變槳型風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)性能評(píng)估及度電成本分析

變槳型風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)性能評(píng)估及度電成本分析

大動(dòng)力展臺(tái)的葉片設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科問題，也是風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，影響著整個(gè)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，在設(shè)計(jì)葉片運(yùn)動(dòng)的外觀時(shí)，需要對(duì)葉片的性能進(jìn)行全面的系統(tǒng)指標(biāo)。最終的風(fēng)力機(jī)在排水量和成本之間實(shí)現(xiàn)了最佳平衡。國外大型風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟,Fuglsang在1999年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以度電成本最小為目標(biāo)的優(yōu)化工作,除此之外,國內(nèi)外還有許多其他的機(jī)構(gòu)在進(jìn)行著這方面的研究。本文將葉片氣動(dòng)性能分析、葉片輸出載荷評(píng)估、葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、風(fēng)力機(jī)組成本評(píng)估和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營模型進(jìn)行了整合,推導(dǎo)了度電成本的計(jì)算方法,并在此基礎(chǔ)上提出了風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營收益最大化這一新的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)。采用自適應(yīng)模擬退火算法(Adaptivesimulatedannealingalgorithm,ASAA)分別以不同的目標(biāo)進(jìn)行葉片優(yōu)化設(shè)計(jì),系統(tǒng)研究和分析了不同設(shè)計(jì)目標(biāo)和結(jié)果之間的聯(lián)系與區(qū)別。1葉片外觀優(yōu)化設(shè)計(jì)為指定風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)某種規(guī)格葉片的時(shí)候,通常會(huì)在概念設(shè)計(jì)階段確定采用的基本翼型、葉片長度、額定轉(zhuǎn)速以及葉片選用材料、結(jié)構(gòu)鋪層形式等總體性的參數(shù)?？紤]到葉根設(shè)計(jì)的特殊性,這里對(duì)葉片外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)暫不涉及葉根,將葉根形狀預(yù)先設(shè)定并在優(yōu)化過程中保持不變,那么設(shè)計(jì)變量就是除去葉根形狀之外葉片的弦長、扭角和相對(duì)厚度沿展向的分布。葉片的氣動(dòng)外形可以用多個(gè)離散點(diǎn)來表示,也可以將形狀描述為通過有限個(gè)控制點(diǎn)的樣條、貝塞爾、NURBS曲線等。重慶大學(xué)張石強(qiáng)還提出了用n階多項(xiàng)式描述葉片氣動(dòng)布局;為了更好地描述結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)葉片外形的約束,保證生成形狀平順無鼓包出現(xiàn),這里參考了許多成熟葉片的氣動(dòng)布局,結(jié)合結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)葉片形狀的要求作了總結(jié)分析,對(duì)葉片的弦長、扭角及相對(duì)厚度都作了有針對(duì)性的參數(shù)化描述。1.1確定各含沒有功能作用的最大弦長及其在位置C(rˉ)=arˉ3+brˉ2+crˉ+d(1)C(rˉ)=arˉ3+brˉ2+crˉ+d(1)式中rˉrˉ為量綱一葉片長度。各項(xiàng)系數(shù)可以用如下幾個(gè)具有物理意義的變量來確定:k1為最大弦長?k1=C(rˉm),rˉm?k1=C(rˉm),rˉm為預(yù)先確定的最大弦長所在位置;k2為葉尖處的弦長,k2=C(1);k3為弦長分布函數(shù)曲率為零點(diǎn)的位置C′′(rˉ)|rˉ=k3=0；k4C″(rˉ)|rˉ=k3=0；k4為rˉ=0.3rˉ=0.3處弦長分布函數(shù)的斜率,k4=C′(0.3)。1.2扭曲角分布函數(shù)將葉根以后的扭角描述為量綱一葉片長度的指數(shù)函數(shù)T(rˉ)=k5?rˉk6+k7(2)Τ(rˉ)=k5?rˉk6+k7(2)1.3k9k9k9k9h的確定葉根以后的相對(duì)厚度可以描述為Th％(rˉ)=k8?rˉk9(3)Τh％(rˉ)=k8?rˉk9(3)這樣葉片的氣動(dòng)外形就可以由k1～k9這9個(gè)參數(shù)來確定,也就是本文優(yōu)化設(shè)計(jì)中的9個(gè)變量。2該項(xiàng)目的目2.1葉片年發(fā)電量的計(jì)算葉片的氣動(dòng)性能用動(dòng)量葉素理論來計(jì)算,根據(jù)大風(fēng)速下變槳距恒功率的控制策略可以得到葉片在切入風(fēng)速和切出風(fēng)速之間運(yùn)行的功率曲線,與設(shè)計(jì)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)頻分布相結(jié)合,就能計(jì)算出理想的年發(fā)電量。在此基礎(chǔ)上考慮控制效率、風(fēng)場(chǎng)可用率、密度折減等因素帶來的綜合效率η后,得到實(shí)際的年發(fā)電量。2.2葉片載荷工況葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要預(yù)先確定各截面的設(shè)計(jì)載荷,另外葉片的輸出載荷也會(huì)對(duì)機(jī)組部件的設(shè)計(jì)成本產(chǎn)生影響。為了減小載荷評(píng)估的計(jì)算量,本文根據(jù)IEC61400-1等設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,在若干組風(fēng)力機(jī)載荷計(jì)算工作的基礎(chǔ)上,制定了葉片設(shè)計(jì)簡化載荷工況(Simplifiedloadcase,SLC)。計(jì)算所有簡化載荷工況下的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力并作加權(quán)平均,得到葉片的特征載荷,再乘以安全系數(shù)γf作為葉片的設(shè)計(jì)極限載荷。經(jīng)在多組不同型號(hào)的葉片上驗(yàn)證,γf=2時(shí)簡化計(jì)算的結(jié)果與最終詳細(xì)計(jì)算出的設(shè)計(jì)極限載荷都很接近,說明這種簡化方法可以非常迅速且能較準(zhǔn)確地模擬葉片的輸出載荷。2.3風(fēng)力機(jī)機(jī)組成本評(píng)估為了得到葉片氣動(dòng)外形的改變給機(jī)組成本帶來的影響,本文研究了目前主流風(fēng)力機(jī)組的成本構(gòu)成情況,給出了簡單評(píng)估各主要部件成本的評(píng)估方法,其中詳細(xì)描述了葉片的成本構(gòu)成及計(jì)算方法,其他部件建立了成本與葉片輸出載荷的關(guān)系。2.3.1基于成本的葉片設(shè)計(jì)葉片的實(shí)際成本構(gòu)成相對(duì)復(fù)雜,不過在葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中可以將葉片的成本簡單歸納為3個(gè)部分Cb=∑i=13Cbi(4)Cb=∑i=13Cbi(4)(1)正比葉片質(zhì)量成正比的部分用來描述葉片消耗的材料費(fèi)用,該部分的成本可描述為Cb1=B1?MCb1=B1?Μ其中:M為葉片總質(zhì)量;B1為單位質(zhì)量的平均材料費(fèi)用。(2)面積增大時(shí)葉片投影考慮到模具成本、場(chǎng)地建設(shè)成本及其他成本中應(yīng)有隨葉片投影面積增大而增大的部分,這里在葉片成本中設(shè)置了與葉片面積成正比的部分Cb2=B2?ACb2=B2?A其中:A為葉片投影面積,可由弦長沿展向的積分得到;B2為單位面積成本。(3)固定成本將人工、管理、檢測(cè)設(shè)備等費(fèi)用視為固定成本Cb3,不隨葉片的氣動(dòng)外形而變化,不同型號(hào)的葉片固定成本不同。2.3.2葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)葉片質(zhì)量由葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定,同時(shí)與葉片選用的材料性能密切相關(guān)。本文中暫未對(duì)葉片材料進(jìn)行優(yōu)化,選用了目前行業(yè)內(nèi)主流的玻璃鋼材料來進(jìn)行葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)階段只需對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步設(shè)計(jì),因此本文只考慮了強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,同時(shí)將葉片的鋪層形式簡化為外蒙皮、主梁、尾緣加強(qiáng)層、內(nèi)蒙皮和腹板幾個(gè)部分,主要設(shè)計(jì)變量為主梁的厚度。在給定設(shè)計(jì)載荷、截面形狀、安全系數(shù)、材料屬性和允許的葉尖最大撓度以后,迭代求解,得到使各截面均滿足安全系數(shù)同時(shí)葉尖滿足撓度要求的主梁鋪層信息,依此確定葉片的質(zhì)量。2.3.3確定主要部件成本風(fēng)力機(jī)組構(gòu)成復(fù)雜,為了考察機(jī)組的成本構(gòu)成及葉片載荷對(duì)機(jī)組造價(jià)的影響,這里把部件成本評(píng)估的工作分為以下幾步:(1)確定各主要部件參考成本。對(duì)目前主流的變槳有齒型風(fēng)力機(jī)組的成本分布作了大量統(tǒng)計(jì),總結(jié)出了各主要部件成本占整機(jī)成本的比例Si,各部件的參考成本Ci?ref=Si?Cref(5)Ci-ref=Si?Cref(5)式中:Ci-ref為各主要部件的參考造價(jià);∑i=1NSi=100％,N∑i=1ΝSi=100％,Ν為主要部件數(shù)量;Cref為機(jī)組參考造價(jià),可結(jié)合目前風(fēng)力機(jī)市場(chǎng)情況,預(yù)估機(jī)組的千瓦造價(jià),進(jìn)行確定。(2)根據(jù)葉片輸出的特征載荷確定各主要部件的設(shè)計(jì)成本。將每個(gè)部件的成本分解為與葉片輸出載荷相關(guān)的部分以及在葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)中固定不變的部分Ci=Ci?ref?(mi?L1L1?ref+ni?L2L2?ref+pi)(6)Ci=Ci-ref?(mi?L1L1-ref+ni?L2L2-ref+pi)(6)式中:Ci為各部件的設(shè)計(jì)成本;L1,2為不同葉片外形帶來的特征載荷,分別代表輪轂中心極限載荷Mx和Fx;L1,2-ref為特征載荷的參考值;mi,ni為各部件成本中隨特征載荷L1,2線性變化部分所占比例,pi為部件固定成本所占比例,mi+ni+pi=1。表2為本文設(shè)計(jì)所針對(duì)的1.5MW機(jī)組成本構(gòu)成各部分比例的總結(jié)。(3)得到對(duì)應(yīng)某個(gè)葉片氣動(dòng)外形的機(jī)組設(shè)計(jì)造價(jià)Ct=∑i=1NCiCt=∑i=1ΝCi2.4風(fēng)力機(jī)生命周期風(fēng)場(chǎng)平均到每臺(tái)風(fēng)力機(jī)上的初投資Cic=Ct+Cbs(7)Cic=Ct+Cbs(7)式中:Cbs為初期附加投資,包括運(yùn)輸、并網(wǎng)、風(fēng)場(chǎng)建設(shè)費(fèi)用平攤等。在風(fēng)力機(jī)的整個(gè)生命周期(設(shè)計(jì)值20年)內(nèi),平均到每臺(tái)風(fēng)力機(jī)上的總成本折現(xiàn)值Ctd=Cic+∑n=120Eao?Rdn(8)Ctd=Cic+∑n=120Eao?Rdn(8)式中:Eao為年運(yùn)營支出;Rd為折現(xiàn)率。每臺(tái)風(fēng)力機(jī)的總折現(xiàn)電量Etd=∑n=120Ea?Rnd(9)Etd=∑n=120Ea?Rdn(9)式中Ea為年發(fā)電量。度電成本COE=CtdEtd(10)CΟE=CtdEtd(10)風(fēng)場(chǎng)總收益WFP=Etd?Gr?Ctd(11)WFΡ=Etd?Gr-Ctd(11)式中Gr為上網(wǎng)電價(jià)。2.5大厚度和度電成本的限制早期的葉片氣動(dòng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別進(jìn)行,在氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)時(shí)往往以功率系數(shù)最大或年發(fā)電量最大為目標(biāo),這時(shí)候無法設(shè)計(jì)葉片的厚度,因?yàn)楹穸仍奖?duì)應(yīng)氣動(dòng)效率越高;目前行業(yè)內(nèi)普遍采用度電成本最小這一目標(biāo)來進(jìn)行葉片氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì);本文在這兩種目標(biāo)的基礎(chǔ)上,著眼于葉片設(shè)計(jì)的最下游,又提出了風(fēng)場(chǎng)收益最大這一新的葉片設(shè)計(jì)目標(biāo)。3模擬退火算法介紹本文選用Isight軟件作為優(yōu)化工具來處理葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)的問題,采用其中的ASAA,該方法是基于Mente-Carlo迭代求解策略的一種隨機(jī)尋優(yōu)算法,其出發(fā)點(diǎn)是基于物理中固體物質(zhì)的退火過程與一般組合優(yōu)化問題之間的相似性。模擬退火算法從某一較高初溫出發(fā),伴隨溫度參數(shù)的不斷下降,結(jié)合概率突跳特性在解空間中隨機(jī)尋找目標(biāo)函數(shù)的全局最優(yōu)解,即在局部最優(yōu)解能概率性地跳出并最終趨于全局最優(yōu),具有高效、通用、靈活的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于解決各種工程優(yōu)化問題。圖1為葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖。算法首先隨機(jī)生成葉片,Isight將葉片外形輸出給氣動(dòng)性能評(píng)估程序進(jìn)行年發(fā)電量計(jì)算,同時(shí)給載荷評(píng)估程序計(jì)算設(shè)計(jì)載荷,設(shè)計(jì)載荷再用于葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及部件成本的評(píng)估,綜合得到機(jī)組造價(jià);經(jīng)過風(fēng)場(chǎng)運(yùn)營模型的計(jì)算后得到度電成本或風(fēng)場(chǎng)收益的設(shè)計(jì)目標(biāo),Isight再將設(shè)計(jì)目標(biāo)的值返回給優(yōu)化算法,優(yōu)化算法根據(jù)目標(biāo)結(jié)果對(duì)控制變量進(jìn)行調(diào)整,生成新的葉片,這樣不斷迭代尋優(yōu),最終給出一個(gè)全局最優(yōu)解。4葉片年發(fā)電量與機(jī)組造價(jià)的關(guān)系以針對(duì)IEC2A風(fēng)場(chǎng),1.5MW機(jī)型的葉片設(shè)計(jì)為例,概念設(shè)計(jì)時(shí)確定其長度37.5m,額定轉(zhuǎn)速18r/min,選用玻纖環(huán)氧復(fù)合材料,基本翼型為NACA63和DU系列的改型,分別以不同目標(biāo)對(duì)其氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),表3和圖2分別為設(shè)計(jì)葉片的性能結(jié)果和形狀結(jié)果,其中參考葉片是目前市場(chǎng)上廣泛使用的1.5MW,37.5m成熟葉片。以年發(fā)電量最大為目標(biāo)設(shè)計(jì)葉片時(shí),由于沒有考慮葉片的結(jié)構(gòu)要求,無法設(shè)計(jì)葉片的厚度分布,設(shè)計(jì)變量只是葉片的弦長和扭角,因而在設(shè)計(jì)時(shí)將葉片的絕對(duì)厚度保持為參考葉片的絕對(duì)厚度分布,以此來保證葉片的結(jié)構(gòu)特性。從表3和圖2給出的設(shè)計(jì)結(jié)果可以看出:(1)在選定的基本翼型下,不管以何種目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì),與參考葉片相比該目標(biāo)值都改善有限,可見參考葉片的氣動(dòng)外形很好。(2)以年發(fā)電量最大為目標(biāo),設(shè)計(jì)出的葉片與參考葉片相比發(fā)電量提高了0.88%,是這幾組葉片中最高的,不過設(shè)計(jì)葉片的質(zhì)量卻增加了8.5%、機(jī)組造價(jià)增加了4.5%,反而使得度電成本增加、風(fēng)場(chǎng)收益減小了。由圖2可以看出,為了追求高的發(fā)電量,截面翼型趨向于較小相對(duì)厚度,因?yàn)楸∫硇偷纳璞容^高,能夠給葉片帶來更好的氣動(dòng)效率,因而此時(shí)的最大功率系數(shù)也是所有結(jié)果中最高的(表3)。但是,高升阻比的同時(shí)往往伴隨著高的升力系數(shù),因而葉片的設(shè)計(jì)載荷也會(huì)增大;設(shè)計(jì)的葉片弦長也較大,一定程度上也增加了葉片的設(shè)計(jì)載荷,造成機(jī)組成本的上升。(3)以度電成本最小為目標(biāo)設(shè)計(jì)的葉片發(fā)電量有所降低,然而質(zhì)量是所有葉片中最輕的,機(jī)組的設(shè)計(jì)造價(jià)與參考葉片機(jī)組造價(jià)相比也降低了3%,最終使得度電成本減小了0.8%,而風(fēng)場(chǎng)收益降低了0.5%。與發(fā)電量最大的葉片正好相反,此時(shí)輸出的葉片偏于修長同時(shí)截面相對(duì)厚度較大(圖2),這使得葉片受到的載荷較小,降低了機(jī)組成本。另外,較大的相對(duì)厚度有利于增大葉片截面的慣性矩,對(duì)減輕葉片質(zhì)量也有幫助。(4)在設(shè)計(jì)出的幾組葉片中,以風(fēng)場(chǎng)收益最大為目標(biāo)得到結(jié)果是唯一各項(xiàng)性能都能同時(shí)有所改善的,與參考葉片相比發(fā)電量增大了0.2%,機(jī)組造價(jià)降低了0.3%,最終風(fēng)場(chǎng)收益增大了0.42%。葉片的形狀與參考葉片相比弦長略小而相對(duì)厚度分布有所區(qū)別,不過仍然是這幾組結(jié)果中與參考葉片最為接近的。(5)葉片設(shè)計(jì)最終需要在發(fā)電量和成本之間作出一個(gè)平衡,度電成本、風(fēng)場(chǎng)收益的提出都是為了描述這個(gè)平衡點(diǎn),但是兩者有一定的聯(lián)系也有區(qū)別。這里分析各次優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中所有葉片的年發(fā)電量和機(jī)組造價(jià)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖3所示?？梢钥吹?搜索結(jié)果的覆蓋域很廣,同一發(fā)電量下機(jī)組造價(jià)有高有底,同一造價(jià)下機(jī)組的發(fā)電量也千差萬別,不過覆蓋域一定存在一個(gè)使得機(jī)組造價(jià)隨著年發(fā)電量單調(diào)上升的邊緣,形成了一個(gè)類似于多目標(biāo)優(yōu)化中的Pareto前沿,不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)在這前沿上選取了不同的位置。比較上述兩種平衡指標(biāo),從式(9,10)可以看出,在度電成本中,發(fā)電量與成本有著相同的重要性,而在風(fēng)場(chǎng)收益中根據(jù)上網(wǎng)電價(jià)[本文設(shè)計(jì)時(shí)采用國內(nèi)二類地區(qū)的上網(wǎng)電價(jià)0.54元/(kW·h)]的不同,兩者之間的權(quán)重不一樣:上網(wǎng)電價(jià)較高,那么增加發(fā)電量更加有益;上網(wǎng)電價(jià)較低,則更趨向于控制成本。參考葉片所處的位置已經(jīng)幾乎處于最優(yōu)前沿上,且各項(xiàng)性能與風(fēng)場(chǎng)收益最大的葉片設(shè)計(jì)非常接近,當(dāng)然本文并不能確定參考葉片就是以風(fēng)場(chǎng)收益最大這一目標(biāo)來進(jìn)行設(shè)計(jì),或者這只是一個(gè)巧合,參考葉片有著其他的設(shè)計(jì)目標(biāo)和方法。因此,還需要進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)工作來進(jìn)行檢驗(yàn)。5自適應(yīng)模擬退火算法優(yōu)化設(shè)計(jì)本文對(duì)變槳型風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)外形做了有針對(duì)性的參數(shù)化描述,新的參數(shù)化方法能夠很好地表達(dá)結(jié)構(gòu)和工藝對(duì)葉片形狀的約束;發(fā)展了一種簡化的葉片設(shè)計(jì)載荷計(jì)算方法,