擋流板對垂直軸風(fēng)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(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

0 引言

隨著化石能源的碳排放以及環(huán)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(fēng)能是緩解能源與環(huán)境危機的重要途徑[1]。垂直軸風(fēng)力發(fā)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(guān)注。

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

1 垂直軸風(fēng)力機性能參數(shù)

式中：T為風(fēng)輪力矩；ρ為空氣密度；A為風(fēng)輪迎風(fēng)面積；P為風(fēng)力機軸功率。

2 試驗?zāi)Ｐ图皽y試裝置

垂直軸風(fēng)力機采用NACA0018翼型，弦長為75 mm，展長為540 mm，風(fēng)輪半徑為260 mm，額定功率為30 W，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，額定工作風(fēng)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(fēng)由7臺700-4P管道式軸流風(fēng)機提供，風(fēng)機額定功率為3 kW，轉(zhuǎn)速為1 450r/min，風(fēng)量為24 500 m3/h。將6臺風(fēng)機分3層布置，為保證風(fēng)場的均勻性，在與垂直軸風(fēng)力機等高的第二層兩臺風(fēng)機的空隙后方布置一臺風(fēng)機，并將垂直軸風(fēng)力機布置在前沿距風(fēng)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(fēng)輪直徑。定義擋流板下端到風(fēng)輪前沿的水平距離為X，擋流板上端到風(fēng)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(nèi)容

在風(fēng)輪迎風(fēng)側(cè)與風(fēng)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(fēng)速。采用德圖testo405i熱敏風(fēng)速儀，測量范圍為0～30 m/s。發(fā)電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生交流電，經(jīng)橋式整流器轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姾筮B接至電子負載輸入端，使用電子負載恒定電阻模式測量發(fā)電功率，使用TM5641磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測量風(fēng)輪轉(zhuǎn)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(jié)果及分析

4.1 確定來流風(fēng)速

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

共測量3組數(shù)據(jù)求平均值，求得其等效風(fēng)速為7.74 m/s，78.57%的測量點與等效風(fēng)速的誤差在10%以內(nèi)，最大誤差為18%。

4.2 安裝角為90°時不同位置處的試驗結(jié)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(fā)電功率隨風(fēng)力機轉(zhuǎn)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(fēng)力機的發(fā)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(fēng)輪過近時，形成的低風(fēng)速范圍空間過大，影響到其他范圍內(nèi)正常運行的葉片，所以降低了風(fēng)能的獲?。辉赮=0.18 m時，擋流板對風(fēng)力機功率的負面影響減弱，隨著X距離的增大，風(fēng)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(fēng)輪掃掠區(qū)域逐步遠離擋流板后方的尾跡區(qū)域，擋流板對其迎風(fēng)面的干擾逐步減小；當(dāng)Y=0.36 m時，發(fā)電功率值增加最為明顯，同時對應(yīng)曲線的范圍變大，說明風(fēng)速利用區(qū)間變廣；當(dāng)Y=0.54 m時，發(fā)電功率變化情況出現(xiàn)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(yù)測，當(dāng)X距離持續(xù)增大時，其最大功率將不再繼續(xù)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(fā)電功率的影響也呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)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(dāng)X=0.52m時，兩處的最大功率相差54.18%；當(dāng)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(fā)電功率的影響也隨之減弱。這是由于擋流板放置在離風(fēng)輪太近的地方造成了較大的流動阻礙和尾跡效應(yīng)，其中風(fēng)輪掃掠區(qū)域部分落入擋流板后面的尾跡區(qū)域，并經(jīng)歷低速湍流。而當(dāng)X增大后，擋流板對來流風(fēng)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(jié)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(fēng)力機功率的影響，結(jié)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(dāng)θ=30°時，不同Y距離均未對發(fā)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(fēng)受到引導(dǎo)作用，流動方向發(fā)生了變化，使得流動阻塞和尾跡區(qū)域發(fā)生偏移，導(dǎo)致低風(fēng)速范圍空間并未影響到葉片，所以風(fēng)能的獲取并未受到干擾；當(dāng)θ=60°時，在不同Y距離處發(fā)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(jié)=0.36 m處基本與無擋流板時相重合。當(dāng)Y距離較小時，部分風(fēng)輪運行區(qū)域與擋流板尾流區(qū)域發(fā)生重疊導(dǎo)致功率曲線發(fā)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(qū)域必定與風(fēng)輪運行時的上風(fēng)輪區(qū)域發(fā)生了重疊，因為若只干擾到下風(fēng)輪區(qū)域，則風(fēng)輪的負力矩將會減小，最大功率會大于無擋流板時。當(dāng)θ=90°時，流動阻塞和尾跡效應(yīng)影響風(fēng)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(qū)域和下風(fēng)輪區(qū)域發(fā)生了重疊，風(fēng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)擋流板位于該處時，風(fēng)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(fēng)速利用區(qū)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(jié)合還是使用導(dǎo)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(jié)合提升風(fēng)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(jié)論。這會使人誤解發(fā)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(fēng)場產(chǎn)生了干擾，從而影響來流風(fēng)動能所致，對流場的這些干擾可以分為迎風(fēng)面積改變和來流風(fēng)場的改變兩大類。

這里分別選取發(fā)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(fēng)力機迎風(fēng)面處的來流風(fēng)，按兩種方法作λ-CP圖（圖5）。得出二者等效風(fēng)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(fēng)速分別出現(xiàn)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(fēng)速作λ-CP圖時，三者之間的關(guān)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(fēng)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(fā)電功率較無擋流板時明顯增大，但其CP卻出現(xiàn)了下降，λ-CP曲線的運行范圍也變??；當(dāng)擋流板在X=0.52 m，Y=0 m處時，雖然發(fā)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(jié)果差別明顯，究其原因是擋流板對來流風(fēng)場的干擾作用使得來流風(fēng)發(fā)生了巨大變化。

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

圖6為來流風(fēng)均勻性分布圖。'

由圖6可看出：來流風(fēng)的均勻性變差，當(dāng)擋流板位于X=0.52 m，Y=0.36 m處時，風(fēng)速與等效風(fēng)速之間的誤差為10%以內(nèi)的測量點所占比例由無擋流板時的78.57%降為47.6%，且出現(xiàn)了11.9%的點誤差超過20%；當(dāng)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(fēng)速與等效風(fēng)速之間的最大誤差達到了68.6%。各測量點之間的風(fēng)速變化較大，來流風(fēng)不均勻性增加，這也是添加擋流板后風(fēng)力機CP降低的原因。

因此，當(dāng)輔助裝置或者建筑物與風(fēng)力機相結(jié)合時，應(yīng)以功率或轉(zhuǎn)矩來量化分析實際效果。此外，功率增大并不意味著風(fēng)能利用效率的提升，應(yīng)該根據(jù)變化后的實際迎風(fēng)面風(fēng)速計算CP。添加擋流板后，風(fēng)力機功率的變化主要是由于迎風(fēng)面來流風(fēng)速的改變所致，同時，由于擋流板對流場的擾動，使得來流風(fēng)不均勻性增強，最終導(dǎo)致CP下降。

5 結(jié)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(shù)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電功率的影響，并提出一種新的CP計算方法，得到以下結(jié)論。

①當(dāng)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(fēng)力機性能有最佳影響效果，風(fēng)力機功率最大，比無擋流板時提升最多，風(fēng)力機的最大功率為18.17 W，比無擋流板時高21.54%，此時風(fēng)速利用區(qū)間也最大。

②擋流板距離風(fēng)輪越近，對發(fā)電功率所造成的負面影響越明顯，隨著距離的增大，發(fā)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(fēng)的流動方向發(fā)生變化，使得流動阻塞和尾跡區(qū)域發(fā)生偏移，低風(fēng)速范圍空間對風(fēng)輪的影響趨勢發(fā)生變化。隨著角度的減小，距離對風(fēng)力機發(fā)電功率的影響將會延后。

④當(dāng)輔助裝置或者建筑物與垂直軸風(fēng)力機相結(jié)合時，應(yīng)該以功率或轉(zhuǎn)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(fēng)能利用效率的提升，應(yīng)該根據(jù)變化后的實際迎風(fēng)面風(fēng)速計算CP。