文|唐文采飞扬编辑|唐文采飞扬随着对清洁能源需求的增加，风力发电成为了一种受欢迎的选择，风力发电机的气动元件是将风能转化为电能的关键环节。
了解和建模风力发电机的气动元件是优化风力发电机性能和提高发电效率的关键，介绍风力发电机的气动元件及其建模系统的重要性。
气动系统介绍风力发电机中，气动执行器的动态是非常重要的，因为它们是构建压缩空气能量储存（CAES）系统的核心组件。
对气动系统的工作原理和数学描述进行了研究，首先通过对完整的气动执行器系统从空气压缩到执行的示意图，介绍了气动系统的整体建筑结构。
然后研究了主要组件（包括气动马达、气罐和压缩机）的基本操作原理和数学模型，主要组件的研究为开展整个混合系统模型的开发和模拟研究奠定了基础。
一个典型的气动执行器系统，如图所示，由气动马达、气罐和压缩机以及相关设备和组件组成，包括空气干燥器/过滤器、润滑器、调节器、计量器、阀门和管道网络。
气动执行器气动执行器是一种利用压缩空气作为能源的驱动器，它通过将压缩空气能转化为工作能量来工作，实现了空气的膨胀，有几种类型的气动马达。
旋转叶片、轴向和径向活塞以及齿轮油泵式气动马达是工业领域最常用的类型，这些设计通过使用润滑空气具有高效率和长寿命。
涡轮、V型和隔膜气动马达也可用，但使用范围较窄，涡轮马达用于需要高转速和低起动扭矩的场合，而V型和隔膜气动马达主要用于特殊应用领域。
在某些情况下，气动执行器可以替代其对应的电动执行器，这是因为它们相对于电动执行器具有几个优势，特别是高功率重量比和功率体积比、广泛适应性以及对环境危害的抵抗力。
气罐：首先，气罐作为一个储存容器，此外，它可以用作中间介质，平滑脉动的气体输出，减少从压缩机到执行器的压力变化。
此外，它可以分离湿气和油蒸汽，使冷却器带来的湿气凝结下来。
压缩机：压缩机是一种机械设备，由主动器驱动，用于收集空气并增加其压力，控制器用于调节产生的压缩空气量，一般来说，压缩机分为两类：容积式压缩机和动态压缩机。
容积式压缩机通过减小空气体积来增加压力，这种类型的压缩机进一步分为往复式和旋转式压缩机。
而动态压缩机通过增加空气速度来增加出口端的压力。
大多数动态压缩机是离心式压缩机，可以是径向和轴向流型。
叶片式气动马达的数学模型该项目的关键概念是利用压缩空气中储存的能量来帮助平稳调节风力发电机的输出，其中通过气动驱动-气动马达与风力发电机轴混合连接，将压缩空气能量转换为机械驱动转矩。
首先考虑在混合系统中使用最常见的旋转气动执行器之一——叶片式气动马达，1998年，王等人在论文中描述了四叶片式气动马达的数学模型。
2008年，罗等人将该工作扩展为任意叶片数的叶片式气动马达模型，在本项目中，基于王和罗开发的四叶片气动马达模型，进行叶片式气动马达的建模和仿真研究。
叶片式气动马达的工作原理图4.3展示了一个四叶片叶片式气动马达的结构，有一个带有四个槽的旋转驱动轴，每个槽都配有一个自由滑动的矩形叶片。
当驱动轴开始旋转时，由于离心力，叶片倾向于向外滑动，并受到转子壳体形状的限制，根据流动方向的不同，该马达将以顺时针或逆时针方向旋转。
两个腔室上的两个端口可以交替作为进气口和出气口，根据图4.3，输入端口1被认为是进气口，因此旋转方向是逆时针。
压缩空气从阀门通过输入端口1进入，填充叶片、壳体和转子之间的空腔，腔室A与输入端口1相连，在高压下充满气体。
一旦由移动叶片关闭了端口，气体在叶片和前面叶片之间的较大体积内膨胀至较低压力，此时通过输入端口2释放气体。
作用在叶片上的气压差产生对转子轴的扭矩。
因此，较高的流量和较大的压差将在轴上产生更大的扭矩，并导致较高的转速，图4.4描述了叶片式气动马达的工作流程图。
涡旋式气动马达工作原理下图展示了一个运动中的2.41圈涡旋式空气马达，图中展示了一个具有两个涡旋的圆形渐开线形状的空气马达，每个涡旋约有2.41圈。
蓝色涡旋代表移动涡旋，绿色涡旋代表固定涡旋，当压缩空气通过进气口进入中心腔室时，移动涡旋沿逆时针方向沿轨道运动。
每个涡旋都与一个背板配合，随着移动涡旋沿着圆形轨道运动，这两个涡旋在某些点上保持接触，因此，整个内部空间分为三种不同类型的腔室：中央腔室、侧面腔室和排气腔室。
每个腔室在一个工作循环中经历三个阶段：充气、膨胀和排气阶段，首先，充气阶段开始时，压缩空气流入中央腔室，如图4.8中的图（1）所示。
此外，还有两个侧面腔室和一个排气腔室通过涡旋式空气马达的出气口与大气相连。
在接下来的阶段中，两个侧面腔室会顺时针旋转，并随着中央腔室的扩张力驱动而继续膨胀。
在图（4）之后的某一时刻，两个侧面腔室达到最大容积，然后它们将与出气口连接并成为新的排气腔室。
类似地，中央腔室也会膨胀到最大，然后，它分裂成一个新的较小的中央腔室和两个新的侧面腔室。
这种独特的结构使涡旋式空气马达具有利用传输和膨胀空气动力的显着优势，从而比传统的气动执行器（如气缸、涡旋式空气马达等）具有更高的能源效率。
涡旋式空气马达的数学模型先前已在2007年，2009年，2011年和2012年进行研究。
3圈涡旋式空气马达的几何数学模型首次由报道，然后，该模型被修改以包括涡旋的热力学行为，包括泄漏的考虑，在中进行了报道。
关于热力学和效率分析的完整建模研究在中报道，涡旋式膨胀机的动态特性与其形状、涡旋圈数、进出口口径等进行了详细研究。
在这个博士研究项目中，系统功率在1千瓦至5千瓦之间，在实际实验中，可观察到的温度变化在2.6%以内，这不会明显影响涡旋的性能和能量转换效率。
因此，数学模型没有考虑涡旋的热动力学特性，采用了一个简化的涡旋式空气马达的数学模型，并做出以下假设：腔室之间没有气体泄漏，使用理想压缩空气，忽略静摩擦力，并在恒定环境温度下工作。
特别地，为了适应项目中使用的空气膨胀机，初始模型进一步发展为适用于2.41圈涡旋式空气马达的模型。
叶片涡旋式空气能效分析电机作为混合风力涡轮系统中的空气-电能转换装置，能源效率是主要考虑因素，与其他类型相比，涡旋式空气马达具有更高的能源效率，这是团队选择该装置的主要因素。
根据已报道的研究，其独特的结构使涡旋式空气马达能够更高效地利用传动和膨胀空气功率。
分析涡旋式和最常见的叶片式空气马达的能量转换能力，以提供建设性的解释，分析是基于经过验证的Matlab/Simulink数学模型进行的。
能源效率是能量转换机械的有用输出与总输入能量之间的比值，对于空气马达系统来说，输入能量是压缩空气中储存的能量，而输出能量是通过驱动负载所做的功所计算的。
其中，Eload代表驱动负载所做的功，Eair_in表示来自输入压缩空气的能量，它是质量流量的函数，load τ代表机械负载扭矩，ωam代表空气马达的转速，Pair_in表示输入压缩空气的功率，它是质量流量的函数。
在这种情况下，排气能量不考虑，因为下游直接开放到大气中，也就是说，排气压力等于大气压力，实际上，通过回收排气，系统能源效率可以明显提高。
压缩机数学模型CAES系统中的压缩机完全由电网的多余能量供电，而电网能量并不是恒定的能源。
因此，在CAES充电阶段，压缩机大部分时间必须在部分负载下运行，在这种情况下，往复式压缩机的效率显著更高。
与常见的螺杆压缩机相比，往复式压缩机在部分负载下由于缸卸荷器的存在具有更高的效率。
在这个项目中，考虑了最常见的压缩机类型-往复式压缩机，许多现代工业空气压缩机被“封装”销售，包括压缩机、驱动电机和许多附件，安装在一个框架上以便于安装。
然而，对于绝热过程，功率可以用一个更简单的形式表示：其中，Pcm是压缩机电动机的功率，ηC是压缩机效率，wC是压缩机的质量流量，pc是空气在恒定压力下的比热容，β是压缩比。
这个推导出的方程基于以下假设：1.压缩机缸内的压缩过程是绝热的，2.吸气管和排气管的压力降可以忽略不计。
考虑到部分负载运行的影响，实际效率与最大绝热效率之间的比值已表示为实际功率与最大功率之比的函数。
可以看到，压缩机只能在一定功率范围内（全功率的60%至90%）实现最大效率。
储气罐数学模型：对于一个气罐的模型，假设为一个恒定体积的钢制罐，气罐有两个接口，一个用于从压缩机中获取气体（增加罐内压力），另一个用于将气体排放到气动马达中。
在不考虑热损失和通过气动阀门的流动动力学的情况下，充气和排气阶段的内部气压可以根据气体状态方程基于质量流量推导出来。
结语：重点关注压缩空气储能（CAES）系统的基本原理和不同组件的建模，通过描述气动系统的结构，介绍了不同子系统的功能和工作原理。
基于热力学和几何学的研究，推导出了包括两种类型的气动马达、压缩机和气罐在内的完整动态模型。
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