“風(fēng)電行業(yè)正處在快速發(fā)展階段，如何在低風(fēng)速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效利用是我們必須解決的難題。”西安理工大學(xué)教授穆安樂如是說。長期以來，他帶領(lǐng)團(tuán)隊不斷探索創(chuàng)新，在我國率先提出并成功研制“廣譜風(fēng)力機(jī)”，大大提升了風(fēng)電設(shè)備的適用范圍和效率。
穆安樂教授團(tuán)隊合影(前排左起第五人)
1 獨辟蹊徑，自主攻關(guān)核心技術(shù)
“這是一個非常有趣的物理現(xiàn)象，氣流吹過旋轉(zhuǎn)圓柱體時會產(chǎn)生明顯的橫向升力。”穆教授向我們介紹馬格努斯效應(yīng)的基本原理時眼中透著興奮，“這給我們在風(fēng)電領(lǐng)域的創(chuàng)新提供了全新的思路。”
根據(jù)他的設(shè)想，采用旋轉(zhuǎn)圓柱槳葉結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪可以大幅提升低風(fēng)速下的啟動性能和高風(fēng)速下的穩(wěn)定性。這種“廣譜風(fēng)力機(jī)”運行范圍將可以擴(kuò)大一倍以上，達(dá)到微風(fēng)順暢啟動、疾風(fēng)依舊發(fā)電的效果。
“當(dāng)時沒有現(xiàn)成的技術(shù)可供借鑒，我們只能自主探索。”穆教授坦言起步并不容易，需要解決從氣動特性預(yù)測、傳動系統(tǒng)設(shè)計到整機(jī)控制等一系列核心技術(shù)難題。正是圍繞這些關(guān)鍵問題，他帶領(lǐng)團(tuán)隊展開了理論與實驗相結(jié)合的持續(xù)攻關(guān)。
為克服這些技術(shù)難題，穆教授組建了一個由資深專家和青年人才組成的創(chuàng)新團(tuán)隊。他們深入研究流體力學(xué)和傳動理論，構(gòu)建精細(xì)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測槳葉在不同條件下的氣動性能。同時，設(shè)計高精度的傳感設(shè)備，開展大量風(fēng)洞試驗，驗證模型的準(zhǔn)確性。在預(yù)測和測量數(shù)據(jù)的交互反饋中，逐步優(yōu)化設(shè)計方案。
此外，團(tuán)隊還自主開發(fā)了高性能傳動裝置和智能控制系統(tǒng)。前者確保穩(wěn)定傳遞高轉(zhuǎn)矩，后者實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)系統(tǒng)的最佳匹配。
2 流動控制，建立氣動-結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型
為精確預(yù)測槳葉在復(fù)雜環(huán)境下的氣動性能，穆教授帶領(lǐng)團(tuán)隊開展流體數(shù)值計算與優(yōu)化。基于高級CFD軟件，建立了考慮旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的三維非定常湍流模型。
“建模難點在于槳葉是可變形體，存在強(qiáng)烈的流固相互作用。”穆教授解釋道。為了處理這一多物理場耦合問題，團(tuán)隊采用了新穎的過渡層模型描述流體與結(jié)構(gòu)之間的動量傳遞和應(yīng)變分布。
大量模擬結(jié)果表明，該模型可以準(zhǔn)確再現(xiàn)不同攻角和轉(zhuǎn)速下槳葉周圍的速度場和壓力分布。這為后續(xù)優(yōu)化槳葉結(jié)構(gòu)提供了可靠參考。
此外，研究人員還構(gòu)建了考慮氣動力和控制的全系統(tǒng)動力學(xué)模型。該模型充分描述槳葉，發(fā)電機(jī)，變速系統(tǒng)在不同輸入條件下的耦合運動學(xué)特性和出力響應(yīng)規(guī)律。
“這是一個高度非線性的問題，難以通過經(jīng)驗預(yù)測。”穆教授說。基于該模型的仿真為控制策略設(shè)計提供精準(zhǔn)指導(dǎo)，有助于實現(xiàn)系統(tǒng)全局最優(yōu)，確保廣譜特性。
通過上述理論與實驗研究的有機(jī)結(jié)合，穆教授團(tuán)隊在“廣譜風(fēng)力機(jī)”技術(shù)路線上取得重要進(jìn)展，為后續(xù)實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。
3 挑戰(zhàn)極限，多點突破實現(xiàn)廣譜特性
為了驗證設(shè)想，穆教授團(tuán)隊制作完成兩臺小型“廣譜風(fēng)力機(jī)”樣機(jī)并進(jìn)行了連續(xù)3個月的風(fēng)洞試驗。結(jié)果表明，這種新結(jié)構(gòu)在2米/秒的微風(fēng)環(huán)境下即可順利啟動發(fā)電，并在模擬的30米/秒強(qiáng)風(fēng)條件下保持高效穩(wěn)定運行，這極大鼓舞了大家的信心。
鑒于前期試驗獲得圓滿成功，研究團(tuán)隊決定在已有基礎(chǔ)上進(jìn)行全面技術(shù)升級，實際突破系統(tǒng)極限。主要從槳葉材質(zhì)、傳動系統(tǒng)和控制策略三個層面入手。目標(biāo)是打造一臺適應(yīng)風(fēng)速范圍更廣，轉(zhuǎn)換效率更高的2KW樣機(jī)。
經(jīng)過持續(xù)工程化改造，團(tuán)隊生產(chǎn)出多組升級版樣機(jī)。其中，一臺配置優(yōu)化最為成功:采用流線型空心槳葉結(jié)構(gòu)降低風(fēng)阻，同時添加碳纖維外殼提高強(qiáng)度;配備高精度磁懸浮軸承傳動系統(tǒng)，確保轉(zhuǎn)動平穩(wěn);采用高度集成的FPGA控制器，200Hz速率實時調(diào)節(jié)槳葉轉(zhuǎn)速，優(yōu)化系統(tǒng)輸出。
最終測試表明，這臺樣機(jī)的工作風(fēng)速范圍從3-25m/s擴(kuò)大到2-30m/s，轉(zhuǎn)換效率提高10個百分點。“廣譜”特征初步確立，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定堅實基礎(chǔ)。
4 嚴(yán)謹(jǐn)驗證，積累標(biāo)準(zhǔn)制定數(shù)據(jù)
“任何科研成果離不開嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿炞C。”穆教授向我們強(qiáng)調(diào)。在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，他還帶領(lǐng)團(tuán)隊構(gòu)建了獨特的風(fēng)洞測試平臺，可以高保真模擬不同風(fēng)力等級的環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，他們使用多組樣機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行全面的工作特性評估，為標(biāo)準(zhǔn)確立積累了大量有效數(shù)據(jù)。
該測試平臺采用數(shù)值模擬技術(shù)重構(gòu)I至IV級風(fēng)環(huán)境，系統(tǒng)配置多通道檢測設(shè)備，精確記錄各項指標(biāo)。
平臺上安裝的2KW級樣機(jī)經(jīng)過80余輪測試，涵蓋可變槳葉、傳動比、控制參數(shù)等多個維度。
測試結(jié)果顯示，當(dāng)前2KW樣機(jī)在6米/秒平均風(fēng)速下可穩(wěn)定發(fā)電，為后續(xù)“廣譜風(fēng)力機(jī)”的標(biāo)準(zhǔn)制定提供了可靠依據(jù)。穆教授表示，團(tuán)隊將繼續(xù)積累測試數(shù)據(jù)，推動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)盡快確立。這將有力促進(jìn)“廣譜風(fēng)力機(jī)”實現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用。
5 立足產(chǎn)學(xué)研，實現(xiàn)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化
在原創(chuàng)性核心技術(shù)研發(fā)的同時，穆教授也十分關(guān)注產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，直接帶領(lǐng)培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才，同時將部分研發(fā)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用于某重點風(fēng)機(jī)制造企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)中。這不僅帶動了產(chǎn)業(yè)鏈快速成長，也使他的團(tuán)隊能夠立足實際需求進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。
與行業(yè)龍頭企業(yè)的合作無疑開拓了“廣譜風(fēng)力機(jī)”的應(yīng)用前景。一方面，企業(yè)可借助樣機(jī)技術(shù)推出中低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組新品，快速占領(lǐng)這一細(xì)分市場;另一方面，研究團(tuán)隊也獲得寶貴的工程經(jīng)驗反饋，更好地完善技術(shù)方案。
除產(chǎn)品研發(fā)外，穆教授還通過項目支持培養(yǎng)博士和碩士研究生。這些青年科技人才將推動相關(guān)理論和技術(shù)在產(chǎn)學(xué)研領(lǐng)域的傳播與應(yīng)用。相信未來他們也將在風(fēng)電行業(yè)中創(chuàng)造出色業(yè)績。
展望未來，穆安樂教授表示，他將繼續(xù)致力于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，使“廣譜風(fēng)力機(jī)”的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性不斷提升。他相信通過持之以恒的科研探索，這一具有自主知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)電設(shè)備必將在我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用，為國家節(jié)能減排目標(biāo)貢獻(xiàn)力量。(文/張霞)
穆安樂教授在國際學(xué)術(shù)會議上做主題報告
專家簡介：
穆安樂教授是西安理工大學(xué)著名的機(jī)械工程專家，長期致力于新能源和智能機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的研究工作。在他的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊先后獲得多項國家級項目資助，并在頂級期刊上發(fā)表高質(zhì)量論文100余篇，有多篇論文進(jìn)入全球1% ESI高被引論文。他還成功申請了30多項發(fā)明專利，并有多項發(fā)明技術(shù)得到了轉(zhuǎn)化推廣。
除了科研成就凸顯，穆教授還培養(yǎng)出大批優(yōu)秀學(xué)生。他同時還擔(dān)任多本國內(nèi)外期刊的編委或?qū)徃迦耍瑸閷W(xué)術(shù)交流做出了積極貢獻(xiàn)。在國際學(xué)術(shù)交流中，他也曾赴日本、美國進(jìn)修或從事博士后研究工作。目前，穆教授還兼任多項學(xué)術(shù)界與行業(yè)組織重要職務(wù)。通過多年奮斗，他已經(jīng)成長為同行公認(rèn)的風(fēng)能與能源儲備領(lǐng)域?qū)＜摇?/p>
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