0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

多物理场仿真助力风力发电机雷击防护减少过度设计

GIPk_COMSOL_Chi 来源:工程师曾玲 2019-02-11 14:29 次阅读

随着全世界不断减少对化石燃料的依赖,全球的风力发电机市场迎来蓬勃发展,在未来几年,其年均市场规模预计可达到 700 亿美元。风力发电规模如此之大,可谓是一项伟大的成就;然而,一股强大的力量正在成为该产业发挥全部潜力的障碍:雷电,这是自然界最具破坏性的力量之一。

雷击是引起风力发电机意外停机的最主要原因,它不仅带来数以兆瓦计的电力损耗,还会产生巨大的运行和维护成本。

由于风力发电机拥有巨大的旋转叶片、高耸入云,并且长期暴露在自然环境中,因此特别容易遭受雷击。闪电几乎可以直接或间接地对风力发电机的所有组件造成严重破坏,包括叶片、控制系统和其他电子元器件。然而,由于后勤条件的限制,不仅维修费用高,对实际的维修操作也提出了巨大考验。

NTS 的子公司 Lightning Technologies 是复杂防雷系统设计与验证的全球领导者,主要面向航空航天领域,包括飞机、航天器和发射设备;同时还为风力发电场、工业中心、高尔夫球场、主题公园以及其他高风险场所提供专业服务。国际电工委员会(International Electrotechnical Commission,简称 IEC)是国际性电工标准化机构,他们制定了叶片的耐雷击水平和防雷击要求;NTS 工程师一直是其分委员会的积极成员。工业标准 IEC 62305 要求风力发电机制造商在叶片制造中加入雷击防护设计。为了提供最有效的保护,工程师必须能够判断当叶片遭受雷击时,其中流过大电流,以及准确的电流流向。但问题是,对雷击电流特性的简单假设得出的结论往往并不准确。

深入剖析雷电流

在美国马萨诸塞州皮茨菲尔德,一栋约 1672 平方米的建筑设施中,NTS 运营着世界上功能最齐全的雷电模拟实验室之一,高约 4.3 米和 7.6 米的闪电发生器伫立其中,可产生高达 2.4 MV 的电压(图 1)。

图 1. NTS 运营的高压发生器(2.4 MV 的马克思发生器)。

几十年来,NTS 一直致力于风力发电机叶片保护系统的设计和研发。由于风力发电机叶片为翼型,该公司可以将航空航天应用方面的深厚知识基础直接应用到这一领域。

NTS 皮茨菲尔德分公司模拟分析团队的负责人 Justin McKennon 表示,传统的风力发电机是通过添加表面保护层(surface protection layer,简称 SPL)覆盖采用轻质、高强度碳纤维复合材料制成的叶片,以此实施保护措施。SPL一般由导电网构成,可将叶片上雷电“附着”(雷击)点的电流安全引至地面。

“很多叶片结构都包含与表面保护层平行排列的碳纤维结构层,它们叠加起来形成碳层,并沿叶片长度在碳堆叠层和 SPL 之间建立了周期性电连接。这样做是为了防止在两者之间产生过高的电压差,因为一旦出现高压差,就可能产生电弧,进而损坏叶片。电连接虽然可以降低电压差,但也会使电流流入碳纤维复合材料,这无形中增加了叶片的设计难度。” McKennon 解释说。

确定碳堆叠层对不同电流的负载能力,预测可能出现的雷电附着点和击穿的可能性等因素,这些并不是无关紧要的小问题。McKennon解释说,叶片物理测试的成本(有些叶片长达 70 米甚至更长)十分昂贵,对雷电效应进行数值模拟已经成为设计过程中的一个关键环节。

McKennon表示:“由于雷电现象涉及的物理场非常复杂,工程师很容易做出不恰当的假设,从而在很大程度上影响模型的准确性。”

仿真减少过度设计

人们常常容易做出这样一个错误假设:碳堆叠层的电导率在各个方向都是相同的。而实际上,碳纤维的电导率在不同方向上可能截然不同。

在图 2 显示的几何结构中,碳堆叠层上方 5 mm 处覆盖了由铝片制成的 SPL 导电网,其厚度约为 500μm,电导率根据实验测量值进行设置;碳纤维的电导率同样采用了实验值。工程师在 COMSOL 模型中同时分析了理想各向同性特性和实际各向异性特性两种情况。

多物理场仿真助力风力发电机雷击防护减少过度设计

图 2. 碳堆叠层上方覆盖的薄型铝表面保护层(SPL)的几何结构。图注:SPL-表面保护层;CARBON-碳层;DOWN CONNECTORS - 引下线连接;Connection between carbon and SPL - 碳层与 SPL 之间的电连接

工程师使用 IEC 标准电流波形的解析表达式,将电流注入 SPL 的一端,电流会通过铜质引线从另一端流出。SPL 与碳层之间的所有电连接均由铜材料制成。在研究设计和模拟电磁脉冲传播的过程中,McKennon 使用 COMSOL 软件求解了磁矢势的时域波动方程。他根据仿真结果确定了雷电附着点处的相关电流、电场和其他数据值,从而深入分析了整个结构中电流的总体特性。

各向同性假设低估了流经 SPL 的电流量,据此得出的结论是:碳层中流过的电流更多,而 SPL 中的电流更少(图 3)。碳层由许多独立的纤维层组成。纤维层内沿纤维方向具有极强的导电性,但要使电流在其中流入和流出,却是一项极具挑战的工作。如果碳层与其他物质的交界面通过大电流,则许多独立的碳纤维会因为过热和/或电弧而烧毁(图 4)。由于碳层承受着主要的结构载荷,这种损坏会大幅缩短叶片的使用寿命,严重时甚至会导致叶片出现灾难性故障。这就是为什么工程师一直希望尽力避免碳层中存在过多电流的原因。

多物理场仿真助力风力发电机雷击防护减少过度设计

图 3. 仿真结果显示,SPL 在各向同性理想情况下的电流量明显小于各向异性实际情况的电流量。

多物理场仿真助力风力发电机雷击防护减少过度设计

图 4. 仿真结果显示了由碳纤维复合材料制成的风力发电机叶片样品中的电流密度。

各向同性假设严重高估了碳层中的电流量,这是因为它忽略了碳纤维中的电阻实际上具有很强的方向性(图 5)。如果忽略这种特性,仅考虑碳层在体积和长度上的优势,碳层似乎比 SPL 更适合作为电流路径,然而这与事实完全不符。这种错误的高估很可能使工程师面临一些其实根本不存在的问题,延缓开发进程,造成产品过度设计。

多物理场仿真助力风力发电机雷击防护减少过度设计

图 5. 绘图显示了各向同性和各向异性碳纤维中的电流水平。

McKennon 总结道:“在模拟复杂的物理场时,你必须明确哪些是关键因素,哪些是干扰项,然后循序渐进地逐步建立模型,才能避免引入错误或采用不恰当的假设,确保仿真结果的准确性和可靠性。”

根据精确结果做出明智的商业决策

“现在,我们已经具备了快速建立并优化仿真模型的能力,这不仅帮助我们大大降低了项目风险,还让随需应变地获取工程级数据变成了现实。” McKennon 评论道,“我们无需花费大量时间和资金来制作复杂的测试样品,而是使用 COMSOL 模拟各种物理现象,这明显缩小了项目中潜在问题涉及的范围。在很多情况下,我们无法使用实物样品测得关键数据,此时就需要利用数值仿真分析来弥补这些不足。”

“时间就是金钱,在我们行业尤其如此。借助软件提供的强大功能,我们能够为客户提供优质高效的服务。事实上,一些客户对仿真的有效性充满信心,他们甚至会完全依赖我们的仿真结果来制定大批量生产的业务决策,很少再进行实验验证。面对如此的利害关系和客户的高度信任,我们不允许自己犯错,也无法承担任何错误造成的后果。COMSOL 作为一款建模仿真工具,为我们带来了无穷的价值。我们也相信,COMSOL 模型能够准确地反映真实世界。”

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 仿真
    +关注

    关注

    50

    文章

    4039

    浏览量

    133399
  • 发电机
    +关注

    关注

    26

    文章

    1615

    浏览量

    67527

原文标题:多物理场仿真为风力发电机提供雷击防护解决方案

文章出处:【微信号:COMSOL-China,微信公众号:COMSOL】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    中车永济电机荣获风力发电机产品碳足迹证书

    近日,中车永济电机公司研制的10.X MW直冷双馈风力发电机荣获由北京鉴衡认证中心颁发的碳足迹证书。
    的头像 发表于 10-31 13:50 138次阅读

    风力发电机有哪些类型?如何分类?

    风力发电机是一种将风能转换为电能的设备,广泛应用于可再生能源领域。根据其设计、结构和应用场景的不同,风力发电机可以分为多种类型。以下是一些主要的分类方式和相应的
    的头像 发表于 10-23 14:19 610次阅读

    风力发电机由哪些结构组成?简单分析

    风力发电机是一种将风能转换为电能的设备,它主要由以下几个主要结构组成: 风轮(叶片和轮毂) : 叶片 :通常由复合材料制成,如玻璃纤维或碳纤维,以确保强度和轻量化。叶片的设计对风力发电机
    的头像 发表于 10-23 14:16 381次阅读

    什么是风力发电机?它的工作原理是什么?

    风力发电机是一种将风能转换为电能的设备。它利用风力驱动风轮旋转,通过发电机将机械能转换为电能。风力发电机
    的头像 发表于 10-23 14:10 303次阅读

    电弧光保护在风力发电机中的应用

    传感器与电流测量技术,设计单判据和双判据实施方案,提升运行安全性。本文深入研究和全面分析风力发电技术,提出电弧光保护在风力发电机中的建设性意见。     1
    的头像 发表于 09-30 10:36 196次阅读
    电弧光保护在<b class='flag-5'>风力</b><b class='flag-5'>发电机</b>中的应用

    发电机失磁对发电机自身的影响有哪些

    过热 原因分析 :失磁后,发电机转子的磁场减弱,导致转子电流增加,从而产生额外的热损耗,使转子温度升高。 影响 :长期过热可能导致转子材料性能下降,甚至损坏。 1.2 定子绕组过热 原因分析 :失磁后,发电机的励磁电流减少,导致
    的头像 发表于 09-26 18:14 628次阅读

    风力发电输出的是直流还是交流

    风力发电是一种利用风能转换为电能的可再生能源技术。风力发电机组通过风轮将风能转换为机械能,再通过发电机将机械能转换为电能。
    的头像 发表于 08-15 11:04 1187次阅读

    风力发电机为何低速旋转却能日发26万度电?

    风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机,风轮在塔架后面的则成为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多,有的具有反转叶片的风轮。
    发表于 04-06 01:39 471次阅读
    <b class='flag-5'>风力</b><b class='flag-5'>发电机</b>为何低速旋转却能日发26万度电?

    浅谈国内外风力发电机叶片的数量差异

    但只要扇叶越多,挡住的风就越多,通过扇叶的风速就越低,风力和风速成反比。而风力发电机的输出功率,是风力和风速的乘积。
    的头像 发表于 04-01 11:00 739次阅读
    浅谈国内外<b class='flag-5'>风力</b><b class='flag-5'>发电机</b>叶片的数量差异

    风力发电技术的原理是什么 风力发电是如何传输电能

    传输过程。 风力发电的原理: 风力发电的原理是利用风的动能驱动风力发电机运转,从而将风能转化为机
    的头像 发表于 02-21 15:16 4517次阅读

    风力发电机组液压系统和刹车机构传感器介绍

    风力发电机组的液压系统和刹车机构是一个整体。在定桨距风力发电机组中,液压系统的主要任务是执行风力发电机
    的头像 发表于 02-01 18:16 1574次阅读
    <b class='flag-5'>风力</b><b class='flag-5'>发电机</b>组液压系统和刹车机构传感器介绍

    风力发电原理及工作过程 风力发电如何输送电力

    风力发电是一种利用风能产生电力的可再生能源技术。其原理是通过将风能转化为机械能,通过发电机将机械能转化为电能。整个过程可以分为风能收集、机械能转化和电能输送三个主要步骤。 首先,风力
    的头像 发表于 01-18 09:42 5251次阅读

    浅谈风力发电机组偏航系统的启动

     风力发电机组的偏航系统是用来控制风轮朝向风的方向,以最大限度地捕捉风能并转化为电能。以下是风力发电机组偏航系统的通常启动过程。
    的头像 发表于 01-15 14:34 1512次阅读

    风力发电机到底是使用直流电机还是交流电机

    风力发电机到底是使用直流电机还是交流电机风力发电机通常使用的是交流
    的头像 发表于 01-04 14:44 3056次阅读

    浅谈电弧光保护在风力发电机中的应用

    随着全球变暖的加剧,经济发展所带来的环境保护问题越来越突出,中国也相应地制定了“碳达峰、碳中和”目标,发展清洁能源已是必要的途径。近几年,风力发电机单机容量不断增加,安装地点也从陆上发展到了海上
    的头像 发表于 12-13 11:24 597次阅读
    浅谈电弧光保护在<b class='flag-5'>风力</b><b class='flag-5'>发电机</b>中的应用