Design of Wind Turbine Blade for Solar Chimney Power Plant

Aiming at the global efficiency of solar chimney power plant (SCPP), we design a wind turbine generation device to elevate its electricity generating efficiency. Based on wind power utilization theory, a new method is proposed to design a type of wind turbine blade for SCPP. The lift and resistance coefficients on different Reynolds numbers of NACA4418 airfoil, which is suitable for experimental solar electricity generation system, are determined by Profili-V2.0 airfoil design software, a program written in Matlab to calculate chord length of the airfoil. The optimization is conducted by class-shape-transformation (CST) parameterization method and Xfoil software. An airfoil design program is designed on the basis of blade element theory and attack angle with the highest lift coefficient to iteratively determine the inflow angle and setting angle. Prandtl’s tip-loss factor is applied to correct the setting angle, after the airfoil data are input into AutoCAD to build an airfoil model which is then imported into Solidworks to draw blades. A new way is put forward to design wind turbine blades in SCPP.     

Research on Dynamic Response Characteristics of 6MW Spar-Type Floating Offshore Wind Turbine

A 6 MW spar-type floating offshore wind turbine(FOWT) model is put forward and a fully coupled aero-hydro-servo-elastic time domain model is established in the fatigue,aerodynamics,structures and turbulence(FAST) code.Influence rules of wind load and wave load on the characteristics of 6 MW spar-type FOWT are investigated.Firstly,validation of the model is carried out and a satisfactory result is obtained.The maximal deviations of rotor thrust and power between simulation results and reference values are 4.54% and-2.74%,respectively.Then the characteristics,including rotor thrust,rotor power,out-of-plane blade deflection,tower base fore-aft bending moment,and mooring line tension,are researched.The results illustrate that the mean value of dynamic response characteristics is mainly controlled by the wind-induced action.For characteristics of tower base fore-aft bending moment and platform pitch motion,the oscillation is dominated by the wave-induced action during all conditions considered.For characteristics of out-of-plane blade tip deflection and mooring line tension,the oscillation is commanded by combination effect of wave and wind loads when the wind speed is lower than the rated wind speed(hereinafter referred to as below rated wind speed) and is controlled by the wave-induced action when the wind speed is higher than the rated wind speed(hereinafter referred to as above rated wind speed).As to the rotor thrust and power,the oscillation is dominated by the wind induced action at below rated wind speed and by the combination action of wind and wave loads at above rated wind speed.The results should be useful to the detailed design and model basin test of the 6 MW spar-type FOWT.     

基于Bezier曲线法对径流式涡轮机动叶的设计

根据叶轮初步设计公式,结合Bezier曲线构造方法依靠NUMECA软件Design3D模块以径流向心式涡轮机效率0.5为目标值,对叶轮子午面型线以及动叶型线进行设计。并通过NUMECA软件对所设计的叶片以及子午流面进行流体计算,得出了符合效率目标值的叶型和子午流面参数,以及子午流面的绝对温度和绝对压力的分布,提出了以径流向心式涡轮机效率为目标值,结合Bezier曲线构造法的叶片型线和子午流面型线的设计方法。     

不同对称翼型H型风力机气动性能数值模拟研究

风轮是风力发电机利用风能的核心部件,而翼型作为风轮的关键零件,其结构参数的选择的不同会对风力机性能造成极大的影响。本文选取3种常用的H型垂直轴风力机NACA系列对称翼型的绕流流动,建立其湍流流场的模型,采用移动网格技术对其进行数值分析与计算,得出风轮的力矩系数、功率及风能利用率的变化规律,在此基础上,详细分析了不同的对称翼型对垂直轴风力机风轮气动性能的影响。根据其气动性能曲线,拟合出给定工况下,风能利用率随尖速比的变化公式,更好的实现定量分析。     

深切峡谷桥址区高空风特性现场实测研究

架设在深切峡谷中的大跨度桥梁,由于桥址区地形地貌复杂,桥面离开谷底较高,桥址区的风特性一般无法通过抗风规范直接确定. 为确定深切峡谷桥址区高空的风特性,利用大桥施工过程中的猫道,在大桥跨中位置处布置了一套三维超声风速仪,对桥址区高空中的风特性进行了现场实测,获得了7 899条有效的脉动风速时程,以此为基础对桥址区高空的风特性（平均风速、风向、风攻角、紊流度、紊流积分尺度、功率谱）进行了分析. 研究结果表明:深切峡谷桥址区高空风特性受地形的影响已经明显减弱,其风攻角均值趋于0,同时高空的紊流积分尺度更加接近平原地区,紊流积分尺度均值比规范推荐值要大.      

环境风对高速铁路接触线波动速度的影响

基于空气动力学理论分别推导了作用在接触线上的空气阻尼和脉动风气动载荷, 并将空气动力项添加至接触线波动速度公式中进行修正; 通过风洞试验和CFD绕流仿真得到了横风环境下的气动阻力系数, 分析了不同空气阻尼下接触线波动速度的变化规律; 基于AR模型和接触网的结构特性, 建立了具有时间和空间相关性的接触网脉动风场, 通过仿真计算分析了脉动风速和风攻角对接触线波动速度的影响。研究结果表明: 静风载荷引起的接触线空气阻尼很小, 当平均风速达到30 m·s-1时, 接触线空气阻尼仅为0.3, 接触线波动速度为549.1 km·h-1左右, 因此, 空气阻尼不会对接触线波动速度产生较大影响; 当来流风攻角为60°, 平均风速不大于10 m·s-1时, 脉动风下接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和6 km·h-1, 此时接触线波动速度相对无风情况变化较小, 脉动风载荷对接触线波动速度的影响不明显; 当风速达到40 m·s-1时, 接触线平均波动速度较无风情况下降39.39 km·h-1, 且其标准差和最值差分别达到11.84和75.98 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至474.16 km·h-1, 因此, 脉动风下风速越大, 接触线波动速度受脉动风载荷影响越显著; 当风速保持30 m·s-1, 来流风攻角为0°~30°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和5 km·h-1, 此时脉动风载荷对接触线波动速度的影响较小; 当风攻角为90°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别达到12.38和73.19 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至472.91 km·h-1, 因此, 脉动风下来流风越偏于水平方向, 对接触线波动速度的影响越小。      

高速公路太阳能供电和风力供电技术应用

高速公路交通工程及沿线设施设计中,机电设备的供配电因涉及到节能、电缆防盗等因素,一直以来都是建设单位和设计单位重点考虑的问题,机电设备一般采用太阳能和风能的供电方式,可以有效利用自然能源,从而解决采用传统供电方式的电缆因被盗导致机电设备失效而造成的经济损失和对运营管理的影响,有效降低运营期间的费用、提高服务水平。     

基于EMD与SVM的风电功率短期预测

由于风电存在着不确定性,风电功率预测对于接入大量风电的电力系统意义重大.为了提高风电功率的预测精度,本文建立了基于经验模式分解法（EMD）与支持向量机（SVM）的复合预测模型.考虑到风力机组的输出有很强的非线性,该模型首先将训练数据按风速大小分成高、中、低3组,然后对各组的风电功率样本序列进行经验模式分解,并建立各个频带分量的支持向量机预测模型,各模型的预测结果等权求和即得到最终的功率预测值.使用风电场现场采集数据的预测结果,验证了该方法的可行性和有效性.     

叶顶间隙对喷水推进水力性能的影响

分别以设计参数相同的混流式喷水推进泵与轴流式喷水推进泵为对象, 基于剪切应力运输湍流模型、隐式多网格耦合算法与全结构化网格, 对4种不同叶顶间隙的水力性能进行数值模拟, 分析了叶顶间隙对喷水推进水力性能的影响, 研究了叶顶间隙影响程度与喷水推进器类型的关系。研究结果表明: 2种喷水推进泵的扬程、效率均随叶顶间隙增大而减小; 随着叶顶间隙的增大, 混流泵消耗功率先增大后减小, 当叶顶间隙为1.3mm时消耗功率最大, 而轴流泵消耗功率单调减小; 混流泵叶顶间隙变化引起的喷泵效率改变量不受流量影响, 而轴流泵效率变化量随流量增大而增大, 以较大叶顶间隙为基准, 且叶顶间隙变化量相同时, 混流泵效率变化较大, 轴流泵效率变化较小; 混流泵与轴流泵性能存在差异的主要原因是外形结构不同导致间隙涡对叶顶间隙泄流的作用大小不同; 当叶顶间隙由0.7mm增大至1.6mm时, 2种喷水推进器推力效率变化量在1%以内; 随着叶顶间隙的增大, 2种喷水推进器消耗功率的变化趋势与喷水推进泵相同, 且轴流式喷水推进器总推力、功率变化幅值大于混流式, 即混流式喷水推进器对叶顶间隙变化的适应性更好。      

Data-Driven Process Monitoring and Fault Tolerant Control in Wind Energy Conversion System with Hydraulic Pitch System

Wind energy is one of the widely applied renewable energies in the world. Wind turbine as the main wind energy converter at present has very complex technical system containing a huge number of components,actuators and sensors. However, despite of the hardware redundancy, sensor faults have often affected the wind turbine normal operation and thus caused energy generation loss. In this paper, aiming at the wind turbine hydraulic pitch system, data-driven design of process monitoring(PM) and diagnosis has been realized in the wind turbine benchmark. Fault tolerant control(FTC) strategies focused on sensor faults have also been presented here, where with the implementation of soft sensor the sensor fault can be handled and the performance of the system is improved. The performance of this method is demonstrated with the wind turbine benchmark provided by Math Works.     

顺向斜风作用下桥面运动车辆气动特性试验研究

顺向斜风对行车安全的影响不容忽略,为考查顺向斜风对运动车辆气动特性的影响,采用移动车辆模型风洞试验装置,针对缩尺比为1/20的车辆和桥梁模型,测试了顺向斜风作用下运动车辆的气动特性,讨论了风速、风向和风屏障等因素对移动车辆气动特性的影响. 结果表明:移动车辆的五分力系数在不同风速时吻合较好;侧向阻力系数、升力系数和点头力矩系数随着合成风偏角的增大而减小;风偏角较小时,风向角对车辆的升力系数有较明显的影响;风屏障使车辆的气动力系数接近0,且明显地改变了车辆气动力系数随风偏角的变化规律;设置风屏障后,车辆阻力系数的变化率受风偏角、车速和风速等条件的影响.      

漏斗型峡谷桥址区平均风特性的数值模拟

结合某大跨悬索桥所在山区地形,研究了漏斗型峡谷这一特殊构造地形的桥址区平均风特性,为大跨度桥梁在漏斗型峡谷地区的抗风设计提供依据.首先,建立实际地形的数值模型,并利用Fluent软件对24个不同来流工况进行比较分析;然后,将整体模拟结果与实测结果进行对比,验证数值模拟的合理性;最后,通过模拟结果的对比分析,探讨漏斗型峡谷桥位对风速大小、风攻角、风向角在不同来流方向的影响规律,分析平均风速随攻角分布的特点以及不同位置处的竖向风剖面特性.研究结果表明：漏斗型峡谷桥址区存在明显峡谷风加速效应;漏斗型地形对桥址区来流的攻角和风向分别表现为弱扰乱性和高导向性,来流攻角和风向分别稳定集中在-5°～0°和25°～30°;峡谷中风速对攻角变化的敏感性更高.     

变速恒频双馈风力发电系统励磁控制策略仿真研究

能源问题正受到全世界的广泛关注,风能的有效开发利用变得愈加重要,因此先进的风力发电技术的研究成为热点。变速恒频（VSCF）双馈风力发电系统是目前风力发电系统的主流,在该系统中,励磁控制技术的研究是关键。对VSCF双馈风力发电机组的基本功率控制策略进行了研究。在额定风速以下运行时,转子励磁控制系统通过双馈发电机转速的控制,跟踪最佳风能利用系数曲线以获得最大功率,给出了最佳风能捕获控制系统励磁控制算法。在高于额定风速运行时,通过变桨距和励磁控制技术相结合实现恒功率控制,建立了简洁、直观的变桨距控制与励磁控制的控制算法,并对控制算法进行了仿真。     

风力发电塔系统整体建模与模态分析研究

为了判断风力发电塔系统是否能避开共振,需对其进行模态分析。提出了考虑“桨叶-轮毂-机舱-塔筒”耦合的整体建模的方法,可用于风力发电塔系统模态的计算。分别进行了停机阶段、运行阶段和切出阶段的模态分析,对比其频率和固有振型。对比结果表明：三个阶段的频率基本相同,只须验算停机状态下的频率满足规范即可;塔筒的振动形式主要为侧向弯曲振动、前后弯曲振动和扭转振动;桨叶在前十阶的振动形式主要为挥舞振动和摆振,且三桨叶振动存在一定的规律;相对于停机阶段,运行阶段时振型基本相同,切出阶段时振型有较大差异。     

Design of fuzzy controller for direct drive wind turbines

Based on the research results of these years, this paper proposes a design of 3MW direct-driven wind generation inverter, and takes much effort in the control algorithm research and MATLAB simulation. Some wonderful results are obtained. All this may provide the reference for practical application. The fuzzy controllers are designed, based on fuzzy logic control theory, which can perfect control of wind generation system with no mathematic model. Models of permanent magnet synchronous generator (PMSG) and dual pulse width modulation (PWM) converter with their controllers are set by MATLAB/Simulink. In addition, experiments are made on the simulation platform of variable speed constant frequency (VSCF) wind power generation system. The behavior of dual PWM converter is demonstrated by simulations and experiment, and the control strategy is valid and correct.     

基于大风浪影响的船舶安全通航水深计算方法

船舶安全通航水深是港口工程及受限水域船舶航线选择的重要参数,该参数的确定一般是基于《海港总平面设计规范》中的计算公式进行的,计算中要考虑的影响因素很多,其中波浪因素不仅影响最大,而且其不确定性也最大（主要是风对波浪的影响）。在考虑波浪影响时,《海港总平面设计规范》中的计算公式中没有将安全通航水深的富余值与实时风力联系起来。通过将一种成熟的海面风速与浪高的数学模型与《海港总平面设计规范》中的计算方法相结合,提出一种基于实时风速的开阔海域船舶安全通航水深的计算方法．对于船舶安全通航具有重大意义。     

大跨度悬索桥静风稳定可靠性分析

基于一次二阶矩可靠度理论和非线性静风稳定性的分析方法,把静风失稳风速、基准风速及风速随机性修正系数作为随机变量,提出了大跨度桥梁静风稳定性可靠度分析方法.以某大跨度悬索桥为工程实例,对不同初始风攻角下的静风失稳进行了可靠性分析,并进一步作了静风失稳可靠度敏感性分析.结果表明：该桥基本上不会发生静风失稳,＋3°;初始攻角工况是该桥发生静风失稳的控制工况,静风失稳可靠度对静风失稳风速最敏感.     

船舶进出港低速航向保持

为了在船舶进出港时,船舶处于浅水域并以低速航行,在风、浪等强扰动作用下,增强航向控制性能,减小能源损耗,选择三阶Nomoto模型,将航速和水深变化反映到模型参数的变化上,基于闭环增益成形算法设计出一种具有适应性的鲁棒PID控制器,建立基于风、浪干扰的非线性船舶运动数学模型,并用S函数来实现。用PID控制器对非线性船舶运动数学模型进行控制,在Simulink环境中对各种水深、船速及海况进行航向控制仿真。从仿真曲线可看出其航向跟踪效果良好,静差为0,且施舵合理,所设计的控制器对非线性船舶运动数学模型具有良好的控制性能。     

水库蓄水对山区桥址风特性的影响

为研究山区水电大坝蓄水后对库区桥位风场特性的影响,以某复杂深切峡谷大跨度悬索桥为工程背景,通过Gambit和ICEM分别构建了原始地形以及大坝蓄水后的地形数值模型,并应用软件FLUENT对两个模型进行了数值模拟,多工况对比分析了大坝蓄水对桥址区风速沿竖向和主梁跨向分布以及对主梁平均风速、风攻角和风向角的影响.研究结果表明:无蓄水时该桥址区风速有较明显的加速效应,风速放大系数高达1.14,但蓄水后明显降低;大坝蓄水后,大多数工况下主梁平均风速均有不同程度的降低,主梁的正攻角效应明显减弱,主梁平均风向角整体变化规律一致,风剖面形状在低海拔范围内有较大变化,而随着海拔增加二者逐渐趋于相同.      

Wind Pressure Characteristics at Windward Side of Long-Span Cantilevered Roof by Wind Tunnel Test

A rigid mode of long-span cantilevered roof was tested in wind tunnel.By analyzing the relation between wind angle and wind pressure coefficient and the relation between wind angle and wind shape factor,we found that 90° is the most disadvantageous wind angle.Furthermore,the fluctuation of wind pressure at the windward edge was reflected by power spectrum density (PSD) and coherence function.The correlation coefficients of measuring points on outer and inner surfaces verifys that the largest lift force was produced at 90°.