大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置与方法与流程

1.本技术属于风力发电微观选址技术领域，尤其涉及一种模拟新建风电场或已有风电场通过大风机间增建小风机研究风能利用效率和输出功率的风洞实验模拟方法。


背景技术：

2.未来我国以风电为代表的清洁能源将迎来爆发式增长阶段，将极大的改善我国电力发展结构和降低碳排放总量，同时也面临着风能资源紧缺等困难。我国风力发电建设已走过三十多年历史，特别是2008年开始的大发展，使得目前我国陆地优质风电资源基本已经选建完毕，为我国后续陆上风电发展带来困难和不确定性。
3.在大风机间增建小风机，提高风电场整体装机容量和风能利用率，从而提高风电场整体输出功率是解决目前陆上风电无优质风电资源问题的好方法。国内外目前对于该方法的研究尚处于起步阶段，研究手段通常为数值模拟，由于为了获得数值解，模型中基本方程进行了一定程度简化，其模拟结果误差较大，仅可供参考。目前尚无一种较理想方法可以较准确模拟大风机间增建小风机对风电场输出功率的影响。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本技术实施例提供了一种大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置与方法，可规避传统数值模拟带来的误差较大问题，所述技术方案如下：
5.本技术第一方面提供一种大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置，包括：直流吸式风洞，所述直流吸式风洞包括相连通的进气段、动力段、实验段和出气段，在所述进气段设有进气口，在所述出气段设有排气口，在所述动力段设有风洞电机和风洞风机；其中，在所述实验段设有大风机模型和大风机模型测功机，在所述大风机模型和所述大风机模型测功机之间设有数排小风机模型组，且每一排所述小风机模型组包括数个小风机模型。根据上述实施例，本技术使用直流吸式边界层风洞来模拟大风机间增设小风机对风电场输出功率的影响，由于在直流吸式风洞中真实再现实际风电场中不同风机尾流之间的相互作用，与现有数值模拟比较，模拟结果更准确、可靠。
6.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，直流吸式风洞内的气流穿过所述实验段并带动所述大风机模型转动，所述大风机模型位于所述实验段的上游，所述大风机模型测功机位于所述实验段的下游。
7.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，在所述实验段内还设有数个风机转速计数器，且每一所述风机转速计数器分别与每一排所述小风机模型组、所述大风机模型一一对应连接，以分别测定每一排所述小风机模型组、所述大风机模型的转速。
8.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，所述实验段还包括操控间，在所述操控间内设有数个与所述大风机模型、所述数排小风机模型组一一对应连接的控制电机，以控制所述大风机模型和每一排所述小风机模型组的转
速。
9.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，在所述操控间内还设有测功机控制器和测功机显示与存储器，所述测功机控制器与所述大风机模型测功机电连接，所述测功机显示与存储器与所述大风机模型测功机电连接。
10.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，在所述大风机模型和所述大风机模型测功机之间设有四排小风机模型组，且每一排所述小风机模型组包括三个小风机模型。
11.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，所述大风机模型和所述大风机模型测功机之间的间距为所述大风机模型的叶片直径的8-10倍，在所述大风机模型和所述大风机模型测功机之间等间距设有四排小风机模型组，且每一排所述小风机模型组包含三个所述小风机模型，所述四排小风机模型组分别为第一小风机模型组、第二小风机模型组、第三小风机模型组和第四小风机模型组。
12.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，所述大风机模型和所述大风机模型测功机均为三叶片水平轴风机。
13.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，所述控制电机为36v电机，所述大风机模型为1.5mw风机模型，所述小风机模型为300kw风机模型。
14.本技术第二方面提供一种大风机间增建小风机的风洞模拟实验方法，采用上述所述的大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置，具体包括以下步骤：
15.步骤一：启动所述直流吸式风洞的控制电源开关，启动所述风洞电机和所述风洞风机，逐步提高所述风洞电机和所述风洞风机转速使所述直流吸式风洞内的风速达到9m/s；开启与所述大风机模型对应连接的所述风机转速计数器，启动所述大风机模型，并提高转速至950转/分钟；
16.步骤二：启动所述大风机模型测功机，启动所述测功机控制器，逐步增加所述大风机模型测功机的载荷，使叶片旋转阻力增大后测量所述大风机模型测功机的输出功率，数据存储在所述测功机显示与存储器内，根据存储数据计算所述大风机模型测功机所在位置处的所述大风机模型的风力机发电功率a；
17.步骤三：关闭所述大风机模型测功机，关闭所述大风机模型，关闭与所述大风机模型对应连接的所述风机转速计数器，逐步关闭所述风洞电机和所述风洞风机，关闭所述直流吸式风洞的风洞控制电源开关；
18.步骤四：启动所述直流吸式风洞的风洞控制电源开关，启动所述风洞电机和所述风洞风机，逐步提高所述风洞电机和所述风洞风机转速使所述直流吸式风洞内的风速达到9m/s；开启与所述大风机模型对应连接的所述风机转速计数器，启动所述大风机模型，并提高转速至950转/分钟；
19.步骤五：开启与每一排所述小风机模型组对应连接的所述风机转速计数器，启动每一排所述小风机模型组并提高所述小风机模型转速至3200转/分钟；
20.步骤六：启动所述大风机模型测功机，启动所述测功机控制器，逐步增加所述大风机模型测功机载荷，使叶片旋转阻力增大后测量所述大风机模型测功机的输出功率，数据存储在所述测功机显示与存储器，根据存储数据计算所述大风机模型测功机所在位置处的
所述大风机模型8的发电功率b；
21.步骤七：关闭所述大风机模型测功机，关闭所述测功机控制器，关闭所述大风机模型，关闭与所述大风机模型对应连接的所述风机转速计数器，关闭每一排所述小风机模型组，关闭与每一排所述小风机模型组一一对应连接的所述风机转速计数器，逐步关闭所述风洞电机和所述风洞风机，关闭所述直流吸式风洞的风洞控制电源开关；
22.步骤八：对比分析由所述步骤二测得的所述大风机模型8的发电功率a和由所述步骤六测得的所述大风机模型的发电功率b，以及所述发电功率b拟合曲线相对于所述发电功率a拟合曲线的整体变化情况，并判断在大风机间增加小风机对下游大风机发电输出功率的影响；
23.步骤九：重复所述步骤一至所述步骤八，获取三次所述发电功率a和所述发电功率b，并对比分析三次所述发电功率a和所述发电功率b的数值及拟合曲线，综合判断在大风机间增加小风机对下游大风机发电输出功率的影响。
24.本技术一些实施例提供的一种大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置及方法带来的有益效果为：本技术用来模拟新建风电场和已有风电场通过大风机间增建小风机提高风能利用效率，与现有数值模拟比较，本技术的模拟过程更接近真实自然状态，模拟结果更准确、可靠，可以更好的为风电场微观选址决策提供技术支撑。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本技术的直流吸式风洞结构示意图；
27.图2是本技术的直流吸式风洞的实验段结构示意图。
28.附图标记：1-直流吸式风洞，2-进气口，3-风洞电机，4-风洞风机，5-实验段， 6-排气口，7-操控间，8-大风机模型，9-第一小风机模型组，10-第二小风机模型组，11-第三小风机模型组，12-第四小风机模型组，13-大风机模型测功机，14
‑ꢀ
风机转速计数器，15-控制电机，16-测功机控制器，17-测功机显示与存储器。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理
的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.根据一实施例提供的大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置，如图1所示，包括：直流吸式风洞1，所述直流吸式风洞1包括相连通的进气段、动力段、实验段5和出气段，在所述进气段设有进气口2，在所述出气段设有排气口6，在所述动力段设有风洞电机3和风洞风机4；其中，在所述实验段5设有大风机模型8和大风机模型测功机13，在所述大风机模型8和所述大风机模型测功机 13之间设有数排小风机模型组，且每一排所述小风机模型组包括数个小风机模型。具体地，在所述实验段5设有木板底盘，所述大风机模型8和所述大风机模型测功机13均通过螺丝固定在所述实验段5的木板底盘上，所述木板底盘通过钢钉固定在所述直流吸式风洞1的底板上；所述直流吸式风洞1的实验段5 的尺寸为20m(长)
×
4m(宽)
×
2.5m(高)，风速范围在0-25m/s内可调，根据相似准则要求，本技术的模拟实验风速为9m/s。根据上述实施例，本技术使用直流吸式边界层风洞来模拟大风机间增设小风机对风电场输出功率的影响，由于在直流吸式风洞1中真实再现实际风电场中不同风机尾流之间的相互作用，与现有数值模拟比较，模拟结果更准确、可靠。
32.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，如图2所示，直流吸式风洞1内的气流穿过所述实验段并带动所述大风机模型8转动，所述大风机模型8位于所述实验段的上游，所述大风机模型测功机13位于所述实验段的下游。
33.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，如图2所示，在所述实验段内还设有数个风机转速计数器14，且每一所述风机转速计数器14分别与每一排所述小风机模型组、所述大风机模型8一一对应连接，以分别测定每一排所述小风机模型组、所述大风机模型8的转速。具体地，每一排所述小风机模型组布置一个所述风机转速计数器14，以测定该排小风机模型组的转速。
34.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，如图2所示，所述实验段还包括操控间7，在所述操控间7内设有数个与所述大风机模型8、所述数排小风机模型组一一对应连接的控制电机15，以控制所述大风机模型8和每一排所述小风机模型组的转速。具体地，所述大风机模型8与所述操控间7中所对应的所述控制电机15通过电缆连接，每一排所述小风机模型组由一个所述控制电机15控制其转速，使其满足额定工况转速要求。根据上述实施例，所述直流吸式风洞1内匀速气流运动带动所述大风机模型8 的叶片旋转，在风速达不到满足实验模拟所需的尖速比相似要求的风机转速时，通过所述控制电机15带动以进一步提高所述大风机模型8的转速直到满足实验要求为止。
35.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，如图2所示，在所述操控间7内还设有测功机控制器16和测功机显示与存储器17，所述测功机控制器16与所述大风机模型测功机13电连接，所述测功机显示与存储器17与所述大风机模型测功机13电连接。具体地，所述大风机模型测功机13的主机通过电缆与所述操控间7中的外部所述测功机控制器16 连接，通过数据线与操控间7中的外部所述测功机显示器与存贮器17连接。
36.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，如图2所示，在所述大风机模型8和所述大风机模型测功机13之间设有四排小风机模型组，且
每一排所述小风机模型组包括三个小风机模型。具体地， 12个所述小风机模型的结构、型号规格全部一致，叶片直径尺寸为355mm，塔筒高度在不同实验阶段分别设置300mm、500mm、700mm，电机功率为800w。
37.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，如图2所示，所述大风机模型8和所述大风机模型测功机13之间的间距为所述大风机模型8的叶片直径的8-10倍，在所述大风机模型8和所述大风机模型测功机13之间等间距设有四排小风机模型组，且每一排所述小风机模型组包含三个所述小风机模型，所述四排小风机模型组分别为第一小风机模型组9、第二小风机模型组10、第三小风机模型组11和第四小风机模型组12。具体地，所述大风机模型8设置在所述实验段5上游10m处，所述第一小风机模型组9 设置在所述大风机模型8下游2m处，所述第二小风机模型组10、所述第三小风机模型组11和所述第四小风机模型组12之间间隔均为1.7m，所述大风机模型测功机13设置在所述实验段5的最下游，所述大风机模型测功机13与所述第四小风机模型组12间隔1.9m，整体上所述大风机模型8与所述大风机模型测功机13之间的间距为9m，接近所述大风机模型8叶片之间的9倍，其中，所述大风机模型8的叶片直径为1050mm。
38.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，如图2所示，所述大风机模型8和所述大风机模型测功机13均为三叶片水平轴风机。具体地，所述大风机模型8和所述大风机模型测功机13的叶片设计一致，所述大风机模型8的叶片直径尺寸为1050mm，塔筒高度为1200mm，电机功率为1800w，所述大风机模型8和12个所述小风机模型的叶片材料为abs，塔筒材质为不锈钢。
39.例如，在一个实施例提供的所述大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置中，所述控制电机15为36v电机，所述大风机模型15为1.5mw风机模型，所述小风机模型为300kw风机模型。
40.本技术第二方面提供一种大风机间增建小风机的风洞模拟实验方法，采用上述所述的大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置，具体包括以下步骤：
41.步骤一：启动所述直流吸式风洞1的控制电源开关，启动所述风洞电机3 和所述风洞风机4，逐步提高所述风洞电机3和所述风洞风机4转速使所述直流吸式风洞1内的风速达到9m/s；开启与所述大风机模型8对应连接的所述风机转速计数器15，启动所述大风机模型8，并提高转速至950转/分钟；
42.步骤二：启动所述大风机模型测功机13，启动所述测功机控制器16，逐步增加所述大风机模型测功机13的载荷，使叶片旋转阻力增大后测量所述大风机模型测功机13的输出功率，数据存储在所述测功机显示与存储器17内，根据存储数据计算所述大风机模型测功机13所在位置处的所述大风机模型8的风力机发电功率a；
43.步骤三：关闭所述大风机模型测功机13，关闭所述大风机模型8，关闭与所述大风机模型8对应连接的所述风机转速计数器15，逐步关闭所述风洞电机 3和所述风洞风机4，关闭所述直流吸式风洞1的风洞控制电源开关；
44.步骤四：启动所述直流吸式风洞1的风洞控制电源开关，启动所述风洞电机3和所述风洞风机4，逐步提高所述风洞电机3和所述风洞风机4转速使所述直流吸式风洞1内的风速达到9m/s；开启与所述大风机模型8对应连接的所述风机转速计数器15，启动所述大风机模型8，并提高转速至950转/分钟；
45.步骤五：开启与每一排所述小风机模型组对应连接的所述风机转速计数器 15，启动每一排所述小风机模型组并提高所述小风机模型转速至3200转/分钟；
46.步骤六：启动所述大风机模型测功机13，启动所述测功机控制器16，逐步增加所述大风机模型测功机13载荷，使叶片旋转阻力增大后测量所述大风机模型测功机13的输出功率，数据存储在所述测功机显示与存储器17，根据存储数据计算所述大风机模型测功机13所在位置处的所述大风机模型8的发电功率b；
47.步骤七：关闭所述大风机模型测功机13，关闭所述测功机控制器16，关闭所述大风机模型8，关闭与所述大风机模型8对应连接的所述风机转速计数器 15，关闭每一排所述小风机模型组，关闭与每一排所述小风机模型组一一对应连接的所述风机转速计数器15，逐步关闭所述风洞电机3和所述风洞风机4，关闭所述直流吸式风洞1的风洞控制电源开关；
48.步骤八：对比分析由所述步骤二测得的所述大风机模型8的发电功率a和由所述步骤六测得的所述大风机模型8的发电功率b，以及所述发电功率b拟合曲线相对于所述发电功率a拟合曲线的整体变化情况，并判断在大风机间增加小风机对下游大风机发电输出功率的影响；
49.步骤九：重复所述步骤一至所述步骤八，获取三次所述发电功率a和所述发电功率b，并对比分析三次所述发电功率a和所述发电功率b的数值及拟合曲线，综合判断在大风机间增加小风机对下游大风机发电输出功率的影响。
50.综上，本技术的大风机间增建小风机的风洞模拟实验装置及方法，用来模拟新建风电场和已有风电场通过大风机间增建小风机提高风能利用效率，与现有数值模拟比较，本技术的模拟过程更接近真实自然状态，模拟结果更准确、可靠，可以更好的为风电场微观选址决策提供技术支撑。
51.尽管已经出于说明性目的对本技术的实施例进行了公开，但是本领域技术人员将认识的是：在不偏离如所附权利要求公开的本发明的范围和精神的情况下，能够进行各种修改、添加和替换。