每日视点！垂直轴风力发电机组直接驱动加热器的运行特性研究

风力涡流加热是一种利用风能进行加热生产的形式。由于其对风质要求较低、设备结构相对简单且加热效率高，风力涡流加热设备可以代替传统化石能源进行冬季供暖，在一定程度上实现减少碳排放的目标。

(资料图)

通过加热器实验平台，得出液体搅拌加热器可以在7米/秒的风速下运行，但在低温环境下效率极低。

永磁涡流加热器必须在13米/秒以上的风速下运行，但在低温条件下也可以正常工作。结合两种实验装置的优缺点，并将垂直轴风力发电机作为原始驱动电机，分析了两种加热设备在不同工况下的加热效率，研究了风力涡流加热装置的适应性和加热效率。

●○物理模型与数值模拟方法○●

除了实现能源转换之外，风能供暖系统还可以通过“风能-机械能-热能”路径为用户提供所需的热能。

首先，自然风的动能通过风力发电机被捕获并转换为机械能，然后加热器将机械能转换为所需的热能。

与第一种能量转换形式相比，第二种形式被称为风能直接供暖系统，它节省了发电设备（如图1所示），减少了能量转换的次数。

图1

该系统将进一步降低初始投资成本，并显著提高能源利用系数。由于其结构简单、成本低且无需偏航系统，垂直轴风力发电机越来越受到关注。

垂直轴风力发电机分为升力型和阻力型垂直轴风力发电机，其中在高桨叶端速比下，升力型风力发电机具有较高的风能利用系数，因此风力发电机的功率较高。

升力型垂直轴风力发电机通常采用双叶或三叶风力发电机设计，而三叶风力发电机与双叶风力发电机相比具有较低的轴扭矩波动和更好的自启动特性。

永磁涡流加热器（图2）的基本原理是，当涡流加热器的转子开始旋转时，定子加热元件处于不断变化的磁场中。

由于定子加热元件通常是一个实心金属结构，它内部可以形成许多自由回路。在变化的磁场作用下，每个回路的磁通量都会发生变化，从而产生感应电流。定子加热体内形成的阻抗值较小，因此电路电流会很大，从而实现加热效果。

风能的间歇性特性，将永磁涡流加热器之后连接热能储存装置可以确保热能的稳定输出。

本研究旨在研究垂直轴风力发电机直接驱动的加热器在不同工况下的运行特性（图4）。分析了两种类型加热器的供暖效率，并对风力发电机和加热器之间的匹配关系进行了优化。

图4

●○物理模型和数值模拟方法○●

风力发电机模型是一种采用NACA0018对称翼型的三叶垂直轴风力发电机。叶片的弦长(c)为0.25米，风力发电机的转动直径(D)为0.55米。垂直轴风力发电机的叶片高度为1米。

几何模型和参数如图5所示。计算域主要分为两部分，外部是静态域，内部是内部旋转域，利用滑动网格计算方法在内部旋转域中旋转风力发电机。

这些域通过接口连接起来。为了消除进口堵塞对风力发电机性能的影响，并确保仿真过程中流体流动的连续性，内部旋转域的直径设置为1.5D（见图6）。

图6

垂直轴风力发电机的气动特性可以表示如下： 当风力发电机叶片处于每个位置时，满足以下速度关系，如公式（1）所示：

其中，V∞为进流风速，单位为m/s；U∞为风力发电机叶片线速度，单位为m/s；W∞为气流与叶片之间的相对速度，单位为m/s。

某一确定的叶片的力分析如图7所示。垂直轴风力发电机的中心点为O点，高度为2H。在图7中定义了Oxyz坐标系，其中Oz垂直于转子的垂直旋转轴，Ox与通过转子的风速方向相同。该叶片上的元素的中点被定义为M，弦长为l。

图7

W∞垂直于叶片方向，可以表示为以下公式（2）：

另一个分量可以表示为以下公式（3）：

因此，叶片上的力可以表示为以下公式（4）：

根据上述速度分解关系，叶片的攻角可以表示为以下公式（5）：

作用在叶片上的气动压力可以表示为以下公式（6）：

该叶片元素的利利恩塔尔气动系数可以表示为以下公式（7）：

其中Cl为升力系数，Cd为阻力系数。叶片法线方向和翼弦方向的分力可以表示为以下公式（8）：

将上述分力分解到流体风速方向上，转子在该方向上受到的合力可以表示为以下公式（9）：

叶片受力产生的转矩公式对于转子旋转轴的表达式如下（10）：

通过对上述公式进行积分，整个转子的转矩可以表示为以下公式（11）：

因此，功率可以表示为以下公式（12）：

风能利用系数CP可以表示为以下公式（13）：

●○网格划分和数值模拟结果的验证○●

网格划分是数值模拟中非常重要的一部分。良好的网格划分可以提高风力发电机性能预测的准确性。为了确保模拟的准确性，本研究采用了如图8所示的三维结构化网格用于风力发电机的模拟。

图8

对于本文研究的三叶风力发电机模型，采用压力-速度耦合方法和SIMPLE算法求解瞬态URANS方程，压力项、动量项和湍流耗散项均采用二阶迎风空间耗散算法求解，收敛判据设定为10^-5。

模拟中使用的湍流模型是过渡SST湍流模型，它是基于k-ω、SST方程加上两个经验公式构成的。相比其他模拟风力发电机的模型，该模型在湍流旋转方面更加准确。

为了避免网格数量、y+值、湍流模型、算法、时间步长等因素对模拟结果的影响，需要对模拟结果进行验证，如图9所示。

图9

与2D数值模拟结果相比，可以发现使用3D数值计算结果得到的风能利用系数与风洞实验的变化趋势接近，并且在风能利用系数的预测准确性方面明显优于2D数值模拟。

当风力发电机运行在最佳桨尖速比（λ = 1.48）时，从3D模拟中得到的风能利用系数为0.297，比风洞实验高出15%，比2D模拟低19%。

●○永磁涡流加热器的运行特性和效率○●

从实验中可以得知，在不同速度条件下，当工作流体的散热器表面温度增加60°C时，永磁涡流加热器的速度越快，散热器表面的工作流体温度上升越快。

然而，如果速度过快，会导致加热器运行过程中吸收的热量增加，循环工作流体的均匀加热和能量损失较高。总体而言，加热器在20 rad/s的运行速度相对适宜。

永磁涡流加热器的起动扭矩约为6.89N·m。而当将磁涡流加热器用作风力涡轮负载时，风力涡轮桨尖速度相对较低，将偏离最佳桨尖速比区间，从而导致运行过程中的风能利用系数较低。

对于永磁涡流加热器，当风速从13 m/s变化到17 m/s时，风力涡轮的输出参数如表2所示。

表2

不同风速条件下风力涡轮的转速和转矩曲线如图10和图11所示。显然，风力涡轮的转速和转矩都随着风速的增加而线性增加。

图10

图11

液体搅拌加热器的热吸收功率Pa2与输入加热器相关的机械功率Pw之间的关系可以表示为公式(15)所示：

因此，加热器的效率可以表示为公式(16)所示：

其中，Pa是工作流体的热吸收功率，J；Pm是加热器的输入机械功率，J；ηpth是加热器的效率。

系统效率是循环工作流体获得的热量与风力涡轮扫过的风能之间的比值。它可以直接反映加热系统从自然风中捕获的能量量。其表达式为公式(17)所示：

根据上述公式，可以利用风力涡轮的输出功率来获得永磁涡流加热器的加热效率和系统效率（表3）。

表3

从图12可以看出，随着测试风速的增加，加热效率同时增加。当风速高于15.5 m/s时，加热效率和系统效率显著提高。

当风速为17 m/s时，加热效率和系统效率分别达到最大值72.21%和10.83%。因此，在较高的风速和转速条件下，永磁涡流加热器具有较高的效率。

根据实验结果显示，液体搅拌加热器在不同转速下的温升速率会在一定范围内波动，但它不会随着工作流体温度的增加而减小。

图12

因此，随着工作流体温度的升高，环境散热的增加不会显著影响工作流体的温升速率。在不同加热器转速下，工作流体温度的变化呈线性函数关系，加热器转速对加热效果有显著影响。在高速下需要考虑搅拌叶片和板材的强度和刚度。

与永磁涡流加热器相比，液体搅拌加热器可以在较低风速下完成启动操作，并且起动转矩远低于相同功率水平的永磁涡流加热器。搅拌加热器可以在较低风速下利用风能，并提高风能利用率。

由于搅拌加热器的驱动转矩较小，风力涡轮机的转速增加，其桨尖速比接近最佳桨尖速比，风能利用系数更高。当风速在7 m/s到13 m/s之间变化时，输出参数如表4所示。

表4

测试风速范围内风力涡轮机的转速和转矩曲线如图14和图15所示。可以看出，在测试风速范围内，转速和转矩均呈线性变化。

图14

因此，当加热器的转速增加时，搅拌阻力由叶片承担，流阻板的流阻也会同时增加。当需要进一步提高加热器功率时，应优化搅拌叶片和阻尼板结构，增加搅拌阻力，降低最大转速。

图15

根据风力涡轮机的输出功率可以获得液体搅拌加热器的加热效率和系统效率（表5）。

表5

根据表5、图16和图17的数据，加热效率随着测试风速范围内风速的增加而增加，当风速为13 m/s时，最大效率为48%。相应的风能利用系数为0.295，具有最高的系统效率。

虽然永磁涡流加热器的效率很高，但其与风力涡轮机的匹配特性较差，导致系统效率较低。因此，良好的加热器和风力涡轮机的匹配将有效提高风能加热系统的效率。

根据现有的实验结果，应用数值模拟方法研究了不同工况下的垂直轴风力涡轮机，得出以下结论：

1.当液体搅拌加热器的几何结构和工作流体确定时，其输入转矩与转速呈线性关系。因此，用高粘度的工作流体替代工作质量可以有效减小加热装置的体积。

在保证热量的前提下，优化搅拌叶片和流阻板的类型可以降低设备的工作速度，实现与风机的良好匹配，提高风力涡轮机的利用系数，提高系统的加热效率。根据数值模拟结果，最大加热效率可达48.25%。

2.与同功率级别的液体搅拌加热器相比，永磁涡流加热器的起动转矩较高，并且由于垂直轴风力涡轮机自启动特性较差，由风力涡轮机驱动的永磁涡流加热器只能在高风速下运行，无法有效利用低风速下的风能。

通过与液体搅拌加热器的协同运行，可以提高系统的风能利用系数。根据数值模拟结果，最大加热效率可达72.21%。

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