趙尊立

摘 要：為解決傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中只能在一定風(fēng)速范圍內(nèi)工作、吹風(fēng)方向性不好等問題，本文設(shè)計并驗(yàn)證了一種使風(fēng)力加速的大型集風(fēng)裝置，介紹了該集風(fēng)裝置的功能和結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，分析了該裝置在工作時的安全性和可行性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力加速；整流；風(fēng)力發(fā)電機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.160

0 前言

目前，傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組局限性較大，受到風(fēng)速影響較大，還會因?yàn)轱L(fēng)在其葉片上展現(xiàn)出湍流的狀態(tài)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片的損傷。本文中，為解決葉片承受的風(fēng)向等問題，設(shè)計出了能夠提高風(fēng)速和風(fēng)的方向性的集風(fēng)裝置，同時這種裝置能夠根據(jù)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到在保證提高風(fēng)能利用率的前提下確保集風(fēng)罩的安全。

1 風(fēng)電發(fā)展的局限性

雖然風(fēng)力發(fā)電到目前為止已經(jīng)具有較長的發(fā)展時間，但是還不能和水力發(fā)電、火力發(fā)電以及核電進(jìn)行相提并論。根據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，造成這種現(xiàn)象的原因主要包括以下幾個方面：（1）風(fēng)能具有的能量密度小。由于風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電的原理相近，所以將風(fēng)力發(fā)電和水力發(fā)電進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)由于水的密度遠(yuǎn)大于空氣的密度，所以風(fēng)能所具有的能量密度較小。（2）風(fēng)力發(fā)電更難控制。在風(fēng)力發(fā)電中，由于風(fēng)速和風(fēng)向都極難控制，所以當(dāng)遇到風(fēng)速較大的情況時，為了保證風(fēng)力發(fā)電裝置等不被破壞，需要將風(fēng)力發(fā)電機(jī)關(guān)閉，這就導(dǎo)致了風(fēng)力發(fā)電遠(yuǎn)低于水力發(fā)電、火力發(fā)電等。（3）技術(shù)條件限制。在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)下，風(fēng)力發(fā)電的塔架高度、發(fā)電葉片的大小等收到很大的限制，但是為了提升風(fēng)力發(fā)電的發(fā)電功率，目前最佳的方法就是將發(fā)電機(jī)組做的更高更大。

通過以上觀點(diǎn)得出，風(fēng)力發(fā)電局限性較大，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電在現(xiàn)階段的發(fā)電功率低下，直接影響風(fēng)力發(fā)電規(guī)?；?、普遍化的發(fā)展。

2 理論基礎(chǔ)分析

根據(jù)查詢得到風(fēng)能轉(zhuǎn)化關(guān)系式： P=（1/2）Cp×A×ρ×V?

根據(jù)公式可得，為了提高每臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率，如果根據(jù)傳統(tǒng)方法，那么只有利用塔架高度的提高來實(shí)現(xiàn)。但是，如果我們把風(fēng)力發(fā)電的葉片所掃過的面積看作是一個通道的截面，同時因?yàn)橹挥袕娘L(fēng)力發(fā)電機(jī)組形成的截面穿過的風(fēng)才能夠做功，再根據(jù)流體力學(xué)具有連續(xù)性的原理，S1×V1=S2×V?

那么我們可以得到：通過把通道的截面縮小，從而將風(fēng)速V提高，這樣提高了風(fēng)力發(fā)電的輸出功率。這樣得出，風(fēng)速是提高風(fēng)力發(fā)電功率最為重要的參數(shù)，風(fēng)速的提高可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率。若在功率達(dá)到要求的情況下，利于這個結(jié)論，可以將風(fēng)電機(jī)組縮小化，就能夠提高機(jī)組的穩(wěn)定性和牢固性。

3 新型集風(fēng)罩系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）總體外觀為一喇叭狀罩體，整個集風(fēng)罩利用36塊相同形狀的塊體組成，同時每個分割體均可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)。（2）集風(fēng)罩進(jìn)口與出口大小不同，進(jìn)風(fēng)口為朝著主風(fēng)向，進(jìn)風(fēng)口大于出風(fēng)口，同時將進(jìn)口邊緣和出口邊緣進(jìn)行支撐，而這就是集風(fēng)罩的整體結(jié)構(gòu)。（3）風(fēng)罩進(jìn)出口裝有用電動機(jī)，用來控制風(fēng)罩的旋轉(zhuǎn)，同時電動機(jī)連接著轉(zhuǎn)軸，裝在風(fēng)罩進(jìn)出口的鋼架上方。利用和電動機(jī)連接的繩索來實(shí)現(xiàn)風(fēng)罩工作和避風(fēng)的兩種狀態(tài)。

4 集風(fēng)罩工作效果分析

4.1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

在本次設(shè)計過程中，通過利用FLUENT流體分析軟件實(shí)現(xiàn)對于集風(fēng)罩的工作狀態(tài)，即集風(fēng)效果，進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬分析。在模擬計算過程中，F(xiàn)LUENT中的計算網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。其中結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模擬得出的數(shù)據(jù)精度較高，但是劃分十分困難，因?yàn)槠鋵τ谟嬎銋^(qū)域的物理形狀要求較高，這也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的缺點(diǎn)，就是較窄的適用范圍。而對于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來說，其特點(diǎn)能夠很好地解決結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在任意形狀和任意連通區(qū)域存在的問題。

在分析模擬過程中，由于集風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，選擇的三維網(wǎng)格為Het/Hybrid類型，這種類型主要是六面體組成，除此之外，在合適的位置還可以產(chǎn)生六面體、楔形、錐形等網(wǎng)格單元。

4.2 模擬結(jié)果分析

設(shè)置不同的入口條件，迎面風(fēng)速為2-8m/s時，計算模擬風(fēng)罩集風(fēng)效果。

流場。當(dāng)入口風(fēng)速分別為2m/s、8m/s時的集風(fēng)罩出口的速度矢量圖如上圖所示。當(dāng)風(fēng)速為2m/s時，如圖三所示，在集風(fēng)罩的整流芯邊緣位置，風(fēng)速達(dá)到3m/s。在目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)最低的工作風(fēng)速為2.5m/s，這樣就能達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)速度，同時在徑向方向上，從內(nèi)到外，速度是逐漸增大，當(dāng)達(dá)到整流管的內(nèi)徑邊緣時，達(dá)到最大速度6m/s，這個速度是風(fēng)速的三倍，所以集風(fēng)罩工作效果良好。而在圖四種，能夠得到相同的結(jié)論，當(dāng)風(fēng)速為8m/s時，出口的速度大部分能達(dá)到16m/s以上，最高速度能夠達(dá)到25m/s，集風(fēng)罩工作效果尤為明顯。

5 結(jié)論

（1）集風(fēng)罩避風(fēng)狀態(tài)下效果良好。當(dāng)集風(fēng)罩在避風(fēng)狀態(tài)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電葉片所承受的壓力只為工作壓力的三分之一，表明達(dá)到了避風(fēng)效果。

（2）集風(fēng)罩在工作狀態(tài)下集風(fēng)效果明顯。集風(fēng)罩對于風(fēng)速的加速效果能夠達(dá)到1.5-3.0倍，在使用集風(fēng)罩的情況下，不僅可以降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)的啟動風(fēng)速同時對于風(fēng)機(jī)效率也有較大的提高。

（3）提高風(fēng)能的利用率。從出口速度矢量圖中可以得出，整流管、整流芯所表現(xiàn)出的整流效果明顯，同時出口強(qiáng)風(fēng)能夠基本垂直吹向葉輪，這就能夠提高風(fēng)能的利用率。

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