基于文丘里效應的風力發(fā)電裝置的試驗模型分析研究

天津理工大學機械工程學院 天津 300384

伴隨可再生能源和分布式發(fā)電的興起，風力發(fā)電這種清潔能源受到行業(yè)的重視，通過對技術的再設計，不但能夠使成本效益高，調整能源結構，使得發(fā)電企業(yè)以更低的成本運營。在風電裝置運行中，通過對模型的試驗，可以改變傳統(tǒng)風電系統(tǒng)的運行方式，防止出現(xiàn)傳統(tǒng)水平軸式風力發(fā)電系統(tǒng)運行中的啟動風力大、旋轉葉片殺害鳥類的問題，充分滿足環(huán)境友好型需求和可持續(xù)運行需求。因此，可對該系統(tǒng)裝置的運行狀況進行動態(tài)化仿真模型的試驗，從而構建分布式的清潔能源系統(tǒng)，并且，通過試驗模型可以確定整個風電裝置各部件的運行模型，避免系統(tǒng)運行時風力資源損耗嚴重，提高風力發(fā)電的效率。

1 風力發(fā)電裝置的動態(tài)建模

1.1 文丘里效應 文丘里效應是利用風力發(fā)電裝置中的管道空間寬窄不一，且呈現(xiàn)漸縮的形式，從而使通過該處管道的氣體流速增大。本文中利用文丘里效應的模型可分為：第一，在收集風力單元的下方，在該模型下使收集的風能單元迅速變密，但是，該系統(tǒng)模型存在著使風力損耗較大的問題，可針對性的制定處理方案，以實現(xiàn)該模型的運行目的。第二，在裝置后方安裝文丘里管道，為更大限度的利用渦輪機，也可構建方案，擴大額定裝機的發(fā)電量。

1.2 下進風口模型 下進風口模型位于該裝置最上部集風口的下方連接處，類似于一種橫截面積從上至下由大到小的漏斗形，主要作用是將全方位的進風氣流體經該下進風口系統(tǒng)模型集中收集，滿足裝置中第一次流速增大的要求。

1.3 導風板模型 在下進風口模型的構建中，上方有圓柱形的進風口面，為了更方便從全方位收集氣流體，圓柱形進口面之間的距離會影響進氣量，故為了能更有利的采集分風量，可設置相對較寬的距離。在下進風口的中心位置，存在使各個方向的來流風順利進入下進風口的導風板，而導風板在下進風口中的深度對收集氣流也有較大作用，為了防止氣流從一側流入進口面，又從對立相反的一側溢出的現(xiàn)象發(fā)生，使更多的氣流能被利用，所以導風板應適當增加深度，而增加的導風板數(shù)量會在裝置中使用一定的空間，將進風口處的氣流體阻力增大，故需采用適當?shù)膶эL板用以導流。

1.4 內壁面模型 在風力發(fā)電裝置進風口處中間有內壁面，目的是將氣流沿著內壁面和導風板送入下進風口中。內壁面主要考慮因素是直徑、內壁面的底部深度。增加內壁面底部在下進風口中的深度或者增加內壁面底部半徑，能使進入到氣流體的導風面積增大，使氣流能更好地進入下進風口中。與此同時，因為內壁面在下進風口中的增加部分會占據一定的空間，即進入的氣流體阻力增大，為更好的在發(fā)揮該裝置的發(fā)電效果，故把內壁面底部半徑和底部深度綜合考慮。同樣內壁面底部和導風板在其中占有一定的空間，所以進入下進風口的氣流體，會因風速的逐漸增大而達到飽和值，從而當裝置遇到較大風速時同時起到保護裝置的作用。

1.5 文丘里管道模型 在利用文丘里效應的文丘里管，可視為橫截面從左至右由大到小的倒喇叭形管，氣流從文丘里管的左側向右流動，由于通過橫截面積的逐漸減小，氣流體的速度也隨之增大，而文丘里管的右側接口處，即為安裝風力渦輪機組的位置，這是管內最佳的位置，使得渦輪機得到最有效的利用，高效的將風能轉化為電能。

在對裝置的輸出功率計算時，C——常數(shù)，C=ηρ；η——風力發(fā)電機轉換效率，%；ρ——氣流體密度，kg/m3；A——文丘里管末端的橫截面積，m2；ν——文丘里管末端風速，m/s。計算方法為：

2 風力發(fā)電裝置的動態(tài)建模

2.1 風力發(fā)電裝置 風力發(fā)電裝置采用水平走勢，風力渦輪機正對來自文丘里管道的氣流體，當風流通過文丘里管道運輸后，在管道的末端最狹窄處會形成“噴射效應”，在整個風力發(fā)電裝置的運行過程中，可以根據系統(tǒng)裝置的大小來安排渦輪機數(shù)量。

2.2 風速模型實驗 通常情況下，在對風速模型實驗過程中，需要先對當?shù)氐娘L力資源進行評估，面對不斷變化的風速，無法詳細的描述風的波形。在實驗中，我們采用生風裝置(吹風機)來模擬實驗，并在沒有該模型下同樣進行實驗，可以得到對比實驗結果。

2.3 對比試驗模型 在科學實驗研究領域，為得到最佳實驗效果，通常采用對比的方法，能定性或定量的在某種事物的某個不同特定條件下，而發(fā)生一系列的變化規(guī)律。為說明使用該裝置能高效發(fā)電的事實，實驗組為使用該模型，對照組為未使用該裝置下的發(fā)電狀況。二者采用同一風力來源，且大小相等，風力機相同，并且二者與風力來源距離相同，在逐漸將風速從零逐漸增大的過程中，可以明顯觀察到，裝置中所接的用電器先產生反應，而常規(guī)的風力機未能作出反應。采用電子電壓表評測風機轉動時裝置所產生的電壓大小，從而推斷出與常規(guī)風力發(fā)電機組在風速的產生上的差別。通過實驗，得到以下數(shù)據：

常規(guī)風力機 試驗裝置葉片直徑 10cm 10cm距離風力源1.2m時的發(fā)電電壓 1.48v 5.9v距離風力源1.0m時的發(fā)電電壓 1.98v 8.7v距離風力源0.8m時的發(fā)電電壓 2.57v 11.6v

結束語

總之，通過動態(tài)建模，能夠根據分系統(tǒng)的各部件的使用情況，來確立裝置的運行模型，結合分布式系統(tǒng)和高效利用能源的思想，提高裝置的運行效率，并通過對該裝置的動態(tài)模型設計，使發(fā)電裝置的各部件的大小進行設定，再通過該動態(tài)模型與傳統(tǒng)風力發(fā)電機組的對比實驗來實現(xiàn)風力發(fā)電的高效性和穩(wěn)定性。