變槳型風力機葉片的氣動性能評估及度電成本分析

變槳型風力機葉片的氣動性能評估及度電成本分析

大動力展臺的葉片設計是一個復雜的多學科問題，也是風力機設計的基礎，影響著整個風力機系統(tǒng)的運行。因此，在設計葉片運動的外觀時，需要對葉片的性能進行全面的系統(tǒng)指標。最終的風力機在排水量和成本之間實現了最佳平衡。國外大型風力機葉片氣動設計技術已經比較成熟,Fuglsang在1999年就已經實現了以度電成本最小為目標的優(yōu)化工作,除此之外,國內外還有許多其他的機構在進行著這方面的研究。本文將葉片氣動性能分析、葉片輸出載荷評估、葉片結構設計、風力機組成本評估和風電場運營模型進行了整合,推導了度電成本的計算方法,并在此基礎上提出了風場運營收益最大化這一新的葉片設計目標。采用自適應模擬退火算法(Adaptivesimulatedannealingalgorithm,ASAA)分別以不同的目標進行葉片優(yōu)化設計,系統(tǒng)研究和分析了不同設計目標和結果之間的聯系與區(qū)別。1葉片外觀優(yōu)化設計為指定風場設計某種規(guī)格葉片的時候,通常會在概念設計階段確定采用的基本翼型、葉片長度、額定轉速以及葉片選用材料、結構鋪層形式等總體性的參數?？紤]到葉根設計的特殊性,這里對葉片外形的優(yōu)化設計暫不涉及葉根,將葉根形狀預先設定并在優(yōu)化過程中保持不變,那么設計變量就是除去葉根形狀之外葉片的弦長、扭角和相對厚度沿展向的分布。葉片的氣動外形可以用多個離散點來表示,也可以將形狀描述為通過有限個控制點的樣條、貝塞爾、NURBS曲線等。重慶大學張石強還提出了用n階多項式描述葉片氣動布局;為了更好地描述結構和工藝對葉片外形的約束,保證生成形狀平順無鼓包出現,這里參考了許多成熟葉片的氣動布局,結合結構和工藝對葉片形狀的要求作了總結分析,對葉片的弦長、扭角及相對厚度都作了有針對性的參數化描述。1.1確定各含沒有功能作用的最大弦長及其在位置C(rˉ)=arˉ3+brˉ2+crˉ+d(1)C(rˉ)=arˉ3+brˉ2+crˉ+d(1)式中rˉrˉ為量綱一葉片長度。各項系數可以用如下幾個具有物理意義的變量來確定:k1為最大弦長?k1=C(rˉm),rˉm?k1=C(rˉm),rˉm為預先確定的最大弦長所在位置;k2為葉尖處的弦長,k2=C(1);k3為弦長分布函數曲率為零點的位置C′′(rˉ)|rˉ=k3=0；k4C″(rˉ)|rˉ=k3=0；k4為rˉ=0.3rˉ=0.3處弦長分布函數的斜率,k4=C′(0.3)。1.2扭曲角分布函數將葉根以后的扭角描述為量綱一葉片長度的指數函數T(rˉ)=k5?rˉk6+k7(2)Τ(rˉ)=k5?rˉk6+k7(2)1.3k9k9k9k9h的確定葉根以后的相對厚度可以描述為Th％(rˉ)=k8?rˉk9(3)Τh％(rˉ)=k8?rˉk9(3)這樣葉片的氣動外形就可以由k1～k9這9個參數來確定,也就是本文優(yōu)化設計中的9個變量。2該項目的目2.1葉片年發(fā)電量的計算葉片的氣動性能用動量葉素理論來計算,根據大風速下變槳距恒功率的控制策略可以得到葉片在切入風速和切出風速之間運行的功率曲線,與設計風場的風頻分布相結合,就能計算出理想的年發(fā)電量。在此基礎上考慮控制效率、風場可用率、密度折減等因素帶來的綜合效率η后,得到實際的年發(fā)電量。2.2葉片載荷工況葉片結構設計需要預先確定各截面的設計載荷,另外葉片的輸出載荷也會對機組部件的設計成本產生影響。為了減小載荷評估的計算量,本文根據IEC61400-1等設計規(guī)范的要求,在若干組風力機載荷計算工作的基礎上,制定了葉片設計簡化載荷工況(Simplifiedloadcase,SLC)。計算所有簡化載荷工況下的準穩(wěn)態(tài)氣動力并作加權平均,得到葉片的特征載荷,再乘以安全系數γf作為葉片的設計極限載荷。經在多組不同型號的葉片上驗證,γf=2時簡化計算的結果與最終詳細計算出的設計極限載荷都很接近,說明這種簡化方法可以非常迅速且能較準確地模擬葉片的輸出載荷。2.3風力機機組成本評估為了得到葉片氣動外形的改變給機組成本帶來的影響,本文研究了目前主流風力機組的成本構成情況,給出了簡單評估各主要部件成本的評估方法,其中詳細描述了葉片的成本構成及計算方法,其他部件建立了成本與葉片輸出載荷的關系。2.3.1基于成本的葉片設計葉片的實際成本構成相對復雜,不過在葉片優(yōu)化設計過程中可以將葉片的成本簡單歸納為3個部分Cb=∑i=13Cbi(4)Cb=∑i=13Cbi(4)(1)正比葉片質量成正比的部分用來描述葉片消耗的材料費用,該部分的成本可描述為Cb1=B1?MCb1=B1?Μ其中:M為葉片總質量;B1為單位質量的平均材料費用。(2)面積增大時葉片投影考慮到模具成本、場地建設成本及其他成本中應有隨葉片投影面積增大而增大的部分,這里在葉片成本中設置了與葉片面積成正比的部分Cb2=B2?ACb2=B2?A其中:A為葉片投影面積,可由弦長沿展向的積分得到;B2為單位面積成本。(3)固定成本將人工、管理、檢測設備等費用視為固定成本Cb3,不隨葉片的氣動外形而變化,不同型號的葉片固定成本不同。2.3.2葉片的結構設計葉片質量由葉片結構設計確定,同時與葉片選用的材料性能密切相關。本文中暫未對葉片材料進行優(yōu)化,選用了目前行業(yè)內主流的玻璃鋼材料來進行葉片的結構設計。在優(yōu)化設計階段只需對葉片結構進行初步設計,因此本文只考慮了強度和剛度的設計準則,同時將葉片的鋪層形式簡化為外蒙皮、主梁、尾緣加強層、內蒙皮和腹板幾個部分,主要設計變量為主梁的厚度。在給定設計載荷、截面形狀、安全系數、材料屬性和允許的葉尖最大撓度以后,迭代求解,得到使各截面均滿足安全系數同時葉尖滿足撓度要求的主梁鋪層信息,依此確定葉片的質量。2.3.3確定主要部件成本風力機組構成復雜,為了考察機組的成本構成及葉片載荷對機組造價的影響,這里把部件成本評估的工作分為以下幾步:(1)確定各主要部件參考成本。對目前主流的變槳有齒型風力機組的成本分布作了大量統(tǒng)計,總結出了各主要部件成本占整機成本的比例Si,各部件的參考成本Ci?ref=Si?Cref(5)Ci-ref=Si?Cref(5)式中:Ci-ref為各主要部件的參考造價;∑i=1NSi=100％,N∑i=1ΝSi=100％,Ν為主要部件數量;Cref為機組參考造價,可結合目前風力機市場情況,預估機組的千瓦造價,進行確定。(2)根據葉片輸出的特征載荷確定各主要部件的設計成本。將每個部件的成本分解為與葉片輸出載荷相關的部分以及在葉片優(yōu)化設計中固定不變的部分Ci=Ci?ref?(mi?L1L1?ref+ni?L2L2?ref+pi)(6)Ci=Ci-ref?(mi?L1L1-ref+ni?L2L2-ref+pi)(6)式中:Ci為各部件的設計成本;L1,2為不同葉片外形帶來的特征載荷,分別代表輪轂中心極限載荷Mx和Fx;L1,2-ref為特征載荷的參考值;mi,ni為各部件成本中隨特征載荷L1,2線性變化部分所占比例,pi為部件固定成本所占比例,mi+ni+pi=1。表2為本文設計所針對的1.5MW機組成本構成各部分比例的總結。(3)得到對應某個葉片氣動外形的機組設計造價Ct=∑i=1NCiCt=∑i=1ΝCi2.4風力機生命周期風場平均到每臺風力機上的初投資Cic=Ct+Cbs(7)Cic=Ct+Cbs(7)式中:Cbs為初期附加投資,包括運輸、并網、風場建設費用平攤等。在風力機的整個生命周期(設計值20年)內,平均到每臺風力機上的總成本折現值Ctd=Cic+∑n=120Eao?Rdn(8)Ctd=Cic+∑n=120Eao?Rdn(8)式中:Eao為年運營支出;Rd為折現率。每臺風力機的總折現電量Etd=∑n=120Ea?Rnd(9)Etd=∑n=120Ea?Rdn(9)式中Ea為年發(fā)電量。度電成本COE=CtdEtd(10)CΟE=CtdEtd(10)風場總收益WFP=Etd?Gr?Ctd(11)WFΡ=Etd?Gr-Ctd(11)式中Gr為上網電價。2.5大厚度和度電成本的限制早期的葉片氣動設計與結構設計分別進行,在氣動外形設計時往往以功率系數最大或年發(fā)電量最大為目標,這時候無法設計葉片的厚度,因為厚度越薄對應氣動效率越高;目前行業(yè)內普遍采用度電成本最小這一目標來進行葉片氣動和結構的綜合設計;本文在這兩種目標的基礎上,著眼于葉片設計的最下游,又提出了風場收益最大這一新的葉片設計目標。3模擬退火算法介紹本文選用Isight軟件作為優(yōu)化工具來處理葉片優(yōu)化設計的問題,采用其中的ASAA,該方法是基于Mente-Carlo迭代求解策略的一種隨機尋優(yōu)算法,其出發(fā)點是基于物理中固體物質的退火過程與一般組合優(yōu)化問題之間的相似性。模擬退火算法從某一較高初溫出發(fā),伴隨溫度參數的不斷下降,結合概率突跳特性在解空間中隨機尋找目標函數的全局最優(yōu)解,即在局部最優(yōu)解能概率性地跳出并最終趨于全局最優(yōu),具有高效、通用、靈活的特點,被廣泛應用于解決各種工程優(yōu)化問題。圖1為葉片優(yōu)化設計流程圖。算法首先隨機生成葉片,Isight將葉片外形輸出給氣動性能評估程序進行年發(fā)電量計算,同時給載荷評估程序計算設計載荷,設計載荷再用于葉片的結構設計以及部件成本的評估,綜合得到機組造價;經過風場運營模型的計算后得到度電成本或風場收益的設計目標,Isight再將設計目標的值返回給優(yōu)化算法,優(yōu)化算法根據目標結果對控制變量進行調整,生成新的葉片,這樣不斷迭代尋優(yōu),最終給出一個全局最優(yōu)解。4葉片年發(fā)電量與機組造價的關系以針對IEC2A風場,1.5MW機型的葉片設計為例,概念設計時確定其長度37.5m,額定轉速18r/min,選用玻纖環(huán)氧復合材料,基本翼型為NACA63和DU系列的改型,分別以不同目標對其氣動外形進行優(yōu)化設計,表3和圖2分別為設計葉片的性能結果和形狀結果,其中參考葉片是目前市場上廣泛使用的1.5MW,37.5m成熟葉片。以年發(fā)電量最大為目標設計葉片時,由于沒有考慮葉片的結構要求,無法設計葉片的厚度分布,設計變量只是葉片的弦長和扭角,因而在設計時將葉片的絕對厚度保持為參考葉片的絕對厚度分布,以此來保證葉片的結構特性。從表3和圖2給出的設計結果可以看出:(1)在選定的基本翼型下,不管以何種目標進行設計,與參考葉片相比該目標值都改善有限,可見參考葉片的氣動外形很好。(2)以年發(fā)電量最大為目標,設計出的葉片與參考葉片相比發(fā)電量提高了0.88%,是這幾組葉片中最高的,不過設計葉片的質量卻增加了8.5%、機組造價增加了4.5%,反而使得度電成本增加、風場收益減小了。由圖2可以看出,為了追求高的發(fā)電量,截面翼型趨向于較小相對厚度,因為薄翼型的升阻比較高,能夠給葉片帶來更好的氣動效率,因而此時的最大功率系數也是所有結果中最高的(表3)。但是,高升阻比的同時往往伴隨著高的升力系數,因而葉片的設計載荷也會增大;設計的葉片弦長也較大,一定程度上也增加了葉片的設計載荷,造成機組成本的上升。(3)以度電成本最小為目標設計的葉片發(fā)電量有所降低,然而質量是所有葉片中最輕的,機組的設計造價與參考葉片機組造價相比也降低了3%,最終使得度電成本減小了0.8%,而風場收益降低了0.5%。與發(fā)電量最大的葉片正好相反,此時輸出的葉片偏于修長同時截面相對厚度較大(圖2),這使得葉片受到的載荷較小,降低了機組成本。另外,較大的相對厚度有利于增大葉片截面的慣性矩,對減輕葉片質量也有幫助。(4)在設計出的幾組葉片中,以風場收益最大為目標得到結果是唯一各項性能都能同時有所改善的,與參考葉片相比發(fā)電量增大了0.2%,機組造價降低了0.3%,最終風場收益增大了0.42%。葉片的形狀與參考葉片相比弦長略小而相對厚度分布有所區(qū)別,不過仍然是這幾組結果中與參考葉片最為接近的。(5)葉片設計最終需要在發(fā)電量和成本之間作出一個平衡,度電成本、風場收益的提出都是為了描述這個平衡點,但是兩者有一定的聯系也有區(qū)別。這里分析各次優(yōu)化設計過程中所有葉片的年發(fā)電量和機組造價的對應關系,如圖3所示。可以看到,搜索結果的覆蓋域很廣,同一發(fā)電量下機組造價有高有底,同一造價下機組的發(fā)電量也千差萬別,不過覆蓋域一定存在一個使得機組造價隨著年發(fā)電量單調上升的邊緣,形成了一個類似于多目標優(yōu)化中的Pareto前沿,不同的設計目標在這前沿上選取了不同的位置。比較上述兩種平衡指標,從式(9,10)可以看出,在度電成本中,發(fā)電量與成本有著相同的重要性,而在風場收益中根據上網電價[本文設計時采用國內二類地區(qū)的上網電價0.54元/(kW·h)]的不同,兩者之間的權重不一樣:上網電價較高,那么增加發(fā)電量更加有益;上網電價較低,則更趨向于控制成本。參考葉片所處的位置已經幾乎處于最優(yōu)前沿上,且各項性能與風場收益最大的葉片設計非常接近,當然本文并不能確定參考葉片就是以風場收益最大這一目標來進行設計,或者這只是一個巧合,參考葉片有著其他的設計目標和方法。因此,還需要進行更多的設計工作來進行檢驗。5自適應模擬退火算法優(yōu)化設計本文對變槳型風力機葉片氣動外形做了有針對性的參數化描述,新的參數化方法能夠很好地表達結構和工藝對葉片形狀的約束;發(fā)展了一種簡化的葉片設計載荷計算方法,