【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研究的困難性,國內(nèi)外學者尚未在基礎技術方面取得關鍵性的研究成果�；谏鲜鲅芯勘尘�,并結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。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上,實現(xiàn)了葉片融冰過程的動態(tài)模擬。同時,設計、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)結合試驗與仿真結果對風力發(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、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觀測或機構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構受到

【參考文獻】

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本文編號：2799089