本發(fā)明屬于風機雷電接閃防護，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、為了提高風能轉(zhuǎn)換效率，現(xiàn)有風力發(fā)電機的單機容量不斷增大，高度也越來越高。隨著風機高度的增加，風機遭受雷擊的風險也增大，其中，葉片是最容易遭受雷擊的位置，因此，風機葉片上安裝有接閃器和接地引下線構(gòu)成的雷電防護系統(tǒng)，以減少雷擊風機事故的發(fā)生。然而，現(xiàn)有運行經(jīng)驗表明，雷電防護系統(tǒng)仍存在接閃失效的情況。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法及裝置，通過探究葉片絕緣表面摩擦電荷對異常接閃放電的影響規(guī)律，解決目前旋轉(zhuǎn)風機葉片表面沉積摩擦電荷產(chǎn)生的電場分布不明確導致雷擊接閃失效的誘發(fā)機制不明晰的問題。

2、根據(jù)本發(fā)明說明書的一方面，提供一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，包括：

3、計算絕緣表面試品在風洞試驗后的表面電荷密度分布數(shù)據(jù)；

4、構(gòu)建絕緣表面試品的幾何模型，導入所述表面電荷密度分布數(shù)據(jù)，形成靜電場仿真模型；

5、基于所述靜電場仿真模型，計算得到絕緣表面及周圍空間的電場分布。

6、作為進一步的技術(shù)方案，在導入所述表面電荷密度分布數(shù)據(jù)之前，還包括：對計算出的表面電荷密度分布數(shù)據(jù)進行平均化處理。

7、作為進一步的技術(shù)方案，對絕緣表面試品進行風洞試驗，包括：將絕緣表面試品放入風洞試驗箱體內(nèi)，在多因素條件下進行試驗，模擬實際風機葉片高速旋轉(zhuǎn)過程，其中，所述絕緣表面試品為具有預設(shè)尺寸的玻璃纖維平面。

8、作為進一步的技術(shù)方案，計算絕緣表面試品在風洞試驗后的表面電荷密度分布數(shù)據(jù)，包括：將風洞試驗后的絕緣表面樣品放置在電位測量系統(tǒng)中，所述電位測量系統(tǒng)通過測量探頭平面移動，對絕緣表面試品進行掃略，得到表面電位分布數(shù)據(jù)；根據(jù)所述表面電位分布數(shù)據(jù)，結(jié)合電荷反演算法，得到表面電荷密度分布數(shù)據(jù)。

9、作為進一步的技術(shù)方案，形成靜電場仿真模型，包括：

10、依據(jù)試驗所用絕緣表面試品的尺寸，借助有限元軟件comsol，選擇物理場接口為靜電，建立絕緣表面試品的幾何模型；

11、參照實際風機葉片材料，設(shè)置幾何模型的材料；

12、設(shè)置邊界條件，將表面電荷密度分布數(shù)據(jù)導入到幾何模型表面；

13、進行網(wǎng)格剖分，并將序列類型設(shè)置為物理場控制網(wǎng)絡(luò)。

14、作為進一步的技術(shù)方案，基于所述靜電場仿真模型計算絕緣表面及周圍空間的電場分布時，靜電場求解滿足：

15、,,，其中，e表示電場強度，d表示電通量密度，表示電荷密度，表示介質(zhì)的介電常數(shù)，表示哈密頓算子。

16、作為進一步的技術(shù)方案，計算得到絕緣表面及周圍空間的電場分布之后，所述方法還包括：

17、獲取絕緣表面試品的電荷密度圖，并與電位測量系統(tǒng)反演計算得到的電荷密度圖對比，確定仿真過程中電荷密度數(shù)據(jù)的準確性；

18、在確定仿真過程中電荷密度數(shù)據(jù)準確性后，獲取絕緣表面和周圍空間的電場分布，形成絕緣表面摩擦電荷空間電場的分布規(guī)律。

19、根據(jù)本發(fā)明說明書的一方面，提供一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析裝置，包括：

20、第一主模塊，用于獲取絕緣表面試品在風洞試驗后的表面電荷密度分布數(shù)據(jù)；

21、第二主模塊，用于構(gòu)建絕緣表面試品的幾何模型，導入所述表面電荷密度分布數(shù)據(jù)，形成靜電場仿真模型；

22、第三主模塊，用于基于所述靜電場仿真模型，計算得到絕緣表面及周圍空間的電場分布。

23、根據(jù)本發(fā)明說明書的一方面，提供一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析系統(tǒng)，包括風洞試驗平臺、電位測量系統(tǒng)及所述的一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析裝置，所述風洞試驗平臺用于將絕緣表面試品放入風洞試驗箱體內(nèi)，在不同時間、風速和迎面氣流夾角的多因素條件下進行試驗，模擬實際風機葉片高速旋轉(zhuǎn)過程；所述電位測量系統(tǒng)用于通過測量探頭平面移動，掃略絕緣表面試品，完成絕緣表面電位分布的測量，以及基于系統(tǒng)內(nèi)置的電荷反演算法，計算絕緣表面的電荷密度分布。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

25、本發(fā)明提出了一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，該方法可對旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦電荷產(chǎn)生的空間電場分布特性進行仿真計算，獲取風機葉片表面沉積的摩擦電荷產(chǎn)生空間電場的分布情況，探究葉片絕緣表面摩擦電荷對異常接閃放電的影響規(guī)律，對風機系統(tǒng)雷擊接閃失效誘發(fā)機制研究和雷電防護有重要意義。

技術(shù)特征：

1.一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，其特征在于，在導入所述表面電荷密度分布數(shù)據(jù)之前，還包括：對計算出的表面電荷密度分布數(shù)據(jù)進行平均化處理。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，其特征在于，對絕緣表面試品進行風洞試驗，包括：將絕緣表面試品放入風洞試驗箱體內(nèi)，在多因素條件下進行試驗，模擬實際風機葉片高速旋轉(zhuǎn)過程，其中，所述絕緣表面試品為具有預設(shè)尺寸的玻璃纖維平面。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，其特征在于，計算絕緣表面試品在風洞試驗后的表面電荷密度分布數(shù)據(jù)，包括：將風洞試驗后的絕緣表面樣品放置在電位測量系統(tǒng)中，所述電位測量系統(tǒng)通過測量探頭平面移動，對絕緣表面試品進行掃略，得到表面電位分布數(shù)據(jù)；根據(jù)所述表面電位分布數(shù)據(jù)，結(jié)合電荷反演算法，得到表面電荷密度分布數(shù)據(jù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，其特征在于，形成靜電場仿真模型，包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，其特征在于，基于所述靜電場仿真模型計算絕緣表面及周圍空間的電場分布時，靜電場求解滿足：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法，其特征在于，計算得到絕緣表面及周圍空間的電場分布之后，所述方法還包括：

8.一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析裝置，其特征在于，包括：

9.一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析系統(tǒng)，其特征在于，包括風洞試驗平臺、電位測量系統(tǒng)及權(quán)利要求8所述的一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析裝置，所述風洞試驗平臺用于將絕緣表面試品放入風洞試驗箱體內(nèi)，在不同時間、風速和迎面氣流夾角的多因素條件下進行試驗，模擬實際風機葉片高速旋轉(zhuǎn)過程；所述電位測量系統(tǒng)用于通過測量探頭平面移動，掃略絕緣表面試品，完成絕緣表面電位分布的測量，以及基于系統(tǒng)內(nèi)置的電荷反演算法，計算絕緣表面的電荷密度分布。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種旋轉(zhuǎn)風機葉片表面摩擦荷電的電場分析方法及裝置，方法包括：計算絕緣表面試品在風洞試驗后的表面電荷密度分布數(shù)據(jù)；構(gòu)建絕緣表面試品的幾何模型，導入所述表面電荷密度分布數(shù)據(jù)，形成靜電場仿真模型；基于所述靜電場仿真模型，計算得到絕緣表面及周圍空間的電場分布。本發(fā)明通過探究葉片絕緣表面摩擦電荷對異常接閃放電的影響規(guī)律，解決目前旋轉(zhuǎn)風機葉片表面沉積摩擦電荷產(chǎn)生的電場分布不明確導致雷擊接閃失效的誘發(fā)機制不明晰的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：藍磊,王羽,鄧冶強,吳澤梁,吳強,金昕
受保護的技術(shù)使用者：武漢大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23