山坡地形对风力机功率特性的影响研究

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当今社会,人们对能源的需求一直在持续增长,而不可再生能源在持续的消耗中日益减少且随之带来诸多环境污染问题。因此,可再生清洁能源得到人们的重视。风能具有分布范围广、可再生、无污染不破坏生态环境等诸多优点,极具发展潜力,而风力发电的成本居高不下,如何有效增加风力机的输出功率,提高其发电效率是国内外研究的重点。随着风力机装机量增大,平原地区的装机空间变得稀缺,人们开始把目光看向山区,而我国陆地山区很多,为了合理利用该地区的地形空间,须充分了解此类地形对风力机功率特性的影响。因此,研究山坡地形对风力机功率特性的影响对风力机合理选址及布置具有重要的指导意义。本文使用NREL(美国国家可再生能源实验室)5MW风力机作为研究对象,利用流体分析软件STAR CCM+对山坡地形下的风力机流场进行三维数值模拟,得到并分析其结果,从而更深入的了解山坡地形对风力机功率特性的影响规律,为风力机优化布置提供方案参考。本文主要工作如下:(1)确定了NREL 5MW风力机叶片的核心参数,介绍了SOLIDWORKS三维建模软件对风力机建模的两种方法,为风电场仿真分析提供三维实体模型。(2)创建风电场计算域,利用STAR CCM+对风力机流场进行仿真分析,得到NREL 5MW风力机的推力和功率,并与NREL设计值进行对比,验证建模方法及仿真模拟方法的合理可靠性,进行了网格数量无关性验证,解释并用仿真研究了多重参考坐标系(MRF)与刚体运动技术(RBM)的区别,计算了不同风速下风力机的推力和功率值,并与NREL设计值进行对比,进一步验证仿真方法的可靠性。为研究山坡地形对风力机功率特性的影响奠定了基础。(3)在风电场计算域内加入了山坡模型,介绍并设计了正交试验,用已验证的仿真分析方法结合正交试验方法分析了在山坡地形中山体坡度、山体宽度、风力机在坡顶平台安装的水平距离、风力机安装高度对风力机功率特性的影响大小、影响主次及影响规律,选出了正交试验中以风力机功率特性为指标的最优方案。(4)确定次要因素中最优值,结合主要因素变量进行多工况多范围仿真分析,进一步探究主要因素山体坡度及山体宽度对风力机功率特性的影响,最后找到各因素对风力机功率影响最优的组合,确立山坡地形中适合布置风力机的优选位置。
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