低風速下風力機彎掠葉片優化研究

沙成龍 宗旺旺 王仁杰 錢海俁 石容坤

【摘 ?要】我國幅員遼闊，風能資源豐富，但是大部分地區年均風速較低，達不到一般風力機投入正常工作的額定風速，因此，絕大部分地區的風能資源都被浪費，嚴重制約了我國風力發電行業的發展。本文針對低風速下風能利用不足的情況，對于風力機進一步優化，主要是根據仿生學原理，利用ICEM CFD網格劃分軟件、FLUENT流體計算軟件進行數值模擬，從而對彎掠葉片進行優化研究。

【關鍵詞】風力機;低風速;彎掠翼;數值模擬

主體：

國內風電發展：

我國自改革開放以來，隨著經濟的飛速發展，工業生產對能源的需求呈指數型增長。從我國能源消費現狀來看，雖然整體能源消費仍以煤炭、石油、天然氣等為主，但我國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。同時，燃燒煤炭、石油等化石燃料的過程中產生了大量CO2、SO2、粉塵等對大氣造成嚴重污染的主要來源物。因此，為了解決供不應求的能源現狀，以及嚴峻的環境污染問題，開發和利用新型可再生能源是大勢所趨[1]。

據行業統計，2018年，我國新增并網風電裝機2059萬千瓦，累計并網裝機容量達到1.84億千瓦，占全部發電裝機容量的9.7%。如圖1-1所示，2018年風電發電量3660億千瓦時，占全部發電量的5.2%，比2017年提高0.4個百分點[2]。

由此可見，國內外對于可再生能源，尤其是風能的開發與利用愈發重視，技術也逐步走向成熟，風電產業鏈愈發完善，風力發電的成本也趨近于火力發電成本?？梢灶A見，風能等可再生能源占世界能源消耗的比重會越來越大，直至有一天能完全取代化石能源，從而形成一個更加穩定、清潔、安全的電力系統網絡。

據了解，全國范圍內可利用的低風速資源面積約占全國風能資源的七成左右，且均接近電網負荷的受端地區。由我國風能資源分布圖可以看出我國大部分地區都是處在低風速地區中。

從上圖我國風能資源主要分布在三北地區和東南沿海，其他大部分地區都是處在低風速甚至是超低風速地區。隨著高風速直葉片的設計日趨成熟，高風速區發電日漸飽和，清潔能源的需求日漸增多，低風速風力機葉片技術的發展就顯得越來越重要。因此，研究低風速下風力機葉片具有重要意義。

低風速風力機發展現狀：

目前一般對于低風速下風力機的優化，國內外主流研究方法是采用變速變槳控制方法，對于在低風速下的風力機運行采用獲取最佳漿距角的方法來獲得最大的輸出功率[3]。還有就是對于大型風力機進行風力機的氣動載荷分析，通過降低風力機的氣動載荷來獲取低風速下的較大的輸出功率[4]。幾乎很少有人將研究目光轉回到風力機葉片，對于葉片本身進行優化。

由于對低風速下獲取最優功率的變速變槳優化以及氣動載荷分析都已有太多人研究，已經很難有什么太大的進展，因此我們根據仿生學原理，據觀察鳥兒無論在風速多么低的情況下，都能夠穩定的飛行[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，其翅膀會彎掠一定的角度，所以本文的研究思路就是將葉片進行一定的彎掠，在低風速下數值模擬出其各種氣動性能，與一般情況下的風力機葉片進行對比分析，觀察其是否有所改善。

經過數值模擬計算得出以下結論：

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

2、彎掠翼型葉片氣動性能在相對較高的風速下，其氣動性能與輸出功率相較于普通葉片沒有優勢，甚至有所下降，但是對于低風速情況，其氣動性能與輸出功率有明顯的改善。

3、在低風速運行范圍內，彎掠翼風力機相較于普通風力機而言，其受到的軸向推力較低于普通風力機。

4、彎掠形狀的葉片在其運行時會在葉尖處產生特殊的葉尖效應，從而使得葉尖部分翼型的升力變大，表面壓力變大，從而提高其在低風速下的運行效率。

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

參考文獻：

[1]遲遠英.基于低碳經濟視角的中國風電產業發展研究[D].吉林大學，2008.

[2]國家能源局.2018年風電并網運行情況[EB/OL].http：//www.nea.gov.cn/2019-01/28/c_137780779.htm，2019-01-28

[3]王浩煜，朱發文，劉洋華，齊敏，谷明非，鄭美銀.低風速條件下變速變槳風力機葉片的優化設計[J].科技視界，2017（05）：13-15+49.

[4]張釗.大型水平軸風力機葉片氣動優化設計及氣動載荷分析[D].蘭州理工大學，2013.

[5]王峰.低風速風力機彎掠葉片優化及CFD分析[D].揚州大學，2017.

（作者單位：江蘇省揚州市揚州大學揚子津東校區）