Блок Wind Turbine представляет собой ветрогенератор, который преобразует движение ветра в механическую энергию вращения. Ветрогенераторы используют энергию ветра для производства электроэнергии. Разработка ветрогенераторов направлена на повышение эффективности, надежности и экономичности отдельных турбин, в то время как разработка ветропарка подразумевает стратегическое размещение нескольких турбин для оптимизации сбора энергии. Этот блок можно использовать для моделирования отдельных ветрогенераторов и целых ветропарков. Можно анализировать производительность турбин, выработку энергии и взаимодействие в ветропарке, а также влияние различных геометрий, конфигураций, алгоритмов управления и планов размещения турбин на производительность и выработку энергии ветропарка.
В качестве входных данных задаются скорость набегающего ветра и угол установки лопастей, и дополнительно можно вывести тягу, действующую на турбину. Можно учесть влияние тяги и инерции. Параметризуйте блок, используя табличные коэффициенты мощности и тяги или коэффициенты подъемной силы и сопротивления аэродинамического профиля.
Параметризация по коэффициентам мощности и тяги
Если для параметра Parameterization установлено значение Tabulated data for power and thrust coefficients, блок вычисляет коэффициенты использования энергии ветра и тяги, используя табличные данные таким образом, что
где
— опорный угол установки лопасти;
— опорный коэффициент быстроходности;
и — значения параметров Power coefficient table, Cp(β,λ) и Thrust coefficient table, Ct(β,λ) соответственно;
— сглаженный коэффициент быстроходности.
Блок использует следующее уравнение в качестве основы для определения коэффициента быстроходности
где
— значение параметра Turbine radius;
— разница угловых скоростей между валом и корпусом;
— скорость воздушного потока, падающего на ротор. Это значение представляет собой скаляр входного порта V.
Блок использует следующее уравнение для описания сглаженной версии уравнения коэффициента быстроходности
где — значение параметра Wind velocity threshold.
Блок использует следующие уравнения в качестве основы для расчета мощности и тяги
где
— значение параметра Air density;
— площадь круга, ометаемая лопастями турбины.
Для установления связи между параметрами блока и номинальной механической мощностью ветрогенератора необходимо определить мощность ветрогенератора при пиковом коэффициенте мощности и номинальной скорости ветра. Номинальная мощность соответствует параметрам блока, рассчитанным по формуле
где
— пиковое значение коэффициента использования энергии ветра; это максимальное значение параметра Power coefficient table, Cp(β,λ);
— ометаемая площадь поверхности ротора;
— номинальная скорость ветра. Номинальные скорости ветра обычно составляют от 10 до 15 м/с. При такой скорости ветра конструкции контроллеров ветрогенераторов могут изменять стратегию работы для поддержания номинальной мощности.
Блок использует численно сглаженные уравнения для тяги, мощности и крутящего момента, такие что
где — значение параметра Rotational velocity threshold. Когда , блок плавно снижает мощность до нуля.
В блоке предполагается, что . Генерируемая мощность равна нулю, когда скорость вращения ротора равна нулю, а ненулевое значение влияет на крутящий момент при запуске. Пусковой момент связан с таким образом, что
Ваша модель может быть чувствительна к такому поведению пускового момента, если вы моделируете торможение ротора при сильном ветре.
Параметризация по коэффициентам подъемной силы и сопротивления аэродинамического профиля
Если для параметра Parameterization установлено значение Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients, можно параметризовать коэффициенты подъемной силы и сопротивления, а также геометрию аэродинамического профиля для данного элемента лопасти. Значения по умолчанию соответствуют эталонному ветрогенератору NREL 5-MW [3]. Блок рассматривает пропеллер как сплошной диск. Закон сохранения импульса применяется к воздуху, проходящему через диск, когда блок вычисляет индуцированную скорость . Блок использует индуцированную скорость для определения величины и направления полной скорости потока в векторе радиальных точек вдоль лопасти, которые затем используются для определения подъемной силы и сопротивления на основе интерполяционных таблиц коэффициентов подъемной силы и сопротивления. Эти величины являются специфическими для данной параметризации:
— тяга, рассчитанная по импульсной теории;
— осевая скорость потока, создаваемая движением лопастей ветрогенератора;
— радиальная скорость в месте расположения лопасти;
— осевая скорость в месте расположения лопасти;
— тяга, рассчитанная по теории элемента лопасти;
— крутящий момент, рассчитанный по теории элемента лопасти;
— количество лопастей винта;
— безразмерное положение комеля, заданное первым элементом параметра Nondimensional radial location vector, r;
— скорость вращения ветрогенератора;
— радиус лопасти ветрогенератора;
— поэлементные коэффициенты подъемной силы и сопротивления соответственно;
— угол потока в данной точке вдоль лопасти;
— осевой коэффициент индукции;
— тангенциальный коэффициент индукции;
— сглаженный коэффициент быстроходности в каждом элементе лопасти.
Блок использует импульсную теорию для определения сглаженного уравнения тяги таким образом, что
где блок использует поправку Глауэрта в режиме турбулентного следа, когда , так что
Сглаженный осевой коэффициент индукции равен
Блок интерполирует значения из параметра Nondimensional radial location vector, r, чтобы найти . Затем блок интерполирует коэффициенты подъемной силы и сопротивления, чтобы найти и на основе табличных значений угла атаки и коэффициентов подъемной силы и сопротивления. Блок использует теорию элемента лопасти для расчета тяги и крутящего момента таким образом, чтобы
где
Блок выполняет это интегрирование по каждому дискретному элементу лопасти. Блок дискретизирует в соответствии со значением в параметре Number of blade elements и вычисляет тангенциальный коэффициент индукции в каждом элементе лопасти как
Допущения и ограничения
Блок генерирует крутящий момент и мощность только при положительных угловых скоростях.
Выходной порт, связанный с осевой силой, которую ветер прикладывает к лопастям турбины, измеряемой в Н.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите флажок Output thrust.
Типы данных
Float64
Поддержка комплексных чисел
Нет
Параметры
Параметры ветрогенератора
#Parameterization —
вариант параметризации ветрогенератора
Tabulated data for power and thrust coefficients | Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients
Details
Выбор способа параметризации ветрогенератора: по коэффициентам тяги и мощности или по коэффициентам подъемной силы и сопротивления аэродинамического профиля.
Значения
Tabulated data for power and thrust coefficients | Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients
Значение по умолчанию
Tabulated data for power and thrust coefficients
Имя для программного использования
parameterization
Вычисляемый
Нет
#Turbine radius —
радиус конца лопасти
m | um | mm | cm | km | in | ft | yd | mi | nmi
Details
Расстояние от центра ступицы турбины до концов лопастей.
Опорный угол установки лопасти. Длина этого вектора определяет количество строк в параметрах Power coefficient table, Cp(β,λ) и Thrust coefficient table, Ct(β,λ).
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for power and thrust coefficients.
Единицы измерения
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon
Значение по умолчанию
[0.0, 3.0, 5.0, 10.0, 20.0, 90.0] deg
Имя для программного использования
pitch_angle_vector
Вычисляемый
Да
#Tip speed ratio vector, λ —
опорный коэффициент быстроходности
Details
Опорный коэффициент быстроходности . — отношение скорости конца лопасти к скорости набегающего потока. Длина этого вектора определяет количество столбцов в параметрах Power coefficient table, Cp(β,λ) и Thrust coefficient table, Ct(β,λ). Блок поддерживает отрицательные значения . Значения должны быть строго монотонно возрастающими.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for power and thrust coefficients.
Значение по умолчанию
[0.0, 2.0, 4.0, 6.0, 8.0, 10.0, 12.0, 14.0, 15.0]
Имя для программного использования
lambda_vector
Вычисляемый
Да
#Power coefficient table, Cp(β,λ) —
таблица коэффициентов использования энергии ветра
Details
Коэффициенты использования энергии ветра для заданного угла установки и коэффициента быстроходности. Каждая строка соответствует элементу вектора в параметре Pitch angle vector, β, а каждый столбец — элементу вектора в параметре Tip speed ratio vector, λ. В блоке предполагается, что .
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for power and thrust coefficients.
Коэффициенты тяги для заданного угла установки и коэффициента быстроходности. Каждая строка соответствует элементу вектора в параметре Pitch angle vector, β, а каждый столбец — элементу вектора в параметре Tip speed ratio vector, λ.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for power and thrust coefficients и установите флажок Output thrust.
Углы крутки лопасти для заданного радиального положения. Элементы этого вектора соотносятся один к одному с элементами вектора в параметре Nondimensional radial location vector, r.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.
Единицы измерения
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon
Значение по умолчанию
[13.31, 13.31, 11.48, 9.01, 6.54, 4.19, 0.11] deg
Имя для программного использования
twist_vector
Вычисляемый
Да
#Normalized chord length vector, c(r)/R —
длина хорды элемента лопасти
Details
Длина хорды, нормированная на радиус, для заданного радиального положения вдоль лопасти. Элементы этого вектора соотносятся один к одному с элементами вектора в параметре Nondimensional radial location vector, r и столбцами в параметрах Airfoil lift coefficient table, Cl(α,r) и Airfoil drag coefficient table, Cd(α,r).
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.
Значение по умолчанию
[0.068, 0.074, 0.076, 0.069, 0.061, 0.053, 0.023]
Имя для программного использования
normalized_chord_vector
Вычисляемый
Да
#Airfoil angle of attack vector, α —
угол атаки
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon
Details
Диапазон углов атаки. Элементы этого вектора соотносятся один к одному со строками в параметрах Airfoil lift coefficient table, Cl(α,r) и Airfoil drag coefficient table, Cd(α,r).
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.
Коэффициенты подъемной силы профиля для заданного угла атаки и радиального положения вдоль лопасти. Строки этой матрицы одна к одной соответствуют параметру Airfoil angle of attack vector, α. Столбцы этой матрицы один к одному соответствуют параметру Nondimensional radial location vector, r.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.
#Airfoil drag coefficient table, Cd(α,r) —
коэффициенты сопротивления аэродинамического профиля
Details
Коэффициенты сопротивления аэродинамического профиля для заданного угла атаки и радиального положения вдоль лопасти. Строки этой матрицы одна к одной соответствуют параметру Airfoil angle of attack vector, α. Столбцы этой матрицы один к одному соответствуют параметру Nondimensional radial location vector, r.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Parameterization значение Tabulated data for airfoil lift and drag coefficients.
#Rotational velocity threshold —
пороговое значение сглаживания угловой скорости
rad/s | deg/s | rad/min | deg/min | rpm | rps
Details
Скорость вращения, при которой блок применяет сглаживание. Этот параметр сглаживает крутящий момент и мощность, когда скорость вращения приближается к 0 или пересекает его. По мере увеличения значения этого параметра блок применяет большее сглаживание в более широких диапазонах скоростей.
Единицы измерения
rad/s | deg/s | rad/min | deg/min | rpm | rps
Значение по умолчанию
0.01 rad/s
Имя для программного использования
w_threshold
Вычисляемый
Да
Литература
Buhl Jr., Marshall L. «New Empirical Relationship between Thrust Coefficient and Induction Factor for the Turbulent Windmill State». National Renewable Energy Lab (NREL), Golden, CO (United States), No. NREL/TP-500-36834 (2005).
Jain, Palash, Jayant Sirohi, and Christopher Cameron. «Design, Analysis, and Testing of a Passively Deployable Autorotative Decelerator». Journal of Aircraft 59, no. 1 (January 2022): 272–277. https://doi.org/10.2514/1.C036509.
Jonkman, Jason. «Definition of a 5-MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development». National Renewable Energy Lab (NREL), Golden, CO (United States), No. NREL/TP-500-38060 (2009).
Manwell, J. F., J. G. McGowan, and A. L. Rogers. Wind Energy Explained: Theory, Design and Application. 1st ed. Wiley. 2009. https://doi.org/10.1002/9781119994367.