淺析風能工程中流體力學問題的研究現狀和發展

康帥 郭祥偉

摘 要：近些年來，我國風力發電產業的發展非常迅猛，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展，風力能源早已從大陸上發展到海洋上了，這些進步給風力發電的發展也帶來一些新的問題。本課題將簡要分析和總結當前風能工程的研究現狀及所獲得的成就，并對提出風電技術的缺點及糾正方法。

關鍵詞：風力發電；流體力學；風電技術；

一、風能工程中流體力學問題的研究現狀和發展

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

當前流體力學的關鍵探索內容，是全面考量各種影響因素間的互相作用，開發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，較短時間內流體理論獲得突破性的發展的可能幾乎為零， 風洞試驗和環境檢測指數能夠對某些流體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。從未來的發展來說，流體力學的計算技術依然是將來發展的大方向。原因有以下兩點：一是流體力學有較為廣泛的應用范圍。不管是風力場、海洋氣流還是風力發電機的流體力場的問題，都能夠用流體力學來解決。二是電腦技術的迅猛發展。作為新時代科學技術中較為新進的領域，電腦新舊交替的速率是別的科學技術所不可相比的。在國內，國防科技大學的超級計算機早就可以解出上千億網格規模的流體力學問題。而國外，早就有解出上萬億網格規模的報告了，因此直接解決技術中出現的問題比預計的時間要早很多。

實事上，風力發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、不一樣的氣候條件下風力能源的多元性，風力發電機的規劃需要在這樣不穩定的環境下進行。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等也具有非常大的不穩定性。對于這種牽涉眾多學科且不穩定性大的體系，應采取錢學森想出的多層次工程措施來展開風電機組的規劃。例如增強架構、用料和監控規劃，減少流體不穩定性的消極干擾。對于特別大的風力發電機組，當前正開發一些高新的操縱技術，例如獨立變槳操縱、早先變槳操縱等，利用感應流體流速的具體改變，調節葉片的夾角，讓整個風力發電組越發的智能化，能夠有效的減輕葉片的流體負荷。在架構和用料方面，利用彎扭耦合的流體裁剪設計，使的葉片形態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，與航天技術方面的成績相比較，風電方面的流體力學的探索成就就顯得相對單薄了些。雖然風力發電產業的進展非常迅猛，裝機總量早已位居全球之首，變成了真正意義上的風力發電大國。但風力發電的技術和能力的差別還是很大的。核心技術方面的設計仍然依靠著國外，缺少自主研發的軟件。在探索方面，與國際先進的科學技術還有很大的距離，在風電力學問題的探索中還沒有得到自創性的成就。一方面是因為我國在大型風力發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注產業化，對基礎的探究投資不足，缺少專業的研發團隊。

從現在的狀況來看，我國在風電領域的探究有下列幾個問題：

（1） 生產、學習和研究間的協調不充足，高校和科研單位沒能對我國風力發電產業的相關問題進行探究，探究不細致，與生產相分離，而企業卻不具備解決問題的效能，不注重基礎理論的探究；

（2） 我國科研團隊較為分散，探究課題重疊，缺少合作創造；

（3） 探究結果分散且沒能合理運用，造成產業的設計軟件大多源自國外；

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

為推進我國從風力大國朝著風力強國的發展，急需在基礎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，應運用以下幾個方面的方法：

（1） 搭建基礎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，推動海洋風力發電技術的進步。

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

（3） 加大企業和研究所的協作，激勵企業增加基礎探究的投資，與科研單位聯合展開核心技術研究。

（4） 搭建國家級試驗平臺，專業的研發團隊，發揮產業的合作，領導國內研發成就的集合。

總之，風電行業是一個具有發展前景的行業，風電技術仍需要持續進步。我國早已是全球風電產業的重要組分，但基礎技術依然落后，需要在眾多方面加以改進，進而推動國內風電技術的快速發展。

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