【摘要】：隨著風(fēng)能產(chǎn)業(yè)在世界范圍內(nèi)的迅速發(fā)展,風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰問(wèn)題日益顯著。目前,電加熱融冰技術(shù)被認(rèn)為是解決風(fēng)電場(chǎng)覆冰問(wèn)題最為有效、可靠和最具經(jīng)濟(jì)可行性的方法。然而,由于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下葉片融冰問(wèn)題的復(fù)雜性和開(kāi)展相關(guān)研究的困難性,國(guó)內(nèi)外學(xué)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(dāng)前葉片電加熱裝置研制所面臨的諸多問(wèn)題,本文開(kāi)展了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片電加熱融冰過(guò)程的系統(tǒng)研究,揭示了葉片電加熱融冰的物理過(guò)程,為融冰裝置的合理研制與高效運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片電加熱融冰的基本物理過(guò)程和熱傳導(dǎo)過(guò)程,建立了葉片電加熱融冰的數(shù)學(xué)模型,考慮了融冰過(guò)程中葉片、冰層與環(huán)境之間熱交換的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程,分析了融冰后冰層底部空氣間隙的產(chǎn)生與增長(zhǎng)規(guī)律,給出了融冰時(shí)間的計(jì)算方法。(2)提出了將流動(dòng)與傳熱耦合計(jì)算方法和兩步顯熱容法相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算思路,建立了基于全域溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化和冰層內(nèi)部空氣間隙動(dòng)態(tài)發(fā)展的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片融冰數(shù)值計(jì)算方法。在使用覆冰葉片精確幾何外形的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了葉片融冰過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬。同時(shí),設(shè)計(jì)、制造并搭建了風(fēng)力發(fā)電機(jī)融冰試驗(yàn)裝置,開(kāi)展了人工與自然條件下的葉片融冰試驗(yàn)研究,對(duì)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明,所建立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片融冰數(shù)值計(jì)算方法能夠較好地模擬葉片融冰過(guò)程,仿真得到的葉片表面溫度變化規(guī)律與試驗(yàn)情況較為符合,其誤差在±5°C以?xún)?nèi),滿(mǎn)足工程實(shí)踐要求。(3)基于對(duì)葉片融冰試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果的分析,提出了葉片融冰過(guò)程存在自然終止現(xiàn)象的觀點(diǎn),利用所建立的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)自然終止后的空氣間隙內(nèi)部速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)連通,或者葉片加熱區(qū)域表面在融冰開(kāi)始后形成穩(wěn)定的溫度場(chǎng)分布。(4)結(jié)合試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片融冰過(guò)程進(jìn)行了綜合探究,通過(guò)對(duì)融冰進(jìn)程中溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化和冰層內(nèi)部空氣間隙動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程的分析,給出了葉片融冰的完整物理過(guò)程,指出風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片融冰過(guò)程主要分為五個(gè)階段:初始溫升、氣隙出現(xiàn)、氣隙增長(zhǎng)、自然終止和冰層脫落。(5)利用所建立的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法對(duì)臨界融冰功率和限時(shí)融冰功率的影響因素進(jìn)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(fēng)速的影響;限時(shí)融冰功率主要受到允許融冰時(shí)長(zhǎng)、覆冰程度、環(huán)境溫度和合成風(fēng)速的影響。葉片攻角對(duì)兩者的影響不具有規(guī)律性且基本可以忽略。通過(guò)開(kāi)展人工條件下的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)臨界、限時(shí)融冰功率的仿真值與試驗(yàn)值具有較好的一致性,其平均誤差分別為6.6%和6.9%,進(jìn)一步驗(yàn)證了所建立數(shù)值計(jì)算方法的正確性和準(zhǔn)確性。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM315
【圖文】：

1 緒 論 論文的背景及研究意義.1 風(fēng)能利用與發(fā)展風(fēng)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(zhǎng)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(lái)，隨著人們逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)化石能源對(duì)環(huán)境造成的破壞以及過(guò)可再生能源而導(dǎo)致的潛在能源安全問(wèn)題，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)越來(lái)越引起世界各國(guó)在全球呈現(xiàn)持續(xù)高速發(fā)展態(tài)勢(shì)。經(jīng)過(guò)十?dāng)?shù)年的快速發(fā)展和逐步完善，風(fēng)經(jīng)日臻成熟并在全球范圍內(nèi)超過(guò) 90 個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。據(jù) GWEC（全球風(fēng)）統(tǒng)計(jì)[1]：2017 年全球市場(chǎng)新增風(fēng)電裝機(jī)容量超過(guò) 52.5 GW，全球累計(jì)容量達(dá)到539.5GW，其中中國(guó)年新增裝機(jī)容量為19.5GW，占全球市場(chǎng)的3裝機(jī)容量達(dá)到 188.2GW，占全球市場(chǎng)的 34.8%。

圖 1.2 300kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)覆冰Fig.1.2 Ice accretion on a 300kW wind turbine來(lái)，隨著對(duì)風(fēng)機(jī)覆冰重視程度的提高以及相應(yīng)觀測(cè)或機(jī)構(gòu)針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了更為深入、全面和系統(tǒng)研究項(xiàng)目[18]對(duì)西班牙境內(nèi)517臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在覆冰析，發(fā)現(xiàn)在為期29個(gè)月的監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)共計(jì)損失發(fā)電全國(guó)范圍內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)因覆冰而發(fā)生的年度發(fā)于 200000 個(gè)家庭的用電量。V. Lehtom ki 等人[19]的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行了跟蹤研究，發(fā)現(xiàn)其年發(fā)電量損單臺(tái)風(fēng)機(jī)年度經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)一百萬(wàn)美元。著“十三五”計(jì)劃的逐步實(shí)施，我國(guó)內(nèi)陸風(fēng)電場(chǎng)、浙江、四川、重慶、貴州和云南等地均建設(shè)了春時(shí)節(jié)覆冰災(zāi)害頻發(fā)，風(fēng)電場(chǎng)覆冰事件屢見(jiàn)不鮮。

便在一個(gè)月后的 2015 年 1 月 29 至 31 日遭受到了間斷的響。期間共計(jì)發(fā)生 3 次覆冰事件，累計(jì)停運(yùn)時(shí)間 85.32 小時(shí)，共kWh。 年貴州某風(fēng)電場(chǎng)一期機(jī)組(48 臺(tái)，共 96MW)在 6 個(gè)月內(nèi)受到間，因葉片覆冰而導(dǎo)致的總停機(jī)天數(shù)為42天，共計(jì)損失發(fā)電量72的電費(fèi)損失 1053.80 萬(wàn)元，平均每臺(tái)機(jī)組損失電費(fèi) 21.95 萬(wàn)元。中通常將這類(lèi)風(fēng)機(jī)稱(chēng)作寒冷氣候條件風(fēng)力發(fā)電機(jī)，指的是會(huì)長(zhǎng)時(shí)遇外界低溫或積冰事件而導(dǎo)致設(shè)計(jì)及運(yùn)行受到限制的風(fēng)力發(fā)電類(lèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：量?jī)x器的影響發(fā)電機(jī)的合理有效運(yùn)行離不開(kāi)機(jī)艙頂部風(fēng)速風(fēng)向儀的穩(wěn)定工作風(fēng)速風(fēng)向儀對(duì)大氣環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，致使控制系統(tǒng)基于不境參數(shù)而向機(jī)組發(fā)出不合理的運(yùn)行指令。例如，不合理的變槳使風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率大打折扣，重則導(dǎo)致風(fēng)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)受到

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2799089