国产在线国偷精品免费看-国产精品成人网站-亚洲av永久无码精品无码流畅-成全高清免费观看方法

麻省理工學院風機新模型顛覆貝茨極限?

2024-08-30 08:55  來源:風能專委會CWEA  瀏覽:  

日前,《自然·通訊》雜志(Nature Communications)發表了麻省理工大學(MIT)工程團隊的一篇有關風機葉輪的空氣動力學模型的論文《風機葉輪空氣動力學跨運行狀態統一動量模型》(Unified momentum model for rotor aerodynamics across operating regimes),該研究公開了一種新型的風電機組模型,被認為可在復雜的條件下提高風機的輸出功率。

MIT官方新聞表示,該新模型仍然基于基礎物理學原理,新理論旨在改進和優化目前應用的風電機組葉片的設計和運行,以及風電場的設計和風電機組的控制方式。

國內部分風電媒體報道稱該理論模型顛覆了“貝茨極限”(Betz limit),也即風機最多只能利用59.3%的風能的基本理論。

該理論模型是否真的具有顛覆性?對風電產業未來又有多大影響?且讓我們看看MIT團隊官方新聞怎么說。

貝茨極限(Betz’s limit)是指在風能轉換過程中,風力發電機最高可以達到的理論轉換效率。根據這個理論,風力發電機的最大轉換效率為59.3%,也就是說,無論風力多強,風力發電機最多只能將風能的約59.3%轉換為電能。

一個多世紀以來,螺旋槳和風力發電機的設計一直采用成熟的空氣動力學原理。然而,工程師發現這些原理存在著一定的局限性,尤其是在極端條件下。為了彌補這一不足,工程師根據經驗觀察添加了臨時的 “修正系數”。

近期,麻省理工學院的工程師們開發了一種全新的綜合理論,稱為統一動量模型(Unified Momentum Model)。該模型基于理論分析,并通過計算流體動力學(CFD)建模的方法進行驗證,以確保其準確性和可靠性。

該理論可以精確描繪風電機組葉輪的空氣動力學特性,即使在高壓力、高速度或葉片在某個特定傾角等情況下也是如此。

領導該項研究的 Michael Howland 表示,他們團隊開發的工程模型,是一種快速運行工具,旨在為加快風電樣機的設計、控制和優化工作。MIT團隊建模的目的是為風能研究領域找到方向,以便更積極地開發應對氣候變化所需的風電機組的性能并提高可靠性。

新模型有助于優化風電場的布局和運行,從而提高發電量并降低成本。

這一新模型最令人興奮的一點是它具有立即應用的潛力。這意味著風電場將能夠實時優化現有的風電機組設置,而無需任何硬件的更新。這有助于在確保安全的同時最大限度地提高功率輸出。

Howland補充說,這一點正是令人興奮的地方,因為新方法有可能對整個風電價值鏈產生立即和直接的影響。

新模型克服了以前的局限性

以前的模型被稱為動量理論(momentum theory),該理論是在 19 世紀提出的,一直被廣泛使用。然而,當涉及到更大的風力和更高的速度時,該理論就有了局限性。

新模型通過結合全面的計算空氣動力學建模,為動量進行建模,從而解決了這些制約因素。

MIT在其對外新聞稿中強調了舊模型的一些局限性。

轉子(螺旋槳、葉輪等)如何與其流體環境(如空氣、水或其他物質)相互作用的最初模型是在 19 世紀晚期提出的,這一模型被稱為動量理論(momentum theory)。利用這一理論,工程師可以從給定的轉子(或葉輪)設計和配置入手,確定該轉子可以產生的最大功率,反之,如果是螺旋槳,則計算需要多少功率才能產生給定的推進力。

Howland表示:”動量理論方程是在風能教科書上首先會接觸到的內容,也是在課堂上講授風能時首先會談到的內容。根據這一理論,物理學家阿爾伯特·貝茨(Albert Betz )在 1920 年計算出了理論上能從風中提取的最大能量。這個能量被稱為貝茨極限(Betz limit,),即最大不超過風能的 59.3%。

Howland 表示,就在該理論提出幾年后,其他人發現貝茨極限有問題,即在葉片旋轉速度更快或葉片角度不同的情況下,當推力更大時,動量理論就會“以一種非常戲劇性的方式”崩潰。

該理論不僅無法預測較高轉速或不同葉片角度時推力的變化量,甚至也無法預測推力的變化方向。理論認為,在超過一定轉速或葉片角度時,推力應該開始下降,而實驗卻顯示相反的情況——推力會繼續增加。

Howland 認為這不僅是量上的錯誤,更是質上的錯誤。

此外,當轉子(或葉輪)與氣流之間存在任何錯位時,該理論也會失效。Howland 表示這種失效的情況在風電場中“無處不在”,因為風電機組需要不斷根據風向變化進行方向的調整。

事實上,Howland 和他的團隊在2022 年發表于《自然·能源》雜志的一篇較早的論文《基于預測模型的集中式風電場運行方法可提高公用事業級風電場發電量》(Collective wind farm operation based on a predictive model increases utility-scale energy production)中就已發現,在風電場內,故意使一些風電機組相對于進入的氣流方向略微進行錯位,可以減少對下游風電機組的尾流干擾,從而顯著提高風力發電場的整體功率輸出。

上圖為一個集中式風電場的流量控制概念。現有公用事業規模的風電機組在運行過程中,只能最大限度地提高各自的發電量,從而產生湍流(紫色表示),這種湍流會降低下風向風電機組的發電量。采用全新的集中式風電場控制系統可偏轉風電機組產生的湍流,從而減少這湍流帶來的影響(如橙色所示)。據介紹,該系統在印度應用在一個擁有三臺機組的陣列中,使得發電量提高了 32%。

過去,工程師們在設計風機葉片的外形、風電場中風機的布局或風電機組的日常運行計劃時,都是根據一些風洞試驗和風電場運營經驗,在原有數學公式的基礎上進行臨時調整,但并沒有明確的理論依據。

與此不同的是,為了得出新的模型,MIT研究小組利用詳細的空氣動力學計算模型分析了氣流與風電機組之間的相互作用。他們發現,最初的模型假定葉輪后面的氣壓下降會在下游不遠處迅速恢復到正常的環境壓力。但事實證明,隨著推力的不斷增加,“這種假設越來越不準確”。

Howland 表示,這種不準確性發生在非常接近貝茨極限點的地方,一般而言,貝茨極限點理論上可以預測風電機組的最大性能,該點也是風機運行時的理想狀態。

但MIT團隊發現,貝茨關于風電機組運行狀態的預測,實際上在團隊認為的可以使風機功率最大化的運行設定點的 10% 范圍內,理論就完全失效了。

而通過建模,MIT研究團隊還找到了一種方法來彌補原始公式對一維建模的依賴,此前的一維建模條件下是假設葉輪/轉子始終與氣流方向精確對齊的。為此,他們還在研究過程中使用了為預測航空航天應用中三維機翼的升力而開發的基本方程。

研究人員在理論分析的基礎上得出了他們稱之為統一動量模型(unified momentum model)的新模型,然后利用計算流體動力學建模(CFD modeling)方法對其進行了驗證。在尚未發表的后續工作中,該團隊還正在利用風洞和現場測試進行進一步的驗證。

基本理解

新的公式的一個很有趣的結果是,它改變了貝茨極限的計算方法,公式顯示,可以提取比原有公式預測更多的功率。

雖然這并不是一個重大的變化——變化只有百分之幾的量——但有趣的是,MIT的最新理論表明,擁有百年經驗法則的貝茨極限理論值因為新的理論的出現實際“被修改了”。

Howland 特別強調,這一理論可以立即派上用場。新的模型展示了如何從與氣流錯位的風電機組中獲得最大功率,而貝茨極限理論無法解釋這一點。

特別是,只需控制單個風電機組和風機陣列有關的方位,而無需對風電場現有硬件進行任何修改即可實現。

事實上,根據Howland及其團隊兩年前的研究,這種提升發電量的方法早已經實現了,也即只需要研究風電場中風電機組之間的尾流相互作用,且是以現有的經驗公式為基礎的提高發電量的方法。

Howland表示,最新論文中的突破是該團隊之前優化公用事業規模風電場工作的自然延伸。此前的分析過程中,團隊看到了現有方法在分析風電機組的作用力和預測發電量方面存在的不足。這是因為,利用經驗主義進行的現有建模方法無法完成工作。

在風電場中,由于尾流效應,單個風電機組會消耗鄰近風電機組的部分能量。精確的尾流建模方案不僅對設計風電場的風機布局非常重要,而且對風電場的運行也非常重要,該方案可以決定如何設定陣列中每個風電機組的角度和速度。

Howland說,直到現在,即使是風電場運營商、制造商和機組葉片的設計者,如果不使用經驗修正,他們也無法預測風電機組的功率輸出到底會多大程度上受到特定變化(如與風的角度)的影響。“這是因為沒有相關的理論,這這也是我們團隊所做的工作。”

Howland表示,團隊的新理論可以直接告訴客戶,在沒有任何經驗修正的情況下,該如何實際操作風電機組,從而最大限度地提高風機的功率。

由于流體的流態類似,因此該模型同樣適用于飛機或船舶的螺旋槳,以及潮汐或河流渦輪機等以水流做動力的渦輪機。雖然本次研究中并沒有關注到這些領域,但在理論建模過程中有涉及。

新理論以一組數學公式的形式存在,用戶可以將其納入到自己的軟件中,也可以從 GitHub 上免費下載開源的軟件包。(https://github.com/Howland-Lab/Unified-Momentum-Model

該項研究工作為霍蘭德實驗室(Howland Lab)兩個正在進行研究的其中一項的階段成果,得到了美國國家科學基金會和西門子歌美颯可再生能源公司的支持。該實驗室由MIT土木與環境工程系助理教授Michael F. Howland負責。

免責聲明:本網轉載自合作媒體、機構或其他網站的信息,登載此文出于傳遞更多信息之目的,并不意味著贊同其觀點或證實其內容的真實性。本網所有信息僅供參考,不做交易和服務的根據。本網內容如有侵權或其它問題請及時告之,本網將及時修改或刪除。凡以任何方式登錄本網站或直接、間接使用本網站資料者,視為自愿接受本網站聲明的約束。
相關推薦
金風科技閻闖:定制化抗冰凍方案,解決風電行業“季節性難題”

金風科技閻闖:定制化抗冰凍方案,解決風電行業“季節性難題”

近日,第五屆中國風電葉片運維及回收利用高峰論壇在湖南株洲召開。金風科技全資子公司金風慧能副總經理閻闖發表《在役機組葉片抗冰凍技術探索與實踐》主題演講。閻闖指出,秋冬季節我國南方地區易發生凍雨結冰天氣,雷電、低溫、覆冰給風電機組帶來的機械和電氣損壞會直接影響風電場的發電效率。因此,葉片抗冰凍技術是風電行業規避季節性難題的關鍵抓手。近年來,我國寒潮天氣頻發,影響范圍廣,危害程度高。葉片結冰后,其疲勞載荷增加,乃至產生機...
《風能發電系統 風力發電機組自動消防系統技術規范》等兩項風電國標在桂召開

《風能發電系統 風力發電機組自動消防系統技術規范》等兩項風電國標在桂召開

9月12日,由全國風力發電標準化技術委員會(簡稱風標委)組織,國能國華(廣西)新能源有限公司牽頭制定的《風能發電系統 風力發電機組自動消防系統技術規范》和廣東能源集團科學技術研究院有限公司牽頭制定的《風能發電系統 風力發電機組綠色拆解通用技術要求》兩項國家標準啟動會在南寧順利召開。來自整機及零部件制造商、檢測認證機構、高校和風電開發商等39家單位共70余位專家參加了本次會議。本次會議由北京乾源風電科技有限公司承辦,...
日本公司將研究浮動垂直軸風力發電機

日本公司將研究浮動垂直軸風力發電機

  日本企業計劃共同研究浮動垂直軸風力機 ,這將被視為一個改變游戲規則的下一代技術?! ∫粋€日本聯盟已被選中進行大型浮動垂直軸風力渦輪機的可行性研究。這是日本新能源和工業技術發展組織(NEDO)努力推進浮動海上風力技術的一部分。  該聯盟由信天翁技術有限公司、電力開發有限公司、東京電力公司控股有限公司、川崎Kisen Kaisha有限公司和住友重工海洋&工程有限公司組成?! ∵@項可行性研究旨在驗證大型商用垂直軸(浮動軸)風...
英美合作研究動態偏航技術,利用風機共享數據提高發電效率3%

英美合作研究動態偏航技術,利用風機共享數據提高發電效率3%

英國 RES 公司和美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 達成合作,共同推出致力于提升風電機組能效的動態偏航(Dynamic Yaw)技術 ,雙方表示,通過風電機組共享數據的系統方法可加強對風機的管理和控制,從而提高風電機組的性能和風電場效率,效率提高可達1~3%。RES和NREL的合作包括RES 負責將 NREL 的創新風能技術推向市場,授權并部署創新的數字化動態偏航技術;雙方的合作將利用 NREL 在風能領域的研發能力,進一步推動 RES 的可再生能源專業技術和為風...
中國水電四局福清公司再獲一項國家發明專利授權

中國水電四局福清公司再獲一項國家發明專利授權

近日,中國水電四局福清公司申報的《一種海上風電鋼管樁室外焊接作業平臺》喜獲國家知識產權局發明專利授權。截至目前,福清公司累計獲得發明專利授權共兩項。《一種海上風電鋼管樁室外焊接作業平臺》屬于風電鋼管樁焊接技術領域,解決了現有裝置不能自適應不同直徑的鋼管且焊接不快速均勻、不能保證焊接效果的技術問題。該平臺包括框架和運輸車,框架是由兩個支腿和設置在兩個支腿上的橫梁組成,框架的內部設置有三角板,三角板的直角端與框架...

推薦閱讀

熱文

Copyright © 能源界
主站蜘蛛池模板: 白嫩少妇激情无码| 欧美交换国产一区内射| 肥臀熟女一区二区三区| 中文无码av一区二区三区| 亚洲av片一区二区三区| 免费无码一区二区三区| 国产精品jizz在线观看无码| 99精品众筹模特自拍视频| 中文亚洲成a人片在线观看| 亚洲人成网7777777国产| 无码人妻久久一区二区三区app| 亚洲成色在线综合网站| 日韩丰满少妇无码内射| 精品久久香蕉国产线看观看亚洲| 欧美日韩亚洲精品瑜伽裤| 欧美三级在线电影免费| 成人综合网站| 人妻体内射精一区二区| 少妇性俱乐部纵欲狂欢少妇| 3344在线看片免费| 影音先锋久久久久av综合网成人 | 未满十八18禁止免费网站| 免费少妇荡乳情欲视频| 大胆gogo高清在线观看| 亚洲人av高清无码| 肉体裸交137日本大胆摄影| 久久精品国产亚洲av无码麻豆| 日韩av无码中文字幕| av天堂午夜精品一区| 四虎国产成人永久精品免费| 色五月丁香五月综合五月 | 一 级 黄 色 片免费网站| 天天躁日日躁狠狠躁视频2021| 亚洲日韩欧美一区二区三区| 高黄暴h日本在线观看| 精品国产亚洲一区二区三区| 天天躁狠狠躁狠狠躁性色av| 波多野结衣aⅴ在线| 蜜桃视频插满18在线观看| 激情影院内射美女| 国产伦久视频免费观看视频|