中小型船舶风光互补发电系统的风机选型(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】3 有限元分析结果与讨论 使用Solidworks Flow Simulation软件对两类风力机进行有限元分析,采用外流场分析方法来模拟环境风源,经多次模拟实验排除网格相关
3 有限元分析结果与讨论
使用Solidworks Flow Simulation软件对两类风力机进行有限元分析,采用外流场分析方法来模拟环境风源,经多次模拟实验排除网格相关性,将水平轴风力机与垂直轴风力机总网格数分别设置为150万与210万,气体流动类型设置为层流和湍流,并根据海面风况,选取风速范围2~10 m/s作为研究变量,针对这两类风力机在该范围内的气流状况、输出功率和空气阻力进行研究。
3.1 风力机附近气流状况
如图3、图4所示,可以观察到在风速10 m/s时两类风机周围的气体流动情况,具有较高风速的气流经过风机区域时,其所携带的部分动能转化为风机的机械能,推动风机转动,并在风机附近出现了低风速区域。通过流动迹线可以观察到由于达里厄H型这类垂直轴风力机选用的尖速比较其他阻力型垂直轴风力机大,其近尾流区也产生也较多的尾涡,而水平轴尾涡区域气流状况较为平稳。
图3 水平轴风力机轴向速度云图Fig.3 Cloud Atlas of Axial Velocity of Horizontal Axis Wind Turbine
图4 垂直轴风力机径向速度云图Fig.4 Radial velocity nephogram of vertical axis wind turbine
3.2 输出功率
水平轴风力机与垂直轴风力机在2~10 m/s风速范围内的输出功率如图5所示。
图5 两类风力机随风速变化的输出功率Fig.5 Output Power of Two Types of Wind Turbines Changing with Wind Speed
从图5中可以清晰地看到,随着风速的增大,两类风机的输出功率呈上升趋势。在2~8 m/s低风速范围下,水平轴风力机大于垂直轴风力机的输出功率。而在风速大于8 m/s时,情况则相反,并且垂直轴风力机在风速为10 m/s的条件下能够达到750 W的输出功率,是同风况下水平轴风力机输出功率的1.2倍。因此在低风速海域选择水平轴风力机能够获得较高的电能,而高风速的海域选择垂直轴风力机则更具优势。
3.3 空气阻力
水平轴与垂直轴风力机在2~10 m/s风速范围内的空气阻力如图6所示。
图6 两类风力机在不同风速下的空气阻力Fig.6 Air Resistance of Two Types of Wind Turbines at Different Wind Speed
由于水平轴风力机受风面积较大,其在较高风速的情况下产生的空气阻力相对垂直轴风力机偏高,不利于船舶的航行,对于小型船只选择空气阻力较小的垂直轴风力机,虽然在发电功率上略有欠缺但却能够减小油耗,提高船舶整体运行性能。
4 结语
通过对水平轴和垂直轴风力机在不同风况下的有限元分析,为中小型船舶风光互补发电系统的风机选型提供部分参考,综合上述研究可得到以下结论。
(1)针对中小型船舶使用的风力机,当海域风速常年小于8 m/s时选择水平轴风力机则能够获得较大的发电功率;当海域风速大于8 m/s时选择较低尖速比的垂直轴风力机则更具优势,不仅具有较高的发电功率,而且能有效减少风力机高速运行时产生的巨大噪音。
(2)考虑安装风力机对船舶航行时产生的额外负担,动力较小的船舶宜选用垂直轴风力机来降低油耗。
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文章来源:《船舶工程》 网址: http://www.cbgczzs.cn/qikandaodu/2021/0214/358.html