风能太阳能利用技术教育部重点实验室(内蒙古工业大学)

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实验室于2010年6月4日经教育部批准立项建设（教技函【2010】52号），并于2014年8月15日顺利通过教育部验收。

实验室拥有内蒙古新能源试验示范基地风资源品质优良的37亩自然风场，配备吹气式B1/K2型低速低湍流风洞、本底噪声低于15dB的半消声室、户用风光互补发电系统研究室、村落用风/光/柴发电模拟实验室、小型风力发电机研究室、太阳房和地源热泵研究室等测试平台，为内蒙古乃至西部地区的高校、科研院所在开展风力机方面的科学研究提供了强有力的实验条件支撑。

实验室固定人员40人，其中：教授15人，副教授15人，博士生导师11人，硕士生导师31人，具有博士学历的人员27人。自实验室成立以来，已经有18人次入选自治区“杰出人才”、“教育部新世纪优秀人才支持计划”、“草原英才”工程和自治区“321工程”；柔性引进中组部“拔尖人才”、长江计划“青年学者”罗坤教授。已经组建电网友好型风力发电运行与控制创新团队（内蒙古自治区），风力机流固耦合及控制技术创新团队（内蒙古工业大学）。

实验室立足内蒙古风能太阳能资源优势和地域特色，紧密跟踪和消化吸收国内外风能太阳能利用技术最新研究成果，已形成了风力机流固耦合与控制技术、传热传质及其强化和能源利用技术、风能太阳能发电控制技术、中小型风力发电机检测与认证技术、多能互补联合运行与控制技术5大稳定的研究方向。

实验室获得“全球能源奖”一等奖1项，国家国飞杯阳光奖1项。近几年，获得内蒙古自治区科技奖励5项；获批国家科技支撑计划1项，国家基金重点项目子课题1项，国家自然科学基金项目10项，省部级重点以上科研项目16项，横向项目30余项；发表科研论文400余篇，其中SCI、EI索引100余篇；获批发明专利5项、实用新型专利30项。

&主要研究方向

方向一：风力机噪声特性分析

基于波束形成算法，采用60通道轮型阵列，在风洞实验室对水平轴风力机旋转风轮气动声源开展识别与定位研究。找到在不同来流风速和尖速比下，风轮气动声源的频域和空间能量分布规律。分析其形成机理，为风力机降噪和开发低噪声风轮提供指导，也为运动机械的声源定位研究积累实验经验。

风洞实验室旋转风轮声源识别与定位

针对采用常规的声源识别方法定位旋转风轮气动声源时，可以得到声源沿叶片的径向位置，却无法准确定位和跟随声源位置与叶片位置的相对相位角关系，基于球面波传播和延迟求和波束形成算法理论，引入空间滤波和旋转相位角算法，提出一种旋转声源的追踪识别算法，在旋转声源模拟实验台架上对标准点源识别结果验证了此算法径向位置定位误差小，相位角跟随性好。该方法可用于风力机、鼓风机等旋转叶轮的气动声源准确定位。

旋转声源模拟实验

方向二：风力机尾迹流场测试

基于高频PIV测试系统测试风力机尾迹流场，对尾迹流场的输运掺混规律进行分析，寻找风力机尾迹发展演化规律；对风力机尾迹脉动速度进行功率谱密度分析，寻找叶片振动对流场耦合规律的影响特征；对风力机尾迹流场进行压力转场，寻找流场与声场关联规律。

使用风力机模型在风洞闭口段测试五倍风轮范围内流场数据，发现尾迹叶尖涡“交互跳跃”现象并揭示其机理，总结出外部主流区与尾迹区的输运掺混规律及远尾迹发展规律。

方向三：近尾迹流场CFD/CAA数值研究

基于大涡模拟(LES)方法和可穿透FW-H方程，自定义UDF数值模拟水平轴风力机近尾迹流场及声场特性，得到水平轴风力机近尾迹流动结构，分析风力机近尾迹涡的发展变化情况，以流场数据为基础，研究近尾迹声辐射变化规律，探索流动与声辐射之间的内在联系和叶尖区域声辐射的特征细节，初步探索V型叶尖小翼及S型叶尖小翼对风力机近尾迹流动和声辐射的影响。

方向四：多场耦合对永磁风力发电机特性的影响研究

具有最佳气动特性的NACA4415、SD2030翼型风轮与4种不同齿槽结构的永磁发电机分别装配成8套风力发电机组，在内蒙古工业大学电机特性实验室和能源基地的B1/K2低速风洞完成整机电能质量测试。

基于有限体积元法，通过流-热-磁三场双向耦合方式，分析了不同来流、偏航角、发电机结构对应的流速矢量、换热情况、磁场场形、输出电信号等参数的动态分布情况，得到了各物理因素间关联性。进而将电磁场输出结果与电能质量试验结果进行比较，得出多场耦和行为对电能质量的影响程度，并探究其影响机理。最终基于多目标函数优化法，利用MATLAB仿真手段对电能质量恶化指标进行评价，为后续解耦条件的研究及机组性能优化设计奠定了基础。

方向五：强湍流下的风力机微观选址

以符合城市粗糙大气边界层的速度剖面为入口边界条件，采用RKE湍流模型对北方地区常见的、不同建筑密度的顺列和错列布置的斜屋顶、金字塔屋顶、三角形屋顶和平屋顶建筑物群顶面上方的风速和湍流强度分布特征开展了数值模拟分析，建立了建筑物群顶面小型风力机的合理有效安装指导。

方向六：风力机叶片载荷特性分析

基于TST旋转机械无线遥测系统，构建了旋转机械动态信号遥测试验系统，具有旋转风轮表面敏感部位应力应变、温度及加速度等动态信号的采集与分析功能，可进行风洞或自然风场运行环境中，不同载荷激励下叶片结构动态响应、应力集中区的应力状态、交变应力循环特征参数、疲劳强度等的实验研究。

1.塔架；2.发电机；3.机轴；4.叶片；5.轮毂法兰；6.传感器及数据线；7.信号采集主机；8.通讯数据接口；9.主机固定盘；10.遥测信号发射天线；11.激光触发器；12.无线路由器；13.数据分析计算机；14.电能质量测试仪；15.负载箱；16.激光发射器；17.试验台架

依据电阻应变传感器（应变花）、温度传感器、加速度传感器等相应测试桥路的具体要求及通道参数的设置，通过旋转叶片动态信号的有线采集与无线传输相结合的方式，进行不同来流风速工况下转速、尖速比等的调节与控制，实现多工况、多参数采集与分析的功能，有效解决了旋转叶片与连接的发电机体受到动静部件空间限制的瓶颈。

方向七：多物理场参数同步监测及叶片动频值间接测试与识别

基于PULSE结构振动分析系统、高频PIV流场监测系统、TST无线旋转遥测系统、Fluke Norma5000高精度六相功率检测分析系统为主体，构建了流场参数、叶片/发电机/塔筒/地基振动参数、发电机输出参数同步监测系统。

在完整保留叶片结构场与流场特征的前提下，基于多种混合振动信号传递中各组成信号的频率保持特性，建立了叶片典型振型动频值的简捷测试与识取方法，解决了现今叶片动频值监测难、识别难的技术困境。

方向八：双馈型风电机组柔性故障穿越研究

为减小电网电压发生谐波、跌落与骤升以及不平衡等电能质量问题对双馈型 (DFIG)风电机组的影响，提出了一种应用于双馈风电系统的九开关型(NSC)统一电能质量调节器(UPQC)解决方案。新能源电力系统框图如下图所示。

基于NSC的双馈式源、网、荷、储新能源电力系统原理图

典型仿真与小功率实验分别如下图所示，结果表明，九开关型UPQC可以有效治理电网电压、电流畸变的影响，消除电压偏差与电流谐波，显著提高DFIG机端电能质量，使机组实现多种故障工况下柔性故障穿越(FFRT)运行。

方向九：复合纤维层合板性能等效算法研究

用有限元法对复合材料层合板进行铺层结构分析时，为模拟实际结构，需一层一层建模和赋材料属性，过程繁琐、力学分析困难、计算量大、效率低。从工程角度出发，最为有效的方法是对其进行性能参数等效处理。

为此，针对大型风力机叶片复合纤维铺层的非等厚度性、复杂性和材料属性的各向异性，从层合介质本构关系出发，根据单层板的弹性性能常数推导相应的刚度矩阵，通过转换矩阵求得不同铺层角度的子层材料在整体坐标系下的刚度矩阵；考虑到正交各向异性的力学性能，改进子层刚度法等效矩阵，根据子层刚度公式求得刚度系数，得到基于子层刚度法的性能等效算法。

在能量法二维理论的基础上，根据RVE和均质等效体应力场与应变场在一定条件下相同的特点，利用变形能守恒理论，通过对不同形式变形能公式的转换，推导出层合板三维情况的性能等效刚度矩阵系数与RVE变形能的关系及等效矩阵的能量表达式，得出基于能量法的性能等效算法。

方向十：复合纤维风力机叶片结构铺层优化设计

从工程角度出发，以结构整体性能最优为目标，运用单因素法和分级优化策略，采用理论分析、有限元分析与结构优化相结合的方法，建立数学优化模型，优化铺层结构，获得了优化的铺层参数取值范围和铺层方案。

铺层角度优化数学模型：

叶片蒙皮自由尺寸优化问题可描述为：

目标：结构柔度最小，即刚度最大；

约束：叶片铺层体积分数小于0.6。叶片铺层厚度最小为13.5mm；45°与-45°铺层成对出现；0°、90°、±45°铺层所占的比例分别为30%~50%、10%~20%、30%~60%。

叶片蒙皮尺寸优化问题可描述为：

目标：叶片质量最小；约束：叶片最大应力小于35MPa，失效因子SF＜1；

铺层顺序优化优化问题可描述为：

目标：叶片质量最小；约束：设计约束：叶片应力小于35MPa，满足Tsai-Wu强度准则，SF < 1；制造约束：±45°要成对出现；±45°铺设在最外侧；0°、90°连续铺层不超过3层；

方向十一：槽式太阳能聚光集热系统性能测试与分析

搭建槽式太阳能聚光集热系统（单轴跟踪与双轴跟踪），对系统聚光特性、集热特性开展研究。对集热管表面能流密度分布测量，采用直接法和间接法两种方式展开。集热管表面能流密度随着太阳直射辐照度的增加逐渐增大，能流密度沿管径方向分布趋势相同，有两个峰值，支架及设备连线对太阳辐射产生遮挡，使得集热管表面某位置的能流值较小，且随着太阳入射角的减小，被遮挡位置逐渐向管东侧移动；云层遮挡导致集热管能流密度减小。由积灰导致的聚光器相对反射率下降1.3%时，焦斑最大能流密度相比于清洁镜面下降8.6%。

方向十二：智能化机械式光伏发电系统自动除尘装置研制与测试

研制了一种适用于分布式光伏发电系统、具有各种安装倾角光伏组件的试验测试系统、并网型光伏发电系统的机械式自动除尘装置。针对上述3种不同应用场合进行了可靠性与实用性试验，并作了初步推广。首先，该系统可在-30℃条件下长期连续稳定运行；其次，该系统可适应各种复杂的安装条件；最后，该系统智能化程度高。

自动除尘装置结构图

该装置具以下诸多优势：结构简单；使用范围广（水资源短缺区域及丰富区域均可使用）；自动化程度高；使用稳定性好（无人值守时可长期自动运行）；可连续有效清除光伏组件表面积灰（无水除尘只需0.5h即可清除光伏板面90%以上的积灰，有水除尘只需1min即可清除光伏板面95%以上的积灰）；成本回收周期短；系统运行耗电量极小（运行1h耗电0.02kWh）；系统配套有水循环系统（水资源浪费率为0）；系统运行过程不影响光伏组件发电效率。

实物图

方向十三：太阳能膜蒸馏系统的机理及应用研究

以苦咸水淡化为研究背景，利用旋转切向入流强化方法，增强膜面附近湍流强度、旋转流速，破坏了膜面附近温度极化和浓度极化，提高了膜通量；以水为工质建立具有间隙冷凝的传质传热数学模型，计算值与实验值吻合较好；设计并建立了太阳能热电制冷空气隙膜蒸馏系统，开展实验研究。系统由原液水质预处理系统、太阳能集换热系统、太阳能发电系统及热电制冷空气隙膜蒸馏系统组成。

系统流程图

耦合特性参数关系

方向十四：部分工程实测

近五年完成或承担省部级重点以上科研项目情况

省部级科技奖情况

主要仪器设备

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