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风光互补路灯中的小风力机优化设计研究

2025-03-02 33 上传者：管理员

摘要：随着可再生能源技术的快速发展和环境问题的日益突出，离网型风光互补路灯作为一种新兴的清洁能源解决方案备受关注，其中风力机的性能是风光互补路灯正常工作的重要保障。旨在通过简易小风洞的搭建，对风力机的优化设计进行研究，以提高其发电效率和稳定性。通过风洞实验，对风力机的叶片设计以及整体结构进行了优化，取得了显著的效果。

关键词：
叶片设计
环境保护意识
简易小风洞
风光互补路灯
风力机
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随着全球能源需求的持续增长和环境保护意识的日益增强,可再生能源的开发与利用已成为世界各国关注的焦点｡城市人口与经济活动高度集聚,照明能耗可观｡通过在城市周边或适宜地区安装风力发电设备,可以有效地将风能转化为电能,为城市提供清洁､可持续的能源供应｡离网型风光互补路灯集成了风能和太阳能的优点,可有效减少对传统能源的依赖,降低碳排放与环境污染,优化能源结构,提升能源供应稳定性,是城市迈向可持续发展的有效实践｡然而城市风能风速低､分布广,风向多变且受建筑影响,能量密度相对低,且面临政策法规不完善､成本效益待优化､公众接受度低等挑战｡小型风力机的性能优化问题也一直是制约其广泛应用的关键因素之一｡

风力机的性能优化涉及多个方面,包括叶片形状､材料选择､结构设计等｡传统的优化设计方法往往依赖于复杂的数学模型和数值模拟,虽然取得了一定的成果,但在实际应用中仍存在诸多限制｡为了更直观地了解风力机的性能表现,并对其进行有针对性的优化设计,搭建简易小风洞进行实验成为一种有效的手段｡简易小风洞具有成本低､操作简便､易于调整等优点,能够模拟风力机在实际工作环境中的气流特性,为风力机的优化设计提供可靠的实验数据支持[1]｡本文旨在通过搭建简易小风洞,对风力机的优化设计进行深入研究,通过理论分析与实验数据分析和对比,探索提高小型风力机性能的有效途径,然后将优化后的小型风力机运用到离网型风光互补路灯中｡

1、实验准备

1.1风洞搭建

本实验的实验装置由简易小风洞､风场测量模块､风力机及功率测量装置等部分组成,简图如图1所示｡

图1实验装置简图

简易小风洞由鼓风机提供原始风源｡风源装置作为整个风洞的驱动装置,是风洞的基础｡鼓风机提供的原始风源风向和风速都不稳定,为了使气流变得更加均匀稳定,可以在其出口设置金属阻尼网,阻尼网可以横向切割风场,引导气流沿着特定的方向流动,实现气流均匀化[2]｡然后加装稳定段,稳定段可以使风源产生的气流有足够的时间稳定下来,提高气流速度上的稳定性｡稳定段后设置收缩段,收缩段出口设置两层蜂窝器,其多孔结构能够有效地打散气流,减少涡流和湍流,提高气流的均匀性｡给鼓风机外接调压器,可实现风速的调节｡

风场测量模块主要由风速计和辅助支架组成,实验选用热敏式高精度风速计,进行风速测量时,使用USB数据线连接电脑,可自动记录数据,获得实时变化数据｡风速测试辅助支架的作用主要是固定风速仪并移动测量点的位置,减小直接手持风速仪带来的误差,以获得更为精准的实验数据｡

风力机主要由叶片､轮毂､传动装置､发电机等部分组成｡风力机叶片数目为3,轮毂高度可调,轮毂是连接叶片和传动装置的部件,轮毂的设计需要能够承受叶片传递的扭矩和离心力｡叶片优化实验所用叶片采用激光切割方法获得｡功率测量装置主要由示波器及外接电阻构成｡示波器通常用于观测电压､电流随时间变化的波形,外接电阻用于通过测量电阻上的电压降来计算电流,进而结合电压值计算功率｡

1.2叶片设计

大型风力机叶片的根部较宽且厚实,用于连接轮毂并承受叶片的扭转和弯曲力矩｡叶片的末端较窄且尖锐,以减少风阻并提高能量转换效率｡与大型风力机叶片相比,小型叶片的根部和末端形状可能较为接近,没有大型叶片那样的明显过渡[3]｡根据叶素动量理论我们设计了3款叶片,分别为上下弦长相同､上宽下窄､上窄下宽,3款叶片的面积大小相同,形状及尺寸如图2所示｡(下文中依次称其为a､b､c叶片)｡

图23款叶片的形状及尺寸数据

根据叶素动量理论可知风轮转矩,设叶片数为N､叶片长度为R､叶高位置为r､叶素弦长为c的风电机组,作用在风轮平面半径r处叶素上的转矩M为

式中:ρ为空气密度;ω为相对气流速度;Ct为t时刻切向力系数｡

从转矩公式推断:在叶片总面积不变的情况下,适当拉长叶尖､缩短叶根弦长,可以增加转矩,从而提高叶片的性能｡

2、风洞效果检验

2.1均匀性提升效果

首先在鼓风机的出口选取一个截面,在测量截面上架好辅助支架,测量截面为横向22cm,纵向25cm的长方形区域,通过网格划分,将测量截面划分为22×25=550个小网格,每个小网格尺寸为1cm×1cm,作为一个测点｡移动热线式风速仪探头到第一个测点,打开风机,等待大约5~10s运行平稳后,电脑实时导入测风仪数据,每个测点记录10s数据,每秒记录一次,10次测量的平均值作为该测点风速｡完成一个测点的测量后移动探头到下一测点重复以上步骤,直至所有测点测量完成｡部分测量数据后,进行数据处理利用Tecplot软件绘制出该截面的风速分布图,如图3所示,颜色表示速度的大小,单位m/s｡

图3鼓风机出口风速分布图

然后在鼓风机后加装简易小风洞,测量其出口截面的风场,测量截面为14cm×14cm的正方形区域｡每隔2cm测一个点,测量方法同上,截面上的风速分布如图4所示,颜色表示速度的大小,单位m/s｡

图4小风洞出口风速分布图(蜂窝器相隔8cm)

对比图3~4,小风洞起到了显著的整流效果,且小风洞出口的风速比鼓风机出口风速有明显的提高｡根据均匀度计算可知,均匀度作为风场风速均匀性指标,其值越低,风场的均匀性越好,测定结果进一步说明小风洞对风源均匀性提升有显著作用｡

2.2稳定性提升效果

图5风速随时间变化曲线图(距圆心右4cm测点)

在鼓风机出口､收缩段出口､小风洞出口三个截面上,分别选取距离圆心4cm上下左右4个测点位置行稳定性测试,调好风速计探头位置,打开电源待运行稳定后开始测量,每个点测量50s,每秒钟记录一个数据点,测出数据,将数据处理后绘制出各点风速随时间变化曲线,图5展示了距圆心右4cm风速随时间变化曲线｡

从图中可以看出相比于鼓风机出口,收缩段出口风速大小有显著的提升,距圆心上､下､左各4cm处风速变化规律与此相似,均是相比于鼓风机出口,收缩段出口风速大小有显著的提升,进一步验证了收缩段提升风速的作用｡鼓风机出口风速波动最大,而小风洞出口风速波动最小,说明了小风洞对风场稳定性的提升有显著作用｡

3、叶片性能分析

控制风机的桨距角等参数设置完全相同,分别安装3组叶片,测量不同风速下风力机的输出功率,测出数据后,处理分析制图,3组叶片输出功率随风速的变化曲线如图6所示｡

图63组叶片输出功率随风速的变化曲线

由图中可以看出叶尖弦长大､叶根弦长小的叶片b输出功率最大,性能最好,验证了适当拉长叶尖､缩短叶根弦长,可以提高叶片性能的优化设计思路是正确的｡

4、离网型风光互补路灯的建模和环境效益分析

风轮的建模需要考虑到其与风能的交互作用,风轮的设计通常包括叶片的设计､叶片的安装角度､风轮的速度等｡建模步骤包括创建风轮的基本模型,确定其尺寸､形状和材料特性等｡路灯建模效果图如图7所示｡考虑校园环境照明要求,设定照明时间为4:00—7:00､17:00—24:00,按50W的照明强度来算,得出每天耗电量为0.5kW·h｡年耗电量为182.5kW·h｡而火力发电的煤耗率通常在0.3~0.4kg/(kW·h)之间,假设为0.35kg/(kW·h),则可以算出需要的煤耗量约为63.88kg｡所以该路灯发电一年大约可以节约63.88kg用于火力发电的煤｡火力发电站每产生一度电,可以产生800~1000g的CO2,按900g计算,则火力发电182.5kW·h会产生164.25kg的CO2,使用离网型风光互补路灯发电可以不产生该部分的CO2,从而达到清洁减排的目的｡

图7风光互补路灯建模

5、结论

本文设计搭建了一款微小型低速风洞,该风洞主要由风源､稳压段､收缩段､蜂窝器以及阻尼网构成｡通过风场测量结果对比分析可知,小风洞起到了很好的整流效果,提高了气流的均匀性和稳定性｡在此风洞中开展叶片优化实验研究,证明在保持叶片表面积不变的前提下,适当拉长叶尖弦长､缩短叶根弦长,可以提高风力机的输出功率,最后对整个离网型风光互补路灯进行了建模,并通过环境效益分析说明了风光互补路灯具有很好的节能减排作用｡

参考文献:

[1]战培国,赵昕.风洞发展现状及趋势研究[J].航空科学技术,2010(4):5-7.

[2]荣臻,郑耀.低湍流度静声低速风洞及气动设计[J].实验室研究与探索,2019,38(11):60-65.

[3]华子深,王前,钟婷,等.小尺寸低风速风电机组的叶片优化研究[J].太阳能,2022(10):90-93.

基金资助:江苏省大学生创新创业训练计划项目(202313983031Y);教育部产学合作协同育人项目(231104429105811);苏州城市学院2022年高等教育教学改革研究课题(混合式教学模式实践研究——以风力发电技术课程为例);

文章来源:彭昊,王前,胡诗羽,等.风光互补路灯中的小风力机优化设计研究[J].灯与照明,2025,49(01):73-76.