風能利用效率研究綜述與思考

馬雨晗，章易程，張楚瑤，郭明潔，陳俊右，張海垚，劉斯睿

（中南大學 交通運輸工程學院，長沙 410083）

風能作為一種清潔能源，是目前重點開發的能源之一。目前，風力機風能利用率為38%左右，距貝茨理論提出的極限值59.3%仍有很大的可提升空間[1]。在風能發電技術的研究中，如何提高風能發電的效率是關鍵問題。

根據研讀的國內外文獻，本文主要從風力機與風場2個方面對風力機效率進行研究。

1 風力機

風力機的研究主要集中在葉片的形狀、葉片附屬結構與聚風裝置3個方面。

1.1 葉片的形狀

下面從風力機的水平軸與垂直軸方面分別介紹。

1.1.1 水平軸式

汪泉[2]利用粒子群算法，采用不同的翼型型線構造方法，研究表明：葉片的光滑連續性越好，葉片的氣動性能越好。李星星[3]采用混合設計方法優化、構建翼型優化設計的方法，提出了4種相對厚度為45%以上的大厚度鈍尾緣翼型，葉片中部翼型具有最優的綜合氣動性能。劉方圓[4]受生物翼型的啟發，采用S-A模型，搭建室內風力機效率測試試驗臺，提出25%家燕翼型改進葉片、35%家燕翼型改進葉片和50%海鷗翼型對改進葉片的性能提高最為明顯。Paranjape等[5]針對擴散增強式風力渦輪機（DAWTs）的截面形狀，通過求解2個維度的不穩定雷諾-平均納維爾-斯托克斯（URANS）方程描述DAWTs的性能，研究表明：使DAWTs獲得最大速度的翼型是Eppler 423。

Phillip等[6]針對雙翼風力渦輪機葉片，采用數值優化的方法，量化葉片性能，提出雙翼型葉片比單平面葉片更輕，且節省葉片材料、減少后緣加固，更具成本效益。姚奇[7]基于現有仍待改善的Magnus葉片，采用FLUENT軟件仿真的方法，研究表明：影響Magnus葉片特性的最主要參數為雷諾數和周速比，增加頭部和尾翼結構可得到更好的性能。

賈亞雷[8]針對目前單純優化風力機葉片的翼型參數，對風力機的性能提高效果已經不明顯的問題，采用CFD方法和改進的BEM理論進行氣動性能的計算和比較，提出了在風力機尾緣添加分離式尾緣襟翼的設計方案，并得到最佳襟翼長度、襟翼偏轉角度、襟翼縫隙大小。

1.1.2 垂直軸式

在垂直軸式風力機的葉片翼型設計方面，韓立[9]采用遺傳算法進行翼型的幾何優化和反設計，用gambit建立風力機的三維模型，得到了FLUENT模擬優化后最大厚度和面積不小于初始翼型且曲線保持平滑新的翼型。向斌等[10]同樣針對垂直軸式風力機的翼型問題，采用非定常雷諾平均（URANS）方程進行數值求解，提出在翼型尾緣采用主動式格尼襟翼，能使垂直軸風力機最佳尖速比降低2.5。

此外，也有學者從葉片表面粗糙情況的角度入手進行了研究。韓成榮[11]針對葉片表面粗糙帶設計的問題，采用風洞實驗和數值模擬結合和流場分析的方法，提出了在粗糙帶設計上，間距高度較大、粗糙元高度為1 mm時效果最好，同時粗糙元高度對風力機C p值的影響比間距高度比大的結論。

由于現有直線翼垂直軸式風力機在低風速下存在啟動性不好、氣動特性輸出不佳的問題，研究學者們提出了一種性能更佳的升阻復合型垂直軸風力機，并對其葉片作出了研究。

馮放[12]采用風洞氣動特性試驗、風輪流場特性PIV試驗以及風力機樣機現場測試的方法，研究表明：新型升阻復合啟動結構（LDCS）氣動特性隨尖速比變化規律呈先升高再下降趨勢，功率系數峰值出現在尖速比0.6時。和慶斌[13]運用數值計算和風洞試驗，提出內層葉片沿半徑方向的安裝位置對風輪力矩特性及功率特性的改善效果在半徑比為0.7時最佳；以橢圓壓縮比為1.6的橢圓弧線為展開輪廓時具有較好力矩特性。

1.2 葉片的附屬結構

咸立德[14]通過理論分析設計，提出一種在葉片上設置可在固定方向展開到最大180°，也可以在風力作用下反方向合攏的開合式裝置的設計方案。李巖等[15]利用數值模擬方法，提出了在直線翼垂直軸風力機葉片后部尾流區域安裝輔助小翼，并確定了弦長比為0.4，相對夾角為14°的最佳改進方案。趙暢[16]采用數值模擬技術、風洞試驗和PIV可視化試驗，提出了在不同工況和安裝角條件下，選擇厚度較為接近主葉片的輔助小翼時對提高氣動性能最有優勢。

白悅荻等[17]采用轉矩測量、風洞試驗和PIV可視化試驗的方法，提出了一種阻力風杯結構，并證實了該結構能減弱升力葉片尾部的旋渦，并產生作用于風輪轉軸的扭矩。

1.3 聚風裝置

咸立德[14]采用數值分析、風洞試驗的方法，提出了一種風向誘導墻的設計方案，分析證實了該方案可以增加動力、擴大受風面積。趙守陽[18]利用B樣條曲線生成方法、三維數值模擬計算和風洞試驗的方法，對比聚風型、非聚風型風力機的啟動特性、轉速特性和輸出特性，提出了一種曲線外形聚風裝置。丁國奇[19]制作模型并進行風洞試驗，提出了一種圓臺形聚風裝置的設計，并得出與風輪間距約為0.02 m、裝置直徑等于風輪直徑、安裝角度隨風速變化時，能夠獲得最大聚風效果。

2 風場

風場的研究主要集中在陸地、海上和建筑物3方面。

2.1 陸地

針對陸地上風力機的布局問題，劉穎等[20]分析機組間尾流效應的一般規律，總結出風電機組布局的基本原則，并分析了沿海、戈壁灘和山區等特殊地形的合理布局方式。

對于高原地區，趙斌等[21]就高原地區的空氣密度低影響風力機運行的問題，采用理論分析、數值模擬方法，對比海拔4 000 m處及標準狀態兩種空氣密度下風力機的出力特性，研究表明：空氣密度對風能利用系數影響較小，對輸出功率影響較大，并提出風輪改進設計方法。李萌[22]針對高原地區高海拔、雷擊與日照對風力機有較大影響的問題，改進風力機的結構與電氣設計，總結出利用變槳距角調節技術、變速控制技術應對高原空氣密度頻繁變化造成的功率下降與功率波動問題等適用于高原地區的風力機設計方法。

對于山丘地區，Emmanouil等[23]針對風力機微觀布置上，現有的幾何結構不夠精確的問題，采用真實試驗場地比例模型實驗、PIV測量的方法，提出了一個復雜地形與風力機耦合的風洞研究設計，能夠更好地驗證尾流行為和渦輪性能。王婷婷[24]針對山地丘陵地區風速風壓分布不規律的問題，采用CFD數值模擬方法，選取輪廓線方程為正弦模型的典型山丘為計算模型，提出了對風力機布置的參考性建議：山丘上游存在障礙物時，側面比較適合安裝風力機，因山丘側面風速度變化不大，受障礙物影響較小；而山丘迎風面、背風面即障礙物與山丘之間不適合安裝風力機。端和平等人[25]針對對稱山丘地形與單臺風力機間誘導流場的耦合作用，采用致動盤理論和RANS方法，通過分析不同方案所對應的風力機尾流區不同距離的輪轂高度處的徑向風速與湍流強度的分布，提出了在對稱山丘地形中應將風力機布置在山頂處。

2.2 海上

利用海上的風能資源也需要對風力機進行改進。孫振業[26]針對海上風力機的翼型設計問題，基于翼型集成表達理論和CFD工具，采用改進的遺傳算法對相對厚度為18%的翼型進行優化設計，編程集成ICEM和FLUENT，并完成翼型生成、大變形網格重構、邊界條件生成和流場解算，并驗證了改進后的翼型有較高升力系數和升阻比。任年鑫[27]基于二維Navier-Stokes方程及k-ωSST湍流模型，應用滑移網格技術對大型海上風力機的主流二維翼型的氣動性能進行數值模擬，提出了新型張力腿-錨纜。

2.3 建筑物

蔡元波[28]采用理論分析與CFD數值模擬相結合的方法，分析建筑物周圍三維風場的基本狀況，重點探討建筑物頂上方的風速與湍流強度隨高度的變化情況，提出了在建筑物頂安裝風力機的設計方案，確定了風力機的高度參數、布局方式和翼型的集合參數等。

3 結束語

現有的風力機和風場方面的研究對提高風能利用率起到了很好的促進作用，根據對國內外研究的思考，本文認為可以在以下幾個方面進行研究，以提高風力機的效率。

（1）為了進一步利用風力機后的風能，可以在風力機的后面設置小型的風力機接收低速風的風能。為此，有必要研究大、小不一的風力機優化布局問題，以實現風能最大程度的利用。

（2）由于我國大多數地區受到季風氣候的影響，其風場特點往往隨季節變化而變化，所以有必要研究風向誘導墻與風力機的自適應方案，使其能隨風向變化進行動態改變，從而適應不同天氣和季節的風場變化，使風能在每個季節都能得到最大程度的利用。

（3）由于建筑物之間的狹窄風道具有聚風效果，可能產生高速流動的風，所以有必要研究如何安裝風力機接收穿行該狹窄風道風的風能問題，甚至可以在進行建筑群設計的時候就考慮風力機接收風能的設計。