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 Способ параметризации установлено значение Табличные данные для коэффициентов мощности и тяги, 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 Таблица коэффициентов мощности, 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 Радиус ветрогенератора;
— 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 Порог скорости ветра.
Блок использует следующие уравнения в качестве основы для расчета мощности и тяги
где
— значение параметра Плотность воздуха;
— 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 Таблица коэффициентов мощности, 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 Пороговая скорость вращения. 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 Способ параметризации установлено значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля, 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 Безразмерный вектор радиальных положений, 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 Безразмерный вектор радиальных положений, 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 Количество элементов лопасти 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 Выходная тяга.
Типы данных
Float64
Поддержка комплексных чисел
Нет
Параметры
Параметры ветрогенератора
#Способ параметризации —
вариант параметризации ветрогенератора
Табличные данные для коэффициентов мощности и тяги | Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля
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
#Радиус ветрогенератора —
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 Таблица коэффициентов мощности, Cp(β,λ) и Thrust coefficient table, Ct(β,λ).
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов мощности и тяги.
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
#Коэффициенты скорости лопасти, λ —
опорный коэффициент быстроходности
Details
Опорный коэффициент быстроходности . — отношение скорости конца лопасти к скорости набегающего потока. Длина этого вектора определяет количество столбцов в параметрах Таблица коэффициентов мощности, 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 Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов мощности и тяги.
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
#Таблица коэффициентов мощности, 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 Угол наклона лопасти, β, а каждый столбец — элементу вектора в параметре Коэффициенты скорости лопасти, λ. В блоке предполагается, что .
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов мощности и тяги.
Коэффициенты тяги для заданного угла установки и коэффициента быстроходности. Каждая строка соответствует элементу вектора в параметре Угол наклона лопасти, β, а каждый столбец — элементу вектора в параметре Коэффициенты скорости лопасти, λ.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов мощности и тяги и установите флажок Выходная тяга.
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
Значение по умолчанию
3
Имя для программного использования
blade_count
Вычисляемый
Да
#Безразмерный вектор радиальных положений, r —
радиальное положение
Details
Радиальное положение для заданного набора размеров лопасти. Значение 1 эквивалентно радиусу лопасти. Первый элемент этого вектора определяет — комель.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
Углы крутки лопасти для заданного радиального положения. Элементы этого вектора соотносятся один к одному с элементами вектора в параметре Безразмерный вектор радиальных положений, r.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
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
#Нормализованный вектор длины хорды, 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 Безразмерный вектор радиальных положений, r и столбцами в параметрах Таблица коэффициентов подъемной силы профиля, Cl(α,r) и Таблица коэффициентов аэродинамического сопротивления, Cd(α,r).
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
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
#Вектор угла атаки аэродинамического профиля, 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 Таблица коэффициентов подъемной силы профиля, Cl(α,r) и Таблица коэффициентов аэродинамического сопротивления, Cd(α,r).
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
#Таблица коэффициентов подъемной силы профиля, Cl(α,r) —
коэффициенты подъемной силы аэродинамического профиля
Details
Коэффициенты подъемной силы профиля для заданного угла атаки и радиального положения вдоль лопасти. Строки этой матрицы одна к одной соответствуют параметру Вектор угла атаки аэродинамического профиля, α. Столбцы этой матрицы один к одному соответствуют параметру Безразмерный вектор радиальных положений, r.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
#Таблица коэффициентов аэродинамического сопротивления, 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 Вектор угла атаки аэродинамического профиля, α. Столбцы этой матрицы один к одному соответствуют параметру Безразмерный вектор радиальных положений, r.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
#Количество элементов лопасти —
количество элементов лопасти
Details
Количество элементов лопасти для одной лопасти.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Способ параметризации значение Табличные данные для коэффициентов подъемной силы и сопротивления профиля.
Значение по умолчанию
20
Имя для программного использования
blade_element_count
Вычисляемый
Да
Окружающая среда и динамика
#Выходная тяга —
опция моделирования тяги двигателя турбины
Details
Установка этого флажка позволяет моделировать силы тяги, воздействующие на турбину. Установка этого флажка активирует порт T.
#Пороговая скорость вращения —
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.