新型離網(wǎng)型風(fēng)力機(jī)氣動特性測試與分析

代元軍 ， 汪建文 ， 劉雄飛 ， 溫彩鳳 ，4， 車 飛

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源動力學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古可再生能源實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校，新疆 烏魯木齊 830091；4.內(nèi)蒙古呼和浩特職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

目前在石油、煤炭等傳統(tǒng)能源緊張的環(huán)境下，世界各國均將目光投向新能源領(lǐng)域，其中風(fēng)能倍受關(guān)注。風(fēng)力機(jī)葉片作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為動能的“心臟”，其設(shè)計直接決定著風(fēng)力機(jī)組的效率[1]，而翼型又是葉片的重要組成部分，因此，對風(fēng)力機(jī)翼型的設(shè)計是當(dāng)前風(fēng)力機(jī)空氣動力學(xué)研究的一個熱點，也是風(fēng)力機(jī)研究的基礎(chǔ)[2-5]。該文對采用不同翼型設(shè)計的風(fēng)力機(jī)在風(fēng)洞進(jìn)行了氣動特性實驗，得到了風(fēng)力機(jī)風(fēng)速功率特性曲線和風(fēng)速風(fēng)能利用系數(shù)曲線，然后利用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源數(shù)據(jù)和WAsP軟件在當(dāng)?shù)貙嶋H風(fēng)場的數(shù)字地圖上，建立模擬風(fēng)力機(jī)站[6]，求解風(fēng)力機(jī)的年發(fā)電量和單位面積年發(fā)電量，用以分析和評價不同翼型風(fēng)力機(jī)的性能好壞。

1 風(fēng)力機(jī)氣動特性實驗

1.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備主要由低速開口直流式風(fēng)洞、9033G測試模塊和風(fēng)力機(jī)等組成，如圖1所示。實驗風(fēng)洞為B1/K2直流式低速風(fēng)洞，分為開口段和閉口段，采用數(shù)字變頻技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)速，變頻器的變頻范圍為0~60.0 Hz。風(fēng)洞開口實驗段的圓形橫截面直徑為2.04 m，風(fēng)速調(diào)節(jié)范圍為0~18m/s。測試樣機(jī)1#風(fēng)力機(jī)是某公司生產(chǎn)的400W風(fēng)力機(jī)，2#風(fēng)力機(jī)是該課題組自行設(shè)計制造的采用新翼型S809的300 W風(fēng)力機(jī)，進(jìn)行氣動特性實驗，其參數(shù)見表1。

圖1 實驗設(shè)備

表1 風(fēng)力機(jī)參數(shù)

1.2 實驗方法

實驗按照GB/T 19068.3-2003《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第3部分：風(fēng)洞實驗方法》[7]和GB/T 19068.2-2003《離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第2部分：試驗方法》[8]，風(fēng)洞試驗在內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的B1/K2低速風(fēng)洞出口段進(jìn)行。該實驗具體采用的實驗方法是對兩種不同翼型的風(fēng)力機(jī)，改變來流風(fēng)速，改變電阻大小，得出不同尖速比下風(fēng)力機(jī)的輸出功率和功率系數(shù)，繪制風(fēng)速功率特性曲線和風(fēng)速功率系數(shù)曲線。

1.3 實驗結(jié)果及分析

由實驗得到的2個風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速功率特性曲線和風(fēng)速風(fēng)能利用系數(shù)曲線，如圖2和圖3。

圖2 風(fēng)速功率特性曲線

圖3 風(fēng)速功率系數(shù)曲線

從圖2可以看出，1#風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速12 m/s的輸出功率是405.3W，2#風(fēng)力機(jī)在額定風(fēng)速10m/s的輸出功率是303W，都達(dá)到設(shè)計工況要求。2#風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速3～14 m/s的范圍內(nèi)輸出功率明顯大于1#風(fēng)力機(jī)輸出功率。

從圖3可以看出，1#風(fēng)力機(jī)和2#風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)最大值都出現(xiàn)在5 m/s，分別為0.248和0.395。2#風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)和1#風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)風(fēng)速3～14 m/s的范圍變化趨勢相同，2#風(fēng)力機(jī)的功率系數(shù)明顯大于1#風(fēng)力機(jī)功率系數(shù)。

以上分析說明2#風(fēng)力機(jī)所采用的翼型能夠滿足風(fēng)力機(jī)的出力，同時提高了風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的利用率，達(dá)到了既追求輸出功率的增大，又追求在各風(fēng)速段較高的功率系數(shù)的設(shè)計要求。

2 風(fēng)譜圖建立和分析

風(fēng)譜圖是指某個區(qū)域獨立于地形地貌障礙物等因素之外的風(fēng)況特征。根據(jù)中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的2008年內(nèi)蒙古24個地區(qū)的風(fēng)資源數(shù)據(jù)，利用WAsP軟件進(jìn)行分析統(tǒng)計，選出具有代表特性的4個地區(qū)，分別是阿巴嘎旗、巴彥毛道、朱日和、海力素，對以上4個地區(qū)進(jìn)行分析，得到風(fēng)譜圖的相關(guān)參數(shù)，為計算風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量提供數(shù)據(jù)。

利用WAsP OWC Wizard工具，首先導(dǎo)入欲安裝風(fēng)力機(jī)地區(qū)1年的原始的按時間序列的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)；其次輸入取得風(fēng)資源數(shù)據(jù)的地點及設(shè)備距地面高度，主要是指實測點的經(jīng)度、緯度、當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)氣壓、溫度及海拔高度；然后設(shè)置單位換算系數(shù)和風(fēng)速的上下限以及16風(fēng)向方位；最后計算得到風(fēng)譜圖[9]。按照以上步驟分析得到內(nèi)蒙古阿巴嘎旗、巴彥毛道、朱日和、海力素4個地區(qū)2008年的風(fēng)譜圖，見圖4～圖7。從圖4～圖7可以看出4個地區(qū)的2008年平均風(fēng)速分別是阿巴嘎旗3.5 m/s，巴彥毛道3.98 m/s，朱日和4.19m/s，海力素4.94m/s。

3 風(fēng)機(jī)站的建立

圖4 2008年阿巴嘎旗地區(qū)風(fēng)譜圖

圖6 2008年朱日和地區(qū)風(fēng)譜圖

圖7 2008年海力素地區(qū)風(fēng)譜圖

首先，利用地圖編輯WAsP Map Editor工具在數(shù)字化圖板或地圖掃描圖形文件上，用鼠標(biāo)選取需要的地圖直接生成WAsP可以接受地圖文件；然后提供風(fēng)力機(jī)站的位置坐標(biāo)：阿巴嘎旗地區(qū)是北緯44.01°，東經(jīng) 114.57°，海拔高度 112.61 m；巴彥毛道地區(qū)是北緯40.10°，東經(jīng)104.48°，海拔高度132.39m；朱日和地區(qū)是北緯42.24°，東經(jīng)112.54°，海拔高度115.08 m；海力素地區(qū)北緯 41.24°，東經(jīng) 106.24°，海拔高度150.96m，按照給定坐標(biāo)在地圖上標(biāo)定風(fēng)力機(jī)站的位置；最后在風(fēng)力機(jī)站周圍根據(jù)實際情況選擇設(shè)置障礙物參數(shù)和地面粗糙度參數(shù)，由于風(fēng)力機(jī)安裝內(nèi)蒙古4個地區(qū)的戈壁、草原等非常開闊平坦的區(qū)域，阻風(fēng)物很少，障礙物參數(shù)的取值從最小的房屋建筑為0到最大的防風(fēng)樹林為0.5，故該文選取障礙物參數(shù)房屋建筑0，粗糙度1級（Z=0.003）[10]。

4 風(fēng)力機(jī)發(fā)電量計算及分析

利用2008年4個地區(qū)的年風(fēng)譜圖和兩種風(fēng)力機(jī)的功率特性曲線，通過計算得到兩種風(fēng)力機(jī)在4個地區(qū)的年發(fā)電量和單位面積年發(fā)電量，見圖8和圖9。

從圖8和圖9可以看出，2#風(fēng)力機(jī)無論在年平均風(fēng)速較小的阿巴嘎旗風(fēng)場，還是在年平均風(fēng)速較大的海力素風(fēng)場的單位面積年發(fā)電量明顯大于1#風(fēng)力機(jī)單位面積年發(fā)電量，說明2#風(fēng)力機(jī)采用新翼型的優(yōu)化設(shè)計提高了風(fēng)力機(jī)的輸出功率，也就是在實際風(fēng)場中提高了風(fēng)力機(jī)的單位面積的年發(fā)電量。通過計算分析，2#風(fēng)力機(jī)單位面積的發(fā)電量比1#風(fēng)力機(jī)單位面積年發(fā)電量在4個平均風(fēng)速由低到高的風(fēng)場分別提高了30.6%、29.1%、27.7%、26.5%，平均提高28.4%，說明2#風(fēng)力機(jī)的性能明顯優(yōu)于1#風(fēng)力機(jī)[11-12]。

圖8 風(fēng)力機(jī)年發(fā)電量

圖9 風(fēng)力機(jī)單位面積年發(fā)電量

5 結(jié)束語

該文對采用兩種不同翼型的水平軸風(fēng)力機(jī)利用風(fēng)洞進(jìn)行了氣動特性實驗，得到了2個風(fēng)力機(jī)的風(fēng)速功率特性曲線和風(fēng)速風(fēng)能利用系數(shù)曲線，2#風(fēng)力機(jī)所采用的翼型能夠滿足風(fēng)力機(jī)的出力，同時提高了風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的利用率，達(dá)到了既追求輸出功率的增大，又追求在各風(fēng)速段較高的功率系數(shù)的設(shè)計要求。

利用WAsP軟件對內(nèi)蒙古阿巴嘎旗，巴彥毛道、朱日和、海力素4個地區(qū)2008年風(fēng)能資源進(jìn)行了評估，得到了風(fēng)譜圖。通過分析計算得到1#風(fēng)力機(jī)和2#風(fēng)力機(jī)的年發(fā)電量、單位面積年發(fā)電量，2#風(fēng)力機(jī)單位面積的發(fā)電量比1#風(fēng)力機(jī)單位面積年發(fā)電量平均提高28.4%，2#風(fēng)力機(jī)的性能明顯優(yōu)于1#風(fēng)力機(jī)，說明新翼型在氣動性能方面是優(yōu)于傳統(tǒng)翼型的。

但是對于采用新翼型的風(fēng)力機(jī)的可靠性能，需要對其結(jié)構(gòu)動態(tài)進(jìn)行測試和分析，為設(shè)計輸出功率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的風(fēng)力機(jī)提供一定參考。

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