擋流板對垂直軸風力機性能影響的試驗研究與分析

湯 維,黃惠蘭,李 剛,文 翔,王東林

（1.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004；2.廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧530004）

0 引言

隨著化石能源的碳排放以及環保問題日益嚴重，可再生能源的利用日益受到重視。其中，利用風能是緩解能源與環境危機的重要途徑[1]。垂直軸風力發電機由于其獨特的全方位性、緊湊性和在惡劣湍流中工作的能力得到了廣泛關注。

垂直軸風力發電機還存在著一些不足之處，導致目前能夠商業應用的風力機仍以水平軸風力發電機為主。針對這一現狀，研究者提出了各種輔助裝置或與建筑物相結合以改善風力機性能，提升發電功率。文獻[2]針對Savonius風力機采用了簾式擋流板設計，研究了擋流板的安裝長度和角度對風力機效率的影響。文獻[3]針對低風速區域的Savonius風力機使用收斂噴嘴作為來流風速增強裝置，研究結果表明，當噴嘴的長度為55 cm，進、出口比為0.15時，風速增加了3.7倍。文獻[4]基于錫斯坦風力發電機設計出了一種新型功率增強導葉（PAGV），試驗結果表明，當風速為3 m/s時，轉子的轉速提高了約73.2%，自啟動風速也從3 m/s降低到了1.5 m/s。文獻[5]提出將垂直軸風力機與建筑物相結合，安裝在屋頂和V形屋頂之間以改造現有建筑物。上述應用方案雖然改善了風力發電機的性能，但增加了裝置結構的復雜性以及制造成本，同時弱化了垂直軸風力機相較于水平軸風力機結構簡單，安全穩定性高的優勢。部分學者開始將擋流板與風力機相結合，既可提升風力機發電功率，并且成本較低，同時保持了其結構簡單這一優勢。曾俊[6]將一塊擋流板豎直放置于兩臺反向轉動的垂直軸風力機前方，研究擋流板的設置參數對兩臺垂直軸風力發電機獲能效率的影響。文獻[7]研究了前置擋流板與風輪之間的距離對風力機性能的影響。目前缺少對該種結構裝置的全面系統研究，且評估安裝擋流板時所使用的風能利用系數Cp計算方法并不恰當，以至于某些計算結果突破了貝茲極限，導致概念混淆[8]。本文通過試驗手段探究擋流板的安裝位置與角度對H型垂直軸風力機轉速以及發電功率的影響，同時考慮到來流風經擋流板后風場變得不均勻，提出了一種Cp的統計計算方法，以期合理評估此類聚風發電裝置。

1 垂直軸風力機性能參數

式中：T為風輪力矩；ρ為空氣密度；A為風輪迎風面積；P為風力機軸功率。

2 試驗模型及測試裝置

垂直軸風力機采用NACA0018翼型，弦長為75 mm，展長為540 mm，風輪半徑為260 mm，額定功率為30 W，額定轉速為300 r/min，額定工作風速為10 m/s，5個葉片分別在葉片的1/3和2/3展長處，與主軸連接，安裝角為6°。來流風由7臺700-4P管道式軸流風機提供，風機額定功率為3 kW，轉速為1 450r/min，風量為24 500 m3/h。將6臺風機分3層布置，為保證風場的均勻性，在與垂直軸風力機等高的第二層兩臺風機的空隙后方布置一臺風機，并將垂直軸風力機布置在前沿距風墻2 m遠處（圖1）。

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Experimental device

擋流板長為3D，寬為D，厚度為10 mm，D為風輪直徑。定義擋流板下端到風輪前沿的水平距離為X，擋流板上端到風輪前沿葉片底部距離為Y，擋流板與地面夾角為θ。試驗裝置效果圖如圖2所示。

圖2 試驗裝置效果圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

3 試驗方法與內容

在風輪迎風側與風輪等高處取一截面，寬為0.7 m，高為0.6 m。在兩條邊上每隔0.1 m取一個點，共42個測量點，測量來流風速。采用德圖testo405i熱敏風速儀，測量范圍為0～30 m/s。發電機轉動產生交流電，經橋式整流器轉變為直流電后連接至電子負載輸入端，使用電子負載恒定電阻模式測量發電功率，使用TM5641磁電式轉速傳感器測量風輪轉速。試驗分別選定X=0，R，2R和3R，Y=0，H/3，2H/3和H，θ=30，60，90°和120°的位置安裝擋流板，進行測量。

4 試驗結果及分析

4.1 確定來流風速

由于擋流板對來流風場產生了干擾，不能簡單選取測量點的平均風速作為此時的來流風速。假定每個位置的風速為一絕對均勻來流風場，求得在42個絕對均勻來流風場中風力機所處位置的風能，取其平均值得到平均風能。風力機的實質是將風動能轉化為機械能，可按積分將迎風面分解為微元，對每個微元處的風能積分然后求得此時的來流風能。最后將來流風能反向求解，所得風速即為前文所提到的等效風速，用于求解此時風力機的CP。

共測量3組數據求平均值，求得其等效風速為7.74 m/s，78.57%的測量點與等效風速的誤差在10%以內，最大誤差為18%。

4.2 安裝角為90°時不同位置處的試驗結果

分別選取X為0，0.26，0.52 m和0.78 m，與Y距離為0，0.18，0.36 m和0.54 m處的位置放置擋流板，改變電子負載測量發電功率隨風力機轉速的變化情況，并做出曲線圖（圖3）。

圖3 擋流板位于不同位置處的功率曲線圖Fig.3 Power curve of deflector at different positions

由圖3可知：前置擋流板所處位置對垂直軸風力機的發電功率影響較大；在Y=0 m時，不同X距離的最大功率均遠低于無擋流板時，隨著X距離的變化，曲線趨勢以及最大功率并無明顯變化，這是因為擋流板距離風輪過近時，形成的低風速范圍空間過大，影響到其他范圍內正常運行的葉片，所以降低了風能的獲取；在Y=0.18 m時，擋流板對風力機功率的負面影響減弱，隨著X距離的增大，風力機的最大功率逐步增大，在X=0.52 m處，功率曲線基本與無擋流板時相重合，在X=0.78 m處，功率增大，這是因為風輪掃掠區域逐步遠離擋流板后方的尾跡區域，擋流板對其迎風面的干擾逐步減小；當Y=0.36 m時，發電功率值增加最為明顯，同時對應曲線的范圍變大，說明風速利用區間變廣；當Y=0.54 m時，發電功率變化情況出現差異，X=0.52 m和0.78 m的功率較Y=0.36 m時開始下降，而X=0 m以及X=0.26 m的功率仍在增大，可以預測，當X距離持續增大時，其最大功率將不再繼續增大，而是逐漸接近無擋流板時。

隨著X的增大，Y距離的變化對發電功率的影響也呈現出先增大后減小的變化趨勢。當X=0 m時，Y=0 m與Y=0.54 m處的最大功率分別為11.47 W與16.29W，相差42.02%；當X=0.52m時，兩處的最大功率相差54.18%；當X=0.78 m時，兩處的最大功率相差48.71%。隨著X的增大，Y距離的變化對發電功率的影響也隨之減弱。這是由于擋流板放置在離風輪太近的地方造成了較大的流動阻礙和尾跡效應，其中風輪掃掠區域部分落入擋流板后面的尾跡區域，并經歷低速湍流。而當X增大后，擋流板對來流風的干擾逐漸減弱，越來越接近無擋流板時。

4.3 不同放置角度時的試驗結果

以X=0.52 m處為研究對象，分別測試不同安裝角度與不同Y距離對風力機功率的影響，結果 如圖4所示。

圖4 擋流板位于不同安裝角度處的功率曲線Fig.4 Power curve of deflector at different installation angles

由圖4可知：當θ=30°時，不同Y距離均未對發電功率造成明顯影響，功率曲線基本與無擋流板時相重合，這是由于來流風受到引導作用，流動方向發生了變化，使得流動阻塞和尾跡區域發生偏移，導致低風速范圍空間并未影響到葉片，所以風能的獲取并未受到干擾；當θ=60°時，在不同Y距離處發電功率曲線變化各異，Y=0 m時，最大功率為13.05 W，較無擋流板時減少了12.7%。隨著Y距離的增大，對功率曲線的負面影響逐漸降低，到Y=0.36 m處基本與無擋流板時相重合。當Y距離較小時，部分風輪運行區域與擋流板尾流區域發生重疊導致功率曲線發生變化。同時，由Y距離較小時最大功率降低可知，此時擋流板的尾流區域必定與風輪運行時的上風輪區域發生了重疊，因為若只干擾到下風輪區域，則風輪的負力矩將會減小，最大功率會大于無擋流板時。當θ=90°時，流動阻塞和尾跡效應影響風能的利用。隨著Y距離的增大，功率曲線逐步接近無擋流板時，甚至最大功率較無擋流板時增大了21.5%。這是由于此時擋流板的尾流區域和下風輪區域發生了重疊，風輪負力矩減小。隨著Y距離的增大這種干擾將會逐漸減弱，功率曲線最終將會與無擋流板時無異。當θ=120°時，Y=0.36 m與Y=0.54 m處的最大功率較90°時降低，而Y=0 m與Y=0.18 m時，功率則增大。

綜上可以得出，當前置擋流板以θ=90°安裝于X=0.52 m，Y=0.36 m處有最佳效果，該處為其最佳安裝位置。當擋流板位于該處時，風力機的最大功率為18.17 W，比無擋流板時的14.95 W高21.54%，同時風速利用區間也最大。

4.4 非均勻流場下C P的計算方法

無論是與建筑物相結合還是使用導葉、擋流板等裝置均對流場造成了極大的干擾。目前利用輔助裝置或與建筑物相結合提升風力機性能均是以CP來量化分析實際效果，往往得出CP增大甚至超越貝茲極限的結論。這會使人誤解發電功率的增大是由于CP增加所致，實際上是擋流板的存在對來流風場產生了干擾，從而影響來流風動能所致，對流場的這些干擾可以分為迎風面積改變和來流風場的改變兩大類。

這里分別選取發電功率效果最佳（X=0.52 m，Y=0.36 m，θ=90°）與效果最差（X=0.52 m，Y=0 m，θ=90°）兩處的功率曲線作為研究對象，測量有擋流板時風力機迎風面處的來流風，按兩種方法作λ-CP圖（圖5）。得出二者等效風速分別為8.45 m/s和7.49 m/s，較無擋流板時7.74 m/s的來流風速分別出現了增減。

圖5 兩種不同方法所得λ-C P圖Fig.5 C P diagram obtained by two different methods

由圖5可知：按7.74 m/s的來流風速作λ-CP圖時，三者之間的關系與功率曲線一致，功率最大的位置CP最高，功率最小的位置CP最低；按各自等效風速所作λ-CP圖則差別很大，尤其是擋流板在X=0.52m，Y=0.36m處時，雖然發電功率較無擋流板時明顯增大，但其CP卻出現了下降，λ-CP曲線的運行范圍也變小；當擋流板在X=0.52 m，Y=0 m處時，雖然發電功率較無擋流板時明顯降低，但λ-CP曲線的下降趨勢卻并沒有功率曲線那么顯著。兩種方法所得到的結果差別明顯，究其原因是擋流板對來流風場的干擾作用使得來流風發生了巨大變化。

圖6 來流風均勻性分布圖Fig.6 Uniformity distribution of incoming air

圖6為來流風均勻性分布圖。'

由圖6可看出：來流風的均勻性變差，當擋流板位于X=0.52 m，Y=0.36 m處時，風速與等效風速之間的誤差為10%以內的測量點所占比例由無擋流板時的78.57%降為47.6%，且出現了11.9%的點誤差超過20%；當擋流板位于X=0.52m，Y=0m處時，只有19%的誤差小于10%，甚至測量風速與等效風速之間的最大誤差達到了68.6%。各測量點之間的風速變化較大，來流風不均勻性增加，這也是添加擋流板后風力機CP降低的原因。

因此，當輔助裝置或者建筑物與風力機相結合時，應以功率或轉矩來量化分析實際效果。此外，功率增大并不意味著風能利用效率的提升，應該根據變化后的實際迎風面風速計算CP。添加擋流板后，風力機功率的變化主要是由于迎風面來流風速的改變所致，同時，由于擋流板對流場的擾動，使得來流風不均勻性增強，最終導致CP下降。

5 結論

本文采用試驗研究的方法，分析了前置擋流板的位置參數對垂直軸風力發電機發電功率的影響，并提出一種新的CP計算方法，得到以下結論。

①當前置擋流板以θ=90°安裝于X=0.52 m，Y=0.36 m處，對垂直軸風力機性能有最佳影響效果，風力機功率最大，比無擋流板時提升最多，風力機的最大功率為18.17 W，比無擋流板時高21.54%，此時風速利用區間也最大。

②擋流板距離風輪越近，對發電功率所造成的負面影響越明顯，隨著距離的增大，發電功率會逐漸上升甚至超過無擋流板時，但最終將會越來越接近無擋流板時。

③擋流板與地面的夾角將會使來流風的流動方向發生變化，使得流動阻塞和尾跡區域發生偏移，低風速范圍空間對風輪的影響趨勢發生變化。隨著角度的減小，距離對風力機發電功率的影響將會延后。

④當輔助裝置或者建筑物與垂直軸風力機相結合時，應該以功率或轉矩來量化分析實際效果。添加擋流板等輔助裝置后，功率增大并不意味著風能利用效率的提升，應該根據變化后的實際迎風面風速計算CP。