多尺度多因素协同作用的风电系统能效评估机理的研究

Wind Power as one type of new energies has been widely used, but vertical axis wind power turbines(VAWT) are of great concern on assessment of its energy conversion mechanism and efficacy. This project intends to explore wind energy conversion mechanism on the micro-scale, to establish a comprehensive nonlinear multi-scale multi-factor model, to construct a general multi-field coupling unit for complex system analysis of fluid-solid-power , to study a kind of relationship between microscopic parameters and macroscopic properties by a method of the multi-scale features and their coupling; to clarify a mechanism of microscopic parameters affecting on the macroscopic properties, and a multi-scale meso asymptotic method of energy conversion, to research wind power system multi- factor " system level " transitive matrix method and their algorithms for solving the integration optimization among the various factors, to create a system evaluation mechanisms , to extract a way for the whole optimize, to give the overall wind power system optimization features and access system-level optimization results . Engineering verification and applied research will be done for the mechanical structure, the control systems and the human environmental modeling of the wind power system effects by the multi-variate and multi-scale modeling systems. The project is expected to achieve a breakthrough and innovation from the present general methods of the fluid-solid coupling and the machine-electric coupling, to obtain academic significances and practical values of the research results in terms of the system performance analysis, and to provide a new theory and a technology for engineering practice on assessing the effectiveness of growing wind power Industry.

新能源的典型形式风力发电被广泛应用的同时，垂直轴风电系统能量转化机理和系统效能的评估问题，正受到极大关注。本项目拟在细观尺度上探索风电能量转换机理，建立多尺度多因素非线性综合模型，构造适合复杂系统分析的通用流-固-电多场耦合单元，研究细观参数与宏观性能的多尺度特性及其耦合的分析方法；阐明细观参数对宏观性能的影响机制，研究能量转换细观多尺度渐近方法；研究风电系统多因素"系统级"集成优化的各因素间的过渡矩阵求解方法和算法，建立系统评测机制，提取优化途径，给出风电系统整体优化特征，获得系统级优化结果。针对风电系统的机械结构、控制系统、人机环境造型等多因素多尺度的作用效果进行工程验证与应用研究。 本项目的研究，有望在系统性能分析流固耦合和机电耦合的一般方法中有所突破和创新，获得有学术意义和实践价值的研究成果，为工程实践中日益增长的风电效能评估提供新的理论和技术。

垂直轴风力发电系统在诸多方面有突出优势，仍有以下急待解决的关键技术问题：①低风速下高风能利用率的多场耦合理论不完善;②缺乏系统性能量利用率的建模方法、效能有效评估机理的研究;③间歇性风能与极限环境影响系统功率特性参数变化易引起控制电路不稳定问题。. 项目的重要研究内容结果、关键数据及科学意义：. (1)完善垂直轴风电系统多场耦合建模理论。. 探索垂直轴风机的流-固耦合、机-电耦合分析方法，进行多物理场间能量转化理论的研究。建立满足CFD与湍流理论的RANS和k-ε复合方程流场模型，提出利用转换矩阵Ti将ALE坐标下的流体外力向量转变到拉格朗日坐标下建立力的守恒关系，求得整体转换矩阵T，解决物理场间能量传递的多参数转换问题，与CFD模型对比，风机能量利用率趋势相同，但利用率提升18.37%。. (2) 探索风机高能量利用率的整机建模方法和结构优化。. 电机性能与风轮结构参数之间是高度非线性关系，目标函数的数学模型较为复杂。本项目建立了永磁发电机场-路耦合模型，简化繁杂数学算法模型，提升电机效率至93%，降低气隙磁密谐波含量至5%；实现整机系统机-电耦合建模和一体化结构优化研究，使风机的风能利用率提高8%。基于大涡模拟（LES）及 FW-H方程建立风机气动噪声评价模型，实现优化后风机气动噪声降低2.32%，输出转矩系数提高12.76%，转矩系数波动幅度减小48.2%。. (3) 复杂因素下的垂直轴风电系统综合效能评估的研究. 将电路分析PLECS结合MATLAB二次开发，实现极限风速、温度和湿度下叶片(优化及材料改性优选)、运动部件和控制系统的稳定性分析；结合流-固耦合和震动模态分析方法建立基于LCA的风机全生命周期评估模型，得到能量偿还时间为2.36年。. 通过搭建的风电系统综合实验平台，验证了以上各理论研究成果的可靠性。. 项目在系统分析流-固耦合和机-电耦合的一般方法中有所突破和创新，探索了流-固-电多场耦合分析方法，建立了风机能效评估模型，获得有学术意义和实践价值的研究成果，为工程实践中的风电效能评估提供了新的理论和技术。