MAGAZINE
刊物內容

回列表

浮式風機運動特性對於風機功率的影響

摘要"

為了解浮式風機於各自由度運動對功率的影響,本研究以STAR-CCM+軟體求解雷諾平均納維爾史托克方程及SST k - ω紊流模型,獲得NREL 5MW風機周圍流場,完成縱移、橫移、起伏、縱搖、橫搖、平擺的簡諧運動的功率響應。由模擬結果可知縱移與縱搖運動對風機功率具有顯著影響。藉由改變風機最大運動速度與頻率的縱移簡諧運動模擬中,發現風機最大運動速度與轉子氣動力矩的振幅峰值具有線性關係。以模擬獲得氣動力矩直接推算的風機功率,具有因縱移運動而使功率超過額定功率的情況,由於風機無法輸出高於額定條件的功率值,因此運動將造成功率的損失。模擬結果顯示,縱移運動造成的功率損失與最大運動速度約呈線性關係,因此若能得知風機縱移運動的最大速度則可預估功率損失。縱搖運動所獲得的結論與縱移運動相符。本研究接著考慮風機控制策略,藉由風機葉片截距角與轉速調控,分析風機縱移強制運動時葉片截距角與轉速對功率的影響。

關鍵詞:浮式風機、功率、縱移、縱搖、數值模擬

前言

根據經濟部能源局風力發電四年推動計畫,台灣將於2025年時達到再生能源發電比例40%以及在離岸風電達成5.7GW裝置容量的目標。目前台灣離岸風電主要開發淺水區域,採用固定式風機。但未來進入深水區開發期,由於成本考量,將使用浮動式風機。浮式風機與固定式風機的主要差異在於,浮式風機會受風波流作用而產生六自由度運動影響期其發電效果,為評估浮式風機因波浪與風速作用的運動對功率的影響,[1-3]以計算流體力學方法求解浮式風機在不同頻率及振幅情況下週期性縱搖運動的風機流場,分析風機跡流與葉片受力,並求出於此運動下的功率隨時間變化情況。[4]求解NREL 5MW風機以不同頻率及振幅的縱移簡諧運動,解析葉片頂端的渦流因縱移運動而受塔柱影響,其交互作用隨運動頻率及位移距離增加而更為顯著。[1-4]雖詳細探討單風機以單一自由度週期性運動下的風機運轉流場狀況,但未明確分析其運動速度及頻率對功率的影響,以及風機若以額定風速下運轉,其風機運動將造成入流速度上升而致使功率高過額定功率的問題。[5]以實驗資料OC5為模擬條件,以商業軟體模擬浮式風機受錨鍊限制下於自由液面上運動的流場,模擬其受風波流作用所產生縱移、起伏與縱搖的風機運動。展現模擬方法已可計算此複雜案例,然為獲得較穩定的數值收斂結果,需要較多的計算資源與模擬時間。
本團隊欲分析浮式風機因運動所造成的功率損失,分析其各自由度對功率的影響。本研究使用已具有較多研究成果的NREL 5MW風機,探討其運動頻率及振幅與功率對應關係。若功率與運動振幅、頻率呈線性關係或能以多項式擬合,則能快速評估浮式平台運動對風機發電功率損失。因模擬風機於額定風速下的運動,功率伴隨入流速度因運動的增加而超出額定功率的問題,將參考風機葉片截距角與轉速調控,模擬其對功率造成的影響。

數學模型與數值計算方法

本研究基於暫態不可壓縮流假設,求解雷諾平均化納維爾史托克斯方程式(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equation)以獲得風機運動下的流場如質量守恆方程式(1)、動量守恆方程式(2):
其中t為時間,ρ為空氣密度,ui為卡式座標xi的速度分量,p為壓力、ν為動黏滯係數。
動量守恆方程式(2)因時間平均化後產生的雷諾剪應力(Reynolds Stress),本研究使用SST k - ω紊流模型(Shear-Stress Transport, SST)[6]加以求解。本研究使用商用軟體STAR-CCM+以有限體積法離散流場方程組,對流項使用二階近似方法,及一階時間離散方法。因假設流場為不可壓縮流動,使用SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)求解動量守恆式中壓力與速度耦合問題。假設壓力固定先求解動量守恆獲得速度,隨後將速度再帶回質量守恆式,求取壓力修正量,以滿足質量守恆並同時修正壓力。如此疊代計算,直到所觀測得物理量如功率不再變化則視為收斂。
為求解浮式風機運動,本研究使用重疊網格法(Overset Grid)處理複雜邊界條件問題。將求解域分為兩套網格:背景網格與重疊網格。重疊網格為包覆風機的較密網格系統,背景網格為佈滿整個求解域的網格系統,直接忽略風機的幾何外形。流場求解時,重疊網格邊界上數層網格的物理量將由其附近的背景網格內插獲得,因此將造成求解方程式時物理量不必然守恆,而導致殘值震盪的缺點。然而能輕易克服物體移動而避免網格歪斜變形的問題,同時不需重新生成網格,節省計算資源,為重疊網格法的主要優點。本研究假設風機強制運動,因此使用移動重疊網格描述風機運動行為。風機葉片旋轉運動在本研究中則使用滑移網格方法(Sliding Mesh)加以模擬[7]。

邊界條件與網格配置

本研究使用NREL 5MW風機[8],其轉子直徑(D)為126m,其輪轂中心至地面(zo)為90m,額定風速11.4m/s,額定轉速12.1rpm,葉片對轉子中心力矩所產生的額定功率為5.3MW。入流方向為正x軸方向,z軸位於與塔柱中心軸上,葉片起始旋轉位置為人字形,計算空間大小如圖1所示。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

READ MORE BACK TO LIST