一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法及系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法及系统，其中，根据伞梯组合型高空风能捕获装置的伞组受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型，得到所述伞组空气动力系数的影响因子；根据所述伞组空气动力系数的数学模型搭建不同拟合模型，并根据所述不同拟合模型对全年平均风速进行拟合，得到所述伞组相对速度；将所述伞组相对速度和所述伞组空气动力系数的其他影响因子输入到计算流体力学Fluent软件中，通过设置所述计算流体力学Fluent软件的参数，对所述伞组空气动力系数进行数值模拟，得到模拟结果。本申请可以提升高空风能捕获能力的精准度；适用于实际风轮廓线输入条件下的评估，符合工程应用实际且适用范围更大。围更大。围更大。

【技术实现步骤摘要】
一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法及系统


[0001]本专利技术涉及高空风能发电
，特别是涉及一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法及系统。

技术介绍

[0002]我国风能储量大、分布面广，风力发电装机规模稳居世界第一。但受限于材料、工艺与建设成本，现有形式的水平轴风力发电机组离地高度通常低于200m，其叶轮转动时所捕获风能的高度通常不超的300m。在这高度之上的大气中蕴含更丰富的高空风能，并且风向稳定、间歇性小，具备持续开发的潜力和价值。
[0003]作为一种新型风力发电技术，高空风能捕获与发电技术在国际上引起了广泛关注，其载体通常被称为高空风能发电系统(AirborneWind Energy System，AWES)。AWES系统主要采用系留航空器捕获高空风能并将其转化为电能。目前，全球已有超过50家研发公司与数十个研究机构从事AWES技术的相关研究工作，开发了多型样机和示范项目伞梯组合型风能捕获装置属于系留风筝式AWES技术范畴。
[0004]能否对于伞梯组合型风能捕获装置与空气之间的相对作用进行精确的评估，是伞梯组合型高空风能捕获装置形状设计与材料选择过程中重要的因素，也是研究伞梯组合型高空风能捕获装置运动与受力的关键。但在实际风轮廓线输入条件下，对伞梯组合型高空风能捕获装置空气动力学的评估仍是一个颇具挑战性的难题，传统的空气动力学理论分析的方法，对伞梯组合型高空风能捕获装置空气动力进行评估，这样得出的结果精度不足。尤其是在真实风轮廓线条件下，随着高度的增加，风切变的强度也会增加，这不仅对仿真提出了更高的要求，而且给伞梯组合型高空风能捕获装置的设计与其空气动力的评估带来了很大的困难。目前并无在真实风轮廓线下的伞梯组合型高空风能捕获装置的空气动力学数值模拟技术的开发及其相关的文献。
[0005]因此，现有技术还有待进一步提升和改进。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的:提供一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法及系统，解决传统的空气动力学方法很难对伞梯组合型高空风能捕获装置与空气之间的相对作用进行精确的评估的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法及系统。
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法，其中，所述方法包括：根据伞梯组合型高空风能捕获装置的伞组受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型，得到所述伞组空气动力系数的影响因子；所述影响因子包括伞组姿态角、空气密度、气压、雷诺数、伞组形状和伞组相对速度；
[0009]根据所述伞组空气动力系数的数学模型搭建不同拟合模型，并根据所述不同拟合
模型对全年平均风速进行拟合，得到所述伞组相对速度；
[0010]将所述伞组相对速度和所述伞组空气动力系数的其他影响因子输入到计算流体力学Fluent软件中，通过设置所述计算流体力学Fluent软件的参数，对所述伞组空气动力系数进行数值模拟，得到模拟结果；所述模拟结果包括压力、速度和伞组空气动力系数；
[0011]根据所述模拟结果进行可视化处理得到压力云图和速度云图，根据所述模拟结果进行叠加处理得到所述伞梯组合型风能捕获装置的综合空气动力系数。
[0012]在进一步的实施方案中，所述根据伞梯组合型高空风能捕获装置的伞组受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型，得到所述伞组空气动力系数的影响因子包括：
[0013]对多个伞组进行空气动力学受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型：
[0014][0015][0016]N
空气
＝R
空气
sinβ (3)
[0017][0018]T
绳
＝F(V
伞
) (5)
[0019]C
T
＝f(β,ΔV,P,Re,ρ,X) (6)
[0020]其中，T
空气
为空气动力，T
空阻
为空气阻力，G为伞体自身重力，T
绳
为主缆绳对伞体的牵引力，V
风
为水平风速，V
伞
为伞体沿主缆绳方向的移动速度，V
风
(h)为随高度h变化的实际水平风速，h
i
,i＝1,..,n为各个伞组所在高度，N
空气
为空气在垂直于伞运动方向上的作用力，R
空气
为空气对伞的作用力，β为伞组姿态角，θ为β的余角，S为伞体迎风面积，ρ为空气密度，P为气压，Re为雷诺数，X为伞组形状，ΔV为伞组相对速度，C
T
为空气动力系数。
[0021]在进一步的实施方案中，所述根据所述伞组空气动力系数的数学模型搭建不同拟合模型，并根据所述不同拟合模型对全年的平均风速进行拟合包括：
[0022]获取全年风速数据，提取所述全年风速数据中不同时刻不同海拔的风速，将提取的所述全年不同时刻不同海拔的风速进行平均化处理，得到全年平均风速；
[0023]根据所述伞组空气动力系数的数学模型，搭建风速与海拔的kriging模型，并对所述全年平均风速进行kriging拟合，得到kriging拟合风廓线；
[0024]根据所述伞组空气动力系数的数学模型，构建多项式拟合表达式，并根据所述多项式拟合表达式对所述全年平均风速进行拟合，得到多项式拟合风廓线。
[0025]在进一步的实施方案中，所述得到所述伞组相对速度包括：
[0026]所述得到所述伞组相对速度包括：
[0027]根据所述kriging拟合风廓线得到所述伞组相对速度中1号伞组实际水平风速；
[0028]根据所述多项式拟合表达式和所述1号伞组实际水平风速，得到伞组相对速度。
[0029]在进一步的实施方案中，所述多项式拟合表达式为：
[0030]ΔV＝((((0.700289411303468*(z/1000)^9
‑
10.399949153100685*(z/1000)^8+65.2784862371147*(z/1000)^7
‑
224.527567114180*(z/1000)^6+457.758978807456*(z/1000)^5
‑
556.340799962875*(z/1000)^4+381.395411775274*(z/1000)^3
‑
127.977707713993*(z/1000)^2+18.9658072253544*(z/1000)+0.498152825201710)
‑
V
风
(h1))*cosθ
‑
V
伞
)/340，式中z为伞组的高度。
[0031]在进一步的实施方案中，所述将所述伞组相对速度和所述伞组空气动力系数的其他影响因子输入到计算流体力学Fluent软件中，通过设置所述计算流体力学Fluent软本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法，其特征在于，所述方法包括：根据伞梯组合型高空风能捕获装置的伞组受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型，得到所述伞组空气动力系数的影响因子；所述影响因子包括伞组姿态角、空气密度、气压、雷诺数、伞组形状和伞组相对速度；根据所述伞组空气动力系数的数学模型搭建不同拟合模型，并根据所述不同拟合模型对全年平均风速进行拟合，得到所述伞组相对速度；将所述伞组相对速度和所述伞组空气动力系数的其他影响因子输入到计算流体力学Fluent软件中，通过设置所述计算流体力学Fluent软件的参数，对所述伞组空气动力系数进行数值模拟，得到模拟结果；所述模拟结果包括压力、速度和伞组空气动力系数；根据所述模拟结果进行可视化处理得到压力云图和速度云图，根据所述模拟结果进行叠加处理得到所述伞梯组合型风能捕获装置的综合空气动力系数。2.如权利要求1所述的一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法，其特征在于：所述根据伞梯组合型高空风能捕获装置的伞组受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型，得到所述伞组空气动力系数的影响因子包括：对多个伞组进行空气动力学受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型：对多个伞组进行空气动力学受力分析，建立伞组空气动力系数的数学模型：N
空气
＝R
空气
sinβ (3)T
绳
＝F(V
伞
) (5)C
T
＝f(β,ΔV,P,Re,ρ,X) (6)其中，T
空气
为空气动力，T
空阻
为空气阻力，G为伞体自身重力，T
绳
为主缆绳对伞体的牵引力，V
风
为水平风速，V
伞
为伞体沿主缆绳方向的移动速度，V
风
(h)为随高度h变化的实际水平风速，h
i
,i＝1,..,n为各个伞组所在高度，N
空气
为空气在垂直于伞运动方向上的作用力，R
空气
为空气对伞的作用力，β伞组姿态角，θ为β的余角，S为伞体迎风面积，ρ为空气密度，P为气压，Re为雷诺数，X为伞组形状，ΔV为伞组相对速度，C
T
为空气动力系数。3.如权利要求1所述的一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法，其特征在于，所述根据所述伞组空气动力系数的数学模型搭建不同拟合模型，并根据所述不同拟合模型对全年的平均风速进行拟合包括：获取全年风速数据，提取所述全年风速数据中不同时刻不同海拔的风速，将提取的所述全年不同时刻不同海拔的风速进行平均化处理，得到全年平均风速；根据所述伞组空气动力系数的数学模型，搭建风速与海拔的kriging模型，并对所述全年平均风速进行kriging拟合，得到kriging拟合风廓线；根据所述伞组空气动力系数的数学模型，构建多项式拟合表达式，并根据所述多项式拟合表达式对所述全年平均风速进行拟合，得到多项式拟合风廓线。4.如权利要求3所述的一种高空风能捕获装置空气动力学评估方法，其特征在于，所述
得到所述伞组相对速度包括：根据所述kriging拟合风廓线得到所述伞组相对速度中1号伞组实际水平风速；根据所述多项式拟合表达式和所述1号伞组实际水平风速，得到伞组相对速度。5.如权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡彦枫，徐晓燕，石韬，周冰，汤东升，王俊，黄穗，李争霖，
申请(专利权)人：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：