)可按照尼古拉茲公式來計算：式中：為噴嘴材料的當量粗糙度，對于塑料、橡膠等材料的噴嘴，取0.02mm6。系數(shù)

7、k與的關系8見表1：表1：系數(shù)k與的關系Table 1 the relationship of the coefficient k and 10 20 40 80 100 140 K 0.4 0.25 0.2 0.3 0.4 0.6 代入數(shù)值得：=0.455hw=hj+hf =2.03m風能損失（能量以單位時間計，下同）：E0=hwgvA= hwg v1A1 =61.94J式中：E0為損失的能量。由風能計算公式E =Av3/2 （8）風速增加管出口處能量：E2 =A2v23/2=1816.5J風能損失率:= E0/E2100%=3.41%將表1中角度經(jīng)迭代計算，錐角為40左右時，可使風能損失總量降到最低。2.3 風能密度增加倍率及風能計算由風能密度計算公式W=v3/2 （9）忽略一切損失，也不考慮風速增加管對風力場造成的影響時可得：W2=64W1由式（8），進出口處風的動能分別為：E2=A2v23/2=1816.5JE1=A1v13/2=113.5J故E2=16E12.4計算結果分析由以上計算可知：經(jīng)過風速增加管后，由于部分壓力能轉化為動能，風的動能大幅度增加；沿程損失和局部損失造成的風能損失相對于出風口風的動能很小，約為3.41%，且局部損失占大部分。3實驗與結果分析該實驗利用工業(yè)電風扇產(chǎn)生風，將模型置于風力場