風電機組葉片安裝渦流發生器對發電量的影響

［摘 要］文章研究了不同容量風電機組葉片安裝渦流發生器后對發電量的影響。實驗選取了不同容量的風電機組作為研究對象，通過對比分析安裝渦流發生器前后的發電量數據，發現渦流發生器在小容量機組上的提效效果一般，而在大容量機組上則表現出明顯的提效效果，特別是在2 MW 以上機組中，渦流發生器的應用能夠顯著提升發電量。

［關鍵詞］風電機組；葉片；渦流發生器；發電量

［中圖分類號］TM315 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0103–02

在面臨能源安全和環境污染等多重挑戰的背景下，風電作為一種可大規模開發利用的清潔能源，得到了迅速發展。隨著技術的不斷革新和電力需求的持續增長，風力發電機組的大型化趨勢愈發明顯。然而，這一趨勢也帶來了一系列新的挑戰，尤其是對葉片結構安全的考量。為了保證結構的安全穩定，葉片靠近葉根的部分多采用了厚翼型設計。但厚翼型本身容易產生流動分離，降低風力機對風能的吸收效率。因此，如何控制流動分離、減小葉片阻力，已成為風力機氣動研究領域的核心問題。

文章針對某風電場內的某機組進行了渦流發生器安裝效果的現場測試，著重探尋了不同容量下風電機組葉片在安裝渦流發生器后對于發電量的影響，旨在為風力機葉片的優化設計提供有力的依據和參考。

1 渦流發生器原理及其在風電機組中的應用

1.1 渦流發生器的工作原理

渦流發生器是一種小展弦比翼型，以特定的安裝角垂直地安裝在機體表面。在迎面氣流中，渦流發生器會產生翼尖渦，由于其展弦比較小，這種翼尖渦的強度相對較高。這種高強度的翼尖渦能夠有效地促進邊界層外高動能流體與邊界層內低動能流體的混合。通過增加邊界層內流體的動量和能量，渦流發生器能夠推遲或消除邊界層的分離，從而實現增加升力、減少阻力的效果。

渦流發生器的類型多種多樣，常見的有矩形、梯形及三角形等形狀。盡管不同形狀的渦流發生器對翼型的升力提升量差異不大，但其在影響翼型阻力方面卻有所不同。其中，三角形渦流發生器的升阻比表現最為優異。因此，在文章的實驗中，選擇了三角形渦流發生器進行研究。

1.2 渦流發生器對風電機組葉片氣動性能的影響

為了進一步探究渦流發生器對風電機組葉片氣動性能的影響，本研究以目標風場機組葉片9 m 處的翼型截面為例，結合項目實際風況，深入研究了安裝渦流發生器前后翼型附近流線的變化，如圖1 所示。

在未安裝渦流發生器時，翼型吸力面出現了明顯的氣流分離現象，并形成了尾渦。這種氣流分離不僅會降低翼型的升力系數，還會增加阻力，從而降低風電機組葉片的整體氣動性能。而安裝渦流發生器后，該現象得到了顯著改善。

在不同風速條件下，風力機葉片吸力面上的流線分布狀況呈現出明顯的變化。在風速為8 m/s 和10 m/s的較低情況下，葉片吸力面除了葉根處的極小范圍外，其余部分都維持著附著流動狀態，沒有出現流動分離。然而，當風速提升至12 m/s 時，葉根處的流動分離區域開始擴大，葉片中部的尾緣也開始出現輕微的流動分離現象，而葉尖部分仍然保持附著流動。

渦流發生器作為一種經濟、高效且易于實施的技術手段，被證明是延緩風力機葉片分離區域的有效方法。針對風電機組，安裝適當長度的渦流發生器可以顯著提高其功率輸出和效率，從而實現增功增效的目標。這一技術的應用不僅具有較低的成本和較短的實施周期，而且安全風險相對較小，操作便捷，因此在風電機組優化中具有廣闊的應用前景。

2 實驗設計與方法

2.1 實驗對象的選擇與分組

2.1.1 小容量風電機組

本實驗中選擇了裝機容量為0.85 MW的風電機組作為小容量實驗對象。這一范圍內的機組在風電行業中應用廣泛，特別是在家庭、農村、工業園區及偏遠地區等場所。小容量風電機組參數見表1。

2.1.2 大容量風電機組

對于大容量機組，本實驗選取了裝機容量為2.2 MW 上的風電機組，這些機組通常安裝在平坦的土地上或近海的淺水區，對葉片的氣動性能要求極高。大容量風電機組參數見表2。

2.2 實驗內容

（1）選取兩組具有代表性的風電機組，一組為小容量機組，另一組為大容量機組。兩組機組的運行環境均經過嚴格篩選，確保其在實驗期間內的氣候條件、地形因素及機組間的相互影響等外部因素保持一致。此外還對機組的其他關鍵參數進行了詳細記錄，如輪轂高度、額定功率、額定風速等，以便后續的數據分析。

（2）在兩組機組的葉片上分別安裝渦流發生器。渦流發生器的設計、尺寸及安裝位置均經過計算和選擇，以確保其能夠最大限度地發揮效能。安裝過程嚴格遵守操作規程，確保渦流發生器與葉片之間的連接牢固可靠。

（3）通過風電場的監控系統和測風塔提供的數據，記錄了安裝渦流發生器前后機組的發電效率、風速響應、功率曲線等關鍵指標。

2.3 數據采集及篩選

本實驗嚴格按照IEC 61400-12-1—2005《風力渦輪機一第12-1 部分：發電風力渦輪機功率性能測量》進行了數據篩選和處理。為了排除鄰近風電機組尾流對測風塔和被測機組可能產生的影響，根據標準計算得出，有效風向扇區應限制在22°～128°。在這個扇區范圍外的風向數據將被視為無效數據，并在后續的數據處理和分析中予以剔除。

此外，以下幾種情況下的數據也被視為無效數據，并在分析前進行了剔除。

（1）風電機組處于停機狀態。

（2）風電機組處于故障狀態，其運行狀態異常。

（3）傳感器或測量系統出現問題時。

（4）風向數據不在設定的有效風向扇區范圍內，即超出22°～128° 這個范圍。

3 實驗結果與分析

根據技改前后同一時段的監測，得到大小風電機組的相關發電量數據，具體見表3、表4。

由表3、表4 可知，加裝渦流發生器的技改對提高風電機組的發電量具有積極作用，技改后的發電量均有所提升。

4 結束語

葉片安裝渦流發生器后，其效果在不同容量的風電機組上存在顯著差異。在小容量機組上，渦流發生器的提效效果一般，這可能是由于小容量機組的葉片尺寸較小，氣流特性相對簡單，渦流發生器的優化空間有限。在大容量機組，特別是2 MW 以上的機組中，渦流發生器的應用效果顯著提升。

參考文獻

[1] 易禮毅，凡盛，胡杰樺，等. 安裝渦流發生器的風電機組氣動性能的仿真分析[J]. 太陽能，2022（10）：53-58.

[2] 李曉輝，王曉東，姚加桂，等. 平臺縱搖對漂浮式風電機組葉片氣彈特性的影響研究[J]. 風機技術，2023，65（2）：50-54.