低風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)彎掠葉片優(yōu)化研究

沙成龍 宗旺旺 王仁杰 錢海俁 石容坤

【摘 ?要】我國(guó)幅員遼闊，風(fēng)能資源豐富，但是大部分地區(qū)年均風(fēng)速較低，達(dá)不到一般風(fēng)力機(jī)投入正常工作的額定風(fēng)速，因此，絕大部分地區(qū)的風(fēng)能資源都被浪費(fèi)，嚴(yán)重制約了我國(guó)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展。本文針對(duì)低風(fēng)速下風(fēng)能利用不足的情況，對(duì)于風(fēng)力機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化，主要是根據(jù)仿生學(xué)原理，利用ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件、FLUENT流體計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，從而對(duì)彎掠葉片進(jìn)行優(yōu)化研究。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力機(jī);低風(fēng)速;彎掠翼;數(shù)值模擬

主體：

國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展：

我國(guó)自改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)能源的需求呈指數(shù)型增長(zhǎng)。從我國(guó)能源消費(fèi)現(xiàn)狀來看，雖然整體能源消費(fèi)仍以煤炭、石油、天然氣等為主，但我國(guó)煤炭資源僅占世界人均水平的50%，石油、天然氣資源更是只占世界人均水平的10%和5%。由于人均能源有限，能源供需矛盾日益顯現(xiàn)。同時(shí)，燃燒煤炭、石油等化石燃料的過程中產(chǎn)生了大量CO2、SO2、粉塵等對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染的主要來源物。因此，為了解決供不應(yīng)求的能源現(xiàn)狀，以及嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題，開發(fā)和利用新型可再生能源是大勢(shì)所趨[1]。

據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，2018年，我國(guó)新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)2059萬千瓦，累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.84億千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9.7%。如圖1-1所示，2018年風(fēng)電發(fā)電量3660億千瓦時(shí)，占全部發(fā)電量的5.2%，比2017年提高0.4個(gè)百分點(diǎn)[2]。

由此可見，國(guó)內(nèi)外對(duì)于可再生能源，尤其是風(fēng)能的開發(fā)與利用愈發(fā)重視，技術(shù)也逐步走向成熟，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈愈發(fā)完善，風(fēng)力發(fā)電的成本也趨近于火力發(fā)電成本。可以預(yù)見，風(fēng)能等可再生能源占世界能源消耗的比重會(huì)越來越大，直至有一天能完全取代化石能源，從而形成一個(gè)更加穩(wěn)定、清潔、安全的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

據(jù)了解，全國(guó)范圍內(nèi)可利用的低風(fēng)速資源面積約占全國(guó)風(fēng)能資源的七成左右，且均接近電網(wǎng)負(fù)荷的受端地區(qū)。由我國(guó)風(fēng)能資源分布圖可以看出我國(guó)大部分地區(qū)都是處在低風(fēng)速地區(qū)中。

從上圖我國(guó)風(fēng)能資源主要分布在三北地區(qū)和東南沿海，其他大部分地區(qū)都是處在低風(fēng)速甚至是超低風(fēng)速地區(qū)。隨著高風(fēng)速直葉片的設(shè)計(jì)日趨成熟，高風(fēng)速區(qū)發(fā)電日漸飽和，清潔能源的需求日漸增多，低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)葉片技術(shù)的發(fā)展就顯得越來越重要。因此，研究低風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)葉片具有重要意義。

低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀：

目前一般對(duì)于低風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)的優(yōu)化，國(guó)內(nèi)外主流研究方法是采用變速變槳控制方法，對(duì)于在低風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)運(yùn)行采用獲取最佳漿距角的方法來獲得最大的輸出功率[3]。還有就是對(duì)于大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷分析，通過降低風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)載荷來獲取低風(fēng)速下的較大的輸出功率[4]。幾乎很少有人將研究目光轉(zhuǎn)回到風(fēng)力機(jī)葉片，對(duì)于葉片本身進(jìn)行優(yōu)化。

由于對(duì)低風(fēng)速下獲取最優(yōu)功率的變速變槳優(yōu)化以及氣動(dòng)載荷分析都已有太多人研究，已經(jīng)很難有什么太大的進(jìn)展，因此我們根據(jù)仿生學(xué)原理，據(jù)觀察鳥兒無論在風(fēng)速多么低的情況下，都能夠穩(wěn)定的飛行[5]，所以本文的靈感就來自于鳥兒的翅膀。

從上圖可以看出，鳥兒飛翔時(shí)，其翅膀會(huì)彎掠一定的角度，所以本文的研究思路就是將葉片進(jìn)行一定的彎掠，在低風(fēng)速下數(shù)值模擬出其各種氣動(dòng)性能，與一般情況下的風(fēng)力機(jī)葉片進(jìn)行對(duì)比分析，觀察其是否有所改善。

經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算得出以下結(jié)論：

1、在低風(fēng)速范圍內(nèi)，彎掠翼葉片相較于直葉片其二維截面表面壓力系數(shù)最高值會(huì)有所降低，表明彎掠葉片可以降低葉片表面的壓力。

2、彎掠翼型葉片氣動(dòng)性能在相對(duì)較高的風(fēng)速下，其氣動(dòng)性能與輸出功率相較于普通葉片沒有優(yōu)勢(shì)，甚至有所下降，但是對(duì)于低風(fēng)速情況，其氣動(dòng)性能與輸出功率有明顯的改善。

3、在低風(fēng)速運(yùn)行范圍內(nèi)，彎掠翼風(fēng)力機(jī)相較于普通風(fēng)力機(jī)而言，其受到的軸向推力較低于普通風(fēng)力機(jī)。

4、彎掠形狀的葉片在其運(yùn)行時(shí)會(huì)在葉尖處產(chǎn)生特殊的葉尖效應(yīng)，從而使得葉尖部分翼型的升力變大，表面壓力變大，從而提高其在低風(fēng)速下的運(yùn)行效率。

5、在低風(fēng)速運(yùn)行范圍內(nèi)，由于葉片的特殊彎掠形狀，使得其在運(yùn)行時(shí)有效攻角變大，從而使得風(fēng)力機(jī)的輸出功率變大。這是彎掠翼葉片在低風(fēng)速下能夠有效運(yùn)行的最主要原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]遲遠(yuǎn)英.基于低碳經(jīng)濟(jì)視角的中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[D].吉林大學(xué)，2008.

[2]國(guó)家能源局.2018年風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行情況[EB/OL].http：//www.nea.gov.cn/2019-01/28/c_137780779.htm，2019-01-28

[3]王浩煜，朱發(fā)文，劉洋華，齊敏，谷明非，鄭美銀.低風(fēng)速條件下變速變槳風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技視界，2017（05）：13-15+49.

[4]張釗.大型水平軸風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及氣動(dòng)載荷分析[D].蘭州理工大學(xué)，2013.

[5]王峰.低風(fēng)速風(fēng)力機(jī)彎掠葉片優(yōu)化及CFD分析[D].揚(yáng)州大學(xué)，2017.

（作者單位：江蘇省揚(yáng)州市揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津東校區(qū)）