风能利用效率研究综述与思考

2022-03-04马雨晗章易程张楚瑶郭明洁陈俊右张海垚刘斯睿

科技创新与应用 2022年23期

关键词：垂直轴风力机风场

马雨晗，章易程，张楚瑶，郭明洁，陈俊右，张海垚，刘斯睿

（中南大学交通运输工程学院，长沙 410083）

风能作为一种清洁能源，是目前重点开发的能源之一。目前，风力机风能利用率为38%左右，距贝茨理论提出的极限值59.3%仍有很大的可提升空间[1]。在风能发电技术的研究中，如何提高风能发电的效率是关键问题。

根据研读的国内外文献，本文主要从风力机与风场2个方面对风力机效率进行研究。

1 风力机

风力机的研究主要集中在叶片的形状、叶片附属结构与聚风装置3个方面。

1.1 叶片的形状

下面从风力机的水平轴与垂直轴方面分别介绍。

1.1.1 水平轴式

汪泉[2]利用粒子群算法，采用不同的翼型型线构造方法，研究表明：叶片的光滑连续性越好，叶片的气动性能越好。李星星[3]采用混合设计方法优化、构建翼型优化设计的方法，提出了4种相对厚度为45%以上的大厚度钝尾缘翼型，叶片中部翼型具有最优的综合气动性能。刘方圆[4]受生物翼型的启发，采用S-A模型，搭建室内风力机效率测试试验台，提出25%家燕翼型改进叶片、35%家燕翼型改进叶片和50%海鸥翼型对改进叶片的性能提高最为明显。Paranjape等[5]针对扩散增强式风力涡轮机（DAWTs）的截面形状，通过求解2个维度的不稳定雷诺-平均纳维尔-斯托克斯（URANS）方程描述DAWTs的性能，研究表明：使DAWTs获得最大速度的翼型是Eppler 423。

Phillip等[6]针对双翼风力涡轮机叶片，采用数值优化的方法，量化叶片性能，提出双翼型叶片比单平面叶片更轻，且节省叶片材料、减少后缘加固，更具成本效益。姚奇[7]基于现有仍待改善的Magnus叶片，采用FLUENT软件仿真的方法，研究表明：影响Magnus叶片特性的最主要参数为雷诺数和周速比，增加头部和尾翼结构可得到更好的性能。

贾亚雷[8]针对目前单纯优化风力机叶片的翼型参数，对风力机的性能提高效果已经不明显的问题，采用CFD方法和改进的BEM理论进行气动性能的计算和比较，提出了在风力机尾缘添加分离式尾缘襟翼的设计方案，并得到最佳襟翼长度、襟翼偏转角度、襟翼缝隙大小。

1.1.2 垂直轴式

在垂直轴式风力机的叶片翼型设计方面，韩立[9]采用遗传算法进行翼型的几何优化和反设计，用gambit建立风力机的三维模型，得到了FLUENT模拟优化后最大厚度和面积不小于初始翼型且曲线保持平滑新的翼型。向斌等[10]同样针对垂直轴式风力机的翼型问题，采用非定常雷诺平均（URANS）方程进行数值求解，提出在翼型尾缘采用主动式格尼襟翼，能使垂直轴风力机最佳尖速比降低2.5。

此外，也有学者从叶片表面粗糙情况的角度入手进行了研究。韩成荣[11]针对叶片表面粗糙带设计的问题，采用风洞实验和数值模拟结合和流场分析的方法，提出了在粗糙带设计上，间距高度较大、粗糙元高度为1 mm时效果最好，同时粗糙元高度对风力机C p值的影响比间距高度比大的结论。

由于现有直线翼垂直轴式风力机在低风速下存在启动性不好、气动特性输出不佳的问题，研究学者们提出了一种性能更佳的升阻复合型垂直轴风力机，并对其叶片作出了研究。

冯放[12]采用风洞气动特性试验、风轮流场特性PIV试验以及风力机样机现场测试的方法，研究表明：新型升阻复合启动结构（LDCS）气动特性随尖速比变化规律呈先升高再下降趋势，功率系数峰值出现在尖速比0.6时。和庆斌[13]运用数值计算和风洞试验，提出内层叶片沿半径方向的安装位置对风轮力矩特性及功率特性的改善效果在半径比为0.7时最佳；以椭圆压缩比为1.6的椭圆弧线为展开轮廓时具有较好力矩特性。

1.2 叶片的附属结构

咸立德[14]通过理论分析设计，提出一种在叶片上设置可在固定方向展开到最大180°，也可以在风力作用下反方向合拢的开合式装置的设计方案。李岩等[15]利用数值模拟方法，提出了在直线翼垂直轴风力机叶片后部尾流区域安装辅助小翼，并确定了弦长比为0.4，相对夹角为14°的最佳改进方案。赵畅[16]采用数值模拟技术、风洞试验和PIV可视化试验，提出了在不同工况和安装角条件下，选择厚度较为接近主叶片的辅助小翼时对提高气动性能最有优势。

白悦荻等[17]采用转矩测量、风洞试验和PIV可视化试验的方法，提出了一种阻力风杯结构，并证实了该结构能减弱升力叶片尾部的旋涡，并产生作用于风轮转轴的扭矩。

1.3 聚风装置

咸立德[14]采用数值分析、风洞试验的方法，提出了一种风向诱导墙的设计方案，分析证实了该方案可以增加动力、扩大受风面积。赵守阳[18]利用B样条曲线生成方法、三维数值模拟计算和风洞试验的方法，对比聚风型、非聚风型风力机的启动特性、转速特性和输出特性，提出了一种曲线外形聚风装置。丁国奇[19]制作模型并进行风洞试验，提出了一种圆台形聚风装置的设计，并得出与风轮间距约为0.02 m、装置直径等于风轮直径、安装角度随风速变化时，能够获得最大聚风效果。

2 风场

风场的研究主要集中在陆地、海上和建筑物3方面。

2.1 陆地

针对陆地上风力机的布局问题，刘颖等[20]分析机组间尾流效应的一般规律，总结出风电机组布局的基本原则，并分析了沿海、戈壁滩和山区等特殊地形的合理布局方式。

对于高原地区，赵斌等[21]就高原地区的空气密度低影响风力机运行的问题，采用理论分析、数值模拟方法，对比海拔4 000 m处及标准状态两种空气密度下风力机的出力特性，研究表明：空气密度对风能利用系数影响较小，对输出功率影响较大，并提出风轮改进设计方法。李萌[22]针对高原地区高海拔、雷击与日照对风力机有较大影响的问题，改进风力机的结构与电气设计，总结出利用变桨距角调节技术、变速控制技术应对高原空气密度频繁变化造成的功率下降与功率波动问题等适用于高原地区的风力机设计方法。

对于山丘地区，Emmanouil等[23]针对风力机微观布置上，现有的几何结构不够精确的问题，采用真实试验场地比例模型实验、PIV测量的方法，提出了一个复杂地形与风力机耦合的风洞研究设计，能够更好地验证尾流行为和涡轮性能。王婷婷[24]针对山地丘陵地区风速风压分布不规律的问题，采用CFD数值模拟方法，选取轮廓线方程为正弦模型的典型山丘为计算模型，提出了对风力机布置的参考性建议：山丘上游存在障碍物时，侧面比较适合安装风力机，因山丘侧面风速度变化不大，受障碍物影响较小；而山丘迎风面、背风面即障碍物与山丘之间不适合安装风力机。端和平等人[25]针对对称山丘地形与单台风力机间诱导流场的耦合作用，采用致动盘理论和RANS方法，通过分析不同方案所对应的风力机尾流区不同距离的轮毂高度处的径向风速与湍流强度的分布，提出了在对称山丘地形中应将风力机布置在山顶处。

2.2 海上

利用海上的风能资源也需要对风力机进行改进。孙振业[26]针对海上风力机的翼型设计问题，基于翼型集成表达理论和CFD工具，采用改进的遗传算法对相对厚度为18%的翼型进行优化设计，编程集成ICEM和FLUENT，并完成翼型生成、大变形网格重构、边界条件生成和流场解算，并验证了改进后的翼型有较高升力系数和升阻比。任年鑫[27]基于二维Navier-Stokes方程及k-ωSST湍流模型，应用滑移网格技术对大型海上风力机的主流二维翼型的气动性能进行数值模拟，提出了新型张力腿-锚缆。