关键词:
风力叶片
数值模拟
风电场
纳米技术
纳米陶瓷涂层
摘要:
由于人们越来越关注化石燃料的不利影响和有害后果,包括人类、动物、植物、气候和其他关键环境因素,风能在世界范围内经历了重大发展和创新。不同发达国家和发展中国家通过采用实用规模的可再生能源(RE)项目和更可持续、更清洁和更绿色的替代燃料资源来应对这些严重的生态问题。风能是其中一个可再生能源种类。美国、中国、约旦、德国等国家建立了几个兆瓦/吉瓦规模的风电场,以满足人们对电力日益增长的需求。然而,风力涡轮机的功能及其相应的屈服功率会受到一些环境条件和运行环境的影响。例如,风速、温度、压力值和风荷载/风力在影响风力涡轮机的效率和整体电力方面起着关键作用。同时,总电能可能主要受到某些环境条件的影响,例如风力叶片表面的粗糙度。在某些情况下,当雪、灰尘、昆虫或污染物质沉淀在风力叶片表面,会发生更大的摩擦,导致更大的阻力,并显著降低风力叶片灵活旋转的能力,从而导致整体电力水平下降。研究人员报告说,风力叶片持续暴露在有问题的运行条件和复杂的天气条件下,可能导致更大的性能衰退,导致昂贵的操作和维护(O&M)需求。例如,它们可能会受到大雨或灰尘的影响,这可能会在一到两年内导致其表面粗糙度急剧恶化。另一方面,一些风电场可能需要几年时间才能出现相同的退化和侵蚀问题,具体取决于每个风电场的气候特征。在这种情况下,许多学者强烈建议在风力叶片表面涂敷涂层,以帮助缓解具有挑战性和有害的操作条件,这些条件可能导致风力叶片的性能和产生清洁电力的能力迅速下降。
本文旨在确定在风力叶片表面实施保护性纳米陶瓷涂层的益处,以帮助保护其表面免受下雪、非常寒冷的冬天或非常炎热的天气恶劣等天气条件影响,避免其发生劣化和机械退化,从而影响风力叶片的机械性能。反过来,整体产生的清洁电力也会受到影响。本论文探讨了一个Al-Tafila风电场(TWF)可再生能源项目,该项目为本研究中涉及的数值分析提供了案例。此外,这项工作旨在最大限度地减少在风力涡轮机上花费的运维成本。据该风电场综合管理部门的工程师、高级官员和顾问称,该项目面临着一系列具有挑战性的问题和困难,这些问题限制了Al-Tafila省风力发电的最终清洁发电量。
本论文主要依靠两种数据分析方法来完成必要的研究目标,包括有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD)。有限元分析可以为风力涡轮机叶片提供完整的数值分析和数学建模与模拟。尽管如此,由于模拟程序涉及空气(风)的空气动力学运动以及阻力和摩擦力的研究,因此还需要使用第二种数据分析技术参与这项工作。基于上述FEA和CFD方法的讨论,在进行3D建模和数学模拟之前,必须将机身划分为具有确定(有限)形状的小单元,这些单元可以灵活地进行分析和研究,并具有更好的适应不同类型空气动力载荷和控制风速的能力,同时适应于面向风力叶片几何复杂性的重大挑战。采用FEA方法,通过主动划分网格,将风力发电机叶片的整个结构划分为321.1万个部分来代表可以有效仿真和探索的最小单元,以便开展风力发电机叶片的数值研究。此外,后一种单元数与CFD网格划分过程有关。参考计算机辅助工程(CAE)实现的网格划分程序,单元数达到25,896。这些小单元具有多边形形状,可以在其上施加空气动力载荷,而不会在考虑形状的几何复杂性时遇到形状设计问题。为了更好地阐明和有效理解纳米技术对风力叶片涂层的关键贡献、益处和增强作用,本文对使用氧化铝涂层前后风力叶片的力学性能进行了比较分析。同时,明确讨论并阐明了当使用纳米材料的涂层技术应用于风力叶片表面时的空气动力学性能以及气压和阻力趋势。
基于这三种研究方法,本研究对维斯塔斯V112-3.0 MW风力叶片进行了分析模拟,结果表明,应用纳米复合涂层(如氧化铝)可以降低Von Mises、弹性应变和总变形率,从而提高风力叶片的力学性能和耐久性,最终产生清洁的电力。表面的灰尘(或受污染的氧化铝层)也会大大降低风力叶片的空气动力学性能,阻力和压力的显着增加就证明了这一点。反过来,这将大大降低风力涡轮机的年发电功率。此外,ANSYS数值仿真证实,无论表面粗糙度如何,都可以通过提高三个风叶片扫掠区域的风速来增加压力和阻力。此外,研究发现,整体使用氧化铝纳米涂层有助于延长使用寿命,提高可用性,并提高在恶劣工作条件、恶劣操作环境和大气条件下的耐腐蚀性、和耐磨性。除了这些发现之外,从ANSYS数值工作中得出的结论包括,由于风力叶片表面的风压最小化,通过氧化铝涂层覆盖风力叶片可以最大限度地减少最大阻力。然而,当这种清洁的表面被灰尘覆盖时,阻力和压力可能会显着升高,导致风力涡轮机的整体性能和清洁发电量的下降。基于这些发现,强烈建议监测风力叶片的清洁程度,以帮助始终保持其表面清洁。由此,可以避免有效率的降低或电气和机械劣化。
在这些关键结果的基础上,从ANSYS仿真工作的结果中可以看出,使用纳米涂层之后