風(fēng)能利用效率研究綜述與思考

馬雨晗，章易程，張楚瑤，郭明潔，陳俊右，張海垚，劉斯睿

（中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410083）

風(fēng)能作為一種清潔能源，是目前重點(diǎn)開發(fā)的能源之一。目前，風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率為38%左右，距貝茨理論提出的極限值59.3%仍有很大的可提升空間[1]。在風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的研究中，如何提高風(fēng)能發(fā)電的效率是關(guān)鍵問題。

根據(jù)研讀的國內(nèi)外文獻(xiàn)，本文主要從風(fēng)力機(jī)與風(fēng)場(chǎng)2個(gè)方面對(duì)風(fēng)力機(jī)效率進(jìn)行研究。

1 風(fēng)力機(jī)

風(fēng)力機(jī)的研究主要集中在葉片的形狀、葉片附屬結(jié)構(gòu)與聚風(fēng)裝置3個(gè)方面。

1.1 葉片的形狀

下面從風(fēng)力機(jī)的水平軸與垂直軸方面分別介紹。

1.1.1 水平軸式

汪泉[2]利用粒子群算法，采用不同的翼型型線構(gòu)造方法，研究表明：葉片的光滑連續(xù)性越好，葉片的氣動(dòng)性能越好。李星星[3]采用混合設(shè)計(jì)方法優(yōu)化、構(gòu)建翼型優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，提出了4種相對(duì)厚度為45%以上的大厚度鈍尾緣翼型，葉片中部翼型具有最優(yōu)的綜合氣動(dòng)性能。劉方圓[4]受生物翼型的啟發(fā)，采用S-A模型，搭建室內(nèi)風(fēng)力機(jī)效率測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，提出25%家燕翼型改進(jìn)葉片、35%家燕翼型改進(jìn)葉片和50%海鷗翼型對(duì)改進(jìn)葉片的性能提高最為明顯。Paranjape等[5]針對(duì)擴(kuò)散增強(qiáng)式風(fēng)力渦輪機(jī)（DAWTs）的截面形狀，通過求解2個(gè)維度的不穩(wěn)定雷諾-平均納維爾-斯托克斯（URANS）方程描述DAWTs的性能，研究表明：使DAWTs獲得最大速度的翼型是Eppler 423。

Phillip等[6]針對(duì)雙翼風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，采用數(shù)值優(yōu)化的方法，量化葉片性能，提出雙翼型葉片比單平面葉片更輕，且節(jié)省葉片材料、減少后緣加固，更具成本效益。姚奇[7]基于現(xiàn)有仍待改善的Magnus葉片，采用FLUENT軟件仿真的方法，研究表明：影響Magnus葉片特性的最主要參數(shù)為雷諾數(shù)和周速比，增加頭部和尾翼結(jié)構(gòu)可得到更好的性能。

賈亞雷[8]針對(duì)目前單純優(yōu)化風(fēng)力機(jī)葉片的翼型參數(shù)，對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能提高效果已經(jīng)不明顯的問題，采用CFD方法和改進(jìn)的BEM理論進(jìn)行氣動(dòng)性能的計(jì)算和比較，提出了在風(fēng)力機(jī)尾緣添加分離式尾緣襟翼的設(shè)計(jì)方案，并得到最佳襟翼長度、襟翼偏轉(zhuǎn)角度、襟翼縫隙大小。

1.1.2 垂直軸式

在垂直軸式風(fēng)力機(jī)的葉片翼型設(shè)計(jì)方面，韓立[9]采用遺傳算法進(jìn)行翼型的幾何優(yōu)化和反設(shè)計(jì)，用gambit建立風(fēng)力機(jī)的三維模型，得到了FLUENT模擬優(yōu)化后最大厚度和面積不小于初始翼型且曲線保持平滑新的翼型。向斌等[10]同樣針對(duì)垂直軸式風(fēng)力機(jī)的翼型問題，采用非定常雷諾平均（URANS）方程進(jìn)行數(shù)值求解，提出在翼型尾緣采用主動(dòng)式格尼襟翼，能使垂直軸風(fēng)力機(jī)最佳尖速比降低2.5。

此外，也有學(xué)者從葉片表面粗糙情況的角度入手進(jìn)行了研究。韓成榮[11]針對(duì)葉片表面粗糙帶設(shè)計(jì)的問題，采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)合和流場(chǎng)分析的方法，提出了在粗糙帶設(shè)計(jì)上，間距高度較大、粗糙元高度為1 mm時(shí)效果最好，同時(shí)粗糙元高度對(duì)風(fēng)力機(jī)C p值的影響比間距高度比大的結(jié)論。

由于現(xiàn)有直線翼垂直軸式風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下存在啟動(dòng)性不好、氣動(dòng)特性輸出不佳的問題，研究學(xué)者們提出了一種性能更佳的升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力機(jī)，并對(duì)其葉片作出了研究。

馮放[12]采用風(fēng)洞氣動(dòng)特性試驗(yàn)、風(fēng)輪流場(chǎng)特性PIV試驗(yàn)以及風(fēng)力機(jī)樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，研究表明：新型升阻復(fù)合啟動(dòng)結(jié)構(gòu)（LDCS）氣動(dòng)特性隨尖速比變化規(guī)律呈先升高再下降趨勢(shì)，功率系數(shù)峰值出現(xiàn)在尖速比0.6時(shí)。和慶斌[13]運(yùn)用數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)，提出內(nèi)層葉片沿半徑方向的安裝位置對(duì)風(fēng)輪力矩特性及功率特性的改善效果在半徑比為0.7時(shí)最佳；以橢圓壓縮比為1.6的橢圓弧線為展開輪廓時(shí)具有較好力矩特性。

1.2 葉片的附屬結(jié)構(gòu)

咸立德[14]通過理論分析設(shè)計(jì)，提出一種在葉片上設(shè)置可在固定方向展開到最大180°，也可以在風(fēng)力作用下反方向合攏的開合式裝置的設(shè)計(jì)方案。李巖等[15]利用數(shù)值模擬方法，提出了在直線翼垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片后部尾流區(qū)域安裝輔助小翼，并確定了弦長比為0.4，相對(duì)夾角為14°的最佳改進(jìn)方案。趙暢[16]采用數(shù)值模擬技術(shù)、風(fēng)洞試驗(yàn)和PIV可視化試驗(yàn)，提出了在不同工況和安裝角條件下，選擇厚度較為接近主葉片的輔助小翼時(shí)對(duì)提高氣動(dòng)性能最有優(yōu)勢(shì)。

白悅荻等[17]采用轉(zhuǎn)矩測(cè)量、風(fēng)洞試驗(yàn)和PIV可視化試驗(yàn)的方法，提出了一種阻力風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，并證實(shí)了該結(jié)構(gòu)能減弱升力葉片尾部的旋渦，并產(chǎn)生作用于風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸的扭矩。

1.3 聚風(fēng)裝置

咸立德[14]采用數(shù)值分析、風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，提出了一種風(fēng)向誘導(dǎo)墻的設(shè)計(jì)方案，分析證實(shí)了該方案可以增加動(dòng)力、擴(kuò)大受風(fēng)面積。趙守陽[18]利用B樣條曲線生成方法、三維數(shù)值模擬計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，對(duì)比聚風(fēng)型、非聚風(fēng)型風(fēng)力機(jī)的啟動(dòng)特性、轉(zhuǎn)速特性和輸出特性，提出了一種曲線外形聚風(fēng)裝置。丁國奇[19]制作模型并進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，提出了一種圓臺(tái)形聚風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)，并得出與風(fēng)輪間距約為0.02 m、裝置直徑等于風(fēng)輪直徑、安裝角度隨風(fēng)速變化時(shí)，能夠獲得最大聚風(fēng)效果。

2 風(fēng)場(chǎng)

風(fēng)場(chǎng)的研究主要集中在陸地、海上和建筑物3方面。

2.1 陸地

針對(duì)陸地上風(fēng)力機(jī)的布局問題，劉穎等[20]分析機(jī)組間尾流效應(yīng)的一般規(guī)律，總結(jié)出風(fēng)電機(jī)組布局的基本原則，并分析了沿海、戈壁灘和山區(qū)等特殊地形的合理布局方式。

對(duì)于高原地區(qū)，趙斌等[21]就高原地區(qū)的空氣密度低影響風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的問題，采用理論分析、數(shù)值模擬方法，對(duì)比海拔4 000 m處及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)兩種空氣密度下風(fēng)力機(jī)的出力特性，研究表明：空氣密度對(duì)風(fēng)能利用系數(shù)影響較小，對(duì)輸出功率影響較大，并提出風(fēng)輪改進(jìn)設(shè)計(jì)方法。李萌[22]針對(duì)高原地區(qū)高海拔、雷擊與日照對(duì)風(fēng)力機(jī)有較大影響的問題，改進(jìn)風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)與電氣設(shè)計(jì)，總結(jié)出利用變槳距角調(diào)節(jié)技術(shù)、變速控制技術(shù)應(yīng)對(duì)高原空氣密度頻繁變化造成的功率下降與功率波動(dòng)問題等適用于高原地區(qū)的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方法。

對(duì)于山丘地區(qū)，Emmanouil等[23]針對(duì)風(fēng)力機(jī)微觀布置上，現(xiàn)有的幾何結(jié)構(gòu)不夠精確的問題，采用真實(shí)試驗(yàn)場(chǎng)地比例模型實(shí)驗(yàn)、PIV測(cè)量的方法，提出了一個(gè)復(fù)雜地形與風(fēng)力機(jī)耦合的風(fēng)洞研究設(shè)計(jì)，能夠更好地驗(yàn)證尾流行為和渦輪性能。王婷婷[24]針對(duì)山地丘陵地區(qū)風(fēng)速風(fēng)壓分布不規(guī)律的問題，采用CFD數(shù)值模擬方法，選取輪廓線方程為正弦模型的典型山丘為計(jì)算模型，提出了對(duì)風(fēng)力機(jī)布置的參考性建議：山丘上游存在障礙物時(shí)，側(cè)面比較適合安裝風(fēng)力機(jī)，因山丘側(cè)面風(fēng)速度變化不大，受障礙物影響較?。欢角鹩L(fēng)面、背風(fēng)面即障礙物與山丘之間不適合安裝風(fēng)力機(jī)。端和平等人[25]針對(duì)對(duì)稱山丘地形與單臺(tái)風(fēng)力機(jī)間誘導(dǎo)流場(chǎng)的耦合作用，采用致動(dòng)盤理論和RANS方法，通過分析不同方案所對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)尾流區(qū)不同距離的輪轂高度處的徑向風(fēng)速與湍流強(qiáng)度的分布，提出了在對(duì)稱山丘地形中應(yīng)將風(fēng)力機(jī)布置在山頂處。

2.2 海上

利用海上的風(fēng)能資源也需要對(duì)風(fēng)力機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。孫振業(yè)[26]針對(duì)海上風(fēng)力機(jī)的翼型設(shè)計(jì)問題，基于翼型集成表達(dá)理論和CFD工具，采用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)相對(duì)厚度為18%的翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，編程集成ICEM和FLUENT，并完成翼型生成、大變形網(wǎng)格重構(gòu)、邊界條件生成和流場(chǎng)解算，并驗(yàn)證了改進(jìn)后的翼型有較高升力系數(shù)和升阻比。任年鑫[27]基于二維Navier-Stokes方程及k-ωSST湍流模型，應(yīng)用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)大型海上風(fēng)力機(jī)的主流二維翼型的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了新型張力腿-錨纜。

2.3 建筑物

蔡元波[28]采用理論分析與CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析建筑物周圍三維風(fēng)場(chǎng)的基本狀況，重點(diǎn)探討建筑物頂上方的風(fēng)速與湍流強(qiáng)度隨高度的變化情況，提出了在建筑物頂安裝風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)方案，確定了風(fēng)力機(jī)的高度參數(shù)、布局方式和翼型的集合參數(shù)等。

3 結(jié)束語

現(xiàn)有的風(fēng)力機(jī)和風(fēng)場(chǎng)方面的研究對(duì)提高風(fēng)能利用率起到了很好的促進(jìn)作用，根據(jù)對(duì)國內(nèi)外研究的思考，本文認(rèn)為可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究，以提高風(fēng)力機(jī)的效率。

（1）為了進(jìn)一步利用風(fēng)力機(jī)后的風(fēng)能，可以在風(fēng)力機(jī)的后面設(shè)置小型的風(fēng)力機(jī)接收低速風(fēng)的風(fēng)能。為此，有必要研究大、小不一的風(fēng)力機(jī)優(yōu)化布局問題，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大程度的利用。

（2）由于我國大多數(shù)地區(qū)受到季風(fēng)氣候的影響，其風(fēng)場(chǎng)特點(diǎn)往往隨季節(jié)變化而變化，所以有必要研究風(fēng)向誘導(dǎo)墻與風(fēng)力機(jī)的自適應(yīng)方案，使其能隨風(fēng)向變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變，從而適應(yīng)不同天氣和季節(jié)的風(fēng)場(chǎng)變化，使風(fēng)能在每個(gè)季節(jié)都能得到最大程度的利用。

（3）由于建筑物之間的狹窄風(fēng)道具有聚風(fēng)效果，可能產(chǎn)生高速流動(dòng)的風(fēng)，所以有必要研究如何安裝風(fēng)力機(jī)接收穿行該狹窄風(fēng)道風(fēng)的風(fēng)能問題，甚至可以在進(jìn)行建筑群設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮風(fēng)力機(jī)接收風(fēng)能的設(shè)計(jì)。