淺析風能工程中流體力學問題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展

康帥 郭祥偉

摘 要：近些年來，我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅猛，總體的裝機量和新增加的裝機量早已位列全球第一，主要機器逐漸從兆瓦級向多兆瓦級發(fā)展，風力能源早已從大陸上發(fā)展到海洋上了，這些進步給風力發(fā)電的發(fā)展也帶來一些新的問題。本課題將簡要分析和總結(jié)當前風能工程的研究現(xiàn)狀及所獲得的成就，并對提出風電技術(shù)的缺點及糾正方法。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電；流體力學；風電技術(shù)；

一、風能工程中流體力學問題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展

風力是無污染的環(huán)保資源，在我國將來的資源架構(gòu)中具有舉足輕重的作用。風能發(fā)電工程經(jīng)過幾十年的研究，突破了眾多技術(shù)難點，讓風能發(fā)電工程的投入持續(xù)降低，在能源結(jié)構(gòu)中早已具有非常強的競爭力，有著廣大的進步空間。

當前流體力學的關(guān)鍵探索內(nèi)容，是全面考量各種影響因素間的互相作用，開發(fā)精確度更好的風流特性計算模型，例如風力流場模型、風尾流場模型以及風機輪特征模型等。

由于流體問題的繁瑣性，較短時間內(nèi)流體理論獲得突破性的發(fā)展的可能幾乎為零， 風洞試驗和環(huán)境檢測指數(shù)能夠?qū)δ承┝黧w問題進行模型精確值的部分改進，對超過試驗范疇的流體問題是不可能完成的。從未來的發(fā)展來說，流體力學的計算技術(shù)依然是將來發(fā)展的大方向。原因有以下兩點：一是流體力學有較為廣泛的應(yīng)用范圍。不管是風力場、海洋氣流還是風力發(fā)電機的流體力場的問題，都能夠用流體力學來解決。二是電腦技術(shù)的迅猛發(fā)展。作為新時代科學技術(shù)中較為新進的領(lǐng)域，電腦新舊交替的速率是別的科學技術(shù)所不可相比的。在國內(nèi)，國防科技大學的超級計算機早就可以解出上千億網(wǎng)格規(guī)模的流體力學問題。而國外，早就有解出上萬億網(wǎng)格規(guī)模的報告了，因此直接解決技術(shù)中出現(xiàn)的問題比預(yù)計的時間要早很多。

實事上，風力發(fā)電工程中流體的特征是不確定的，而且是固定存在的，源自不一樣的地勢形態(tài)、不一樣的氣候條件下風力能源的多元性，風力發(fā)電機的規(guī)劃需要在這樣不穩(wěn)定的環(huán)境下進行。除了流體特性的不確定性以外，其他方面例如建造用料的性能指數(shù)等也具有非常大的不穩(wěn)定性。對于這種牽涉眾多學科且不穩(wěn)定性大的體系，應(yīng)采取錢學森想出的多層次工程措施來展開風電機組的規(guī)劃。例如增強架構(gòu)、用料和監(jiān)控規(guī)劃，減少流體不穩(wěn)定性的消極干擾。對于特別大的風力發(fā)電機組，當前正開發(fā)一些高新的操縱技術(shù)，例如獨立變槳操縱、早先變槳操縱等，利用感應(yīng)流體流速的具體改變，調(diào)節(jié)葉片的夾角，讓整個風力發(fā)電組越發(fā)的智能化，能夠有效的減輕葉片的流體負荷。在架構(gòu)和用料方面，利用彎扭耦合的流體裁剪設(shè)計，使的葉片形態(tài)改變后有主動減輕流動負荷的功能。

二、風能工程中流體力學問題的不足與措施

在國內(nèi)，與航天技術(shù)方面的成績相比較，風電方面的流體力學的探索成就就顯得相對單薄了些。雖然風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進展非常迅猛，裝機總量早已位居全球之首，變成了真正意義上的風力發(fā)電大國。但風力發(fā)電的技術(shù)和能力的差別還是很大的。核心技術(shù)方面的設(shè)計仍然依靠著國外，缺少自主研發(fā)的軟件。在探索方面，與國際先進的科學技術(shù)還有很大的距離，在風電力學問題的探索中還沒有得到自創(chuàng)性的成就。一方面是因為我國在大型風力發(fā)電機組探究方面的開展比較晚，當下一直位于追隨時期，另一方面是我國太關(guān)注產(chǎn)業(yè)化，對基礎(chǔ)的探究投資不足，缺少專業(yè)的研發(fā)團隊。

從現(xiàn)在的狀況來看，我國在風電領(lǐng)域的探究有下列幾個問題：

（1） 生產(chǎn)、學習和研究間的協(xié)調(diào)不充足，高校和科研單位沒能對我國風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的相關(guān)問題進行探究，探究不細致，與生產(chǎn)相分離，而企業(yè)卻不具備解決問題的效能，不注重基礎(chǔ)理論的探究；

（2） 我國科研團隊較為分散，探究課題重疊，缺少合作創(chuàng)造；

（3） 探究結(jié)果分散且沒能合理運用，造成產(chǎn)業(yè)的設(shè)計軟件大多源自國外；

（4） 缺少課題探究所需要的試驗裝置，技術(shù)和能力都和國外有相當大的差別，造成探究與應(yīng)用水平受限。

為推進我國從風力大國朝著風力強國的發(fā)展，急需在基礎(chǔ)力學方面的探究中增加力度，選取幾個重要的基本問題，開始不斷的探索，應(yīng)運用以下幾個方面的方法：

（1） 搭建基礎(chǔ)探究所要求的測試試驗平臺，例如海洋浮動式試驗平臺、海洋大氣層及尾流特征試驗平臺等，推動海洋風力發(fā)電技術(shù)的進步。

（2）搭建風力發(fā)電機組研究的風洞試驗測試平臺，深層次地探究風力發(fā)電機流體場的機理。我國風力發(fā)電機的性能探究大多在數(shù)據(jù)處理和分析方面，試驗作業(yè)非常少，因而難以獲得自主性的成就，應(yīng)增加試驗探究的力度。

（3） 加大企業(yè)和研究所的協(xié)作，激勵企業(yè)增加基礎(chǔ)探究的投資，與科研單位聯(lián)合展開核心技術(shù)研究。

（4） 搭建國家級試驗平臺，專業(yè)的研發(fā)團隊，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)的合作，領(lǐng)導國內(nèi)研發(fā)成就的集合。

總之，風電行業(yè)是一個具有發(fā)展前景的行業(yè)，風電技術(shù)仍需要持續(xù)進步。我國早已是全球風電產(chǎn)業(yè)的重要組分，但基礎(chǔ)技術(shù)依然落后，需要在眾多方面加以改進，進而推動國內(nèi)風電技術(shù)的快速發(fā)展。

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