風(fēng)電機(jī)組葉片安裝渦流發(fā)生器對發(fā)電量的影響

［摘 要］文章研究了不同容量風(fēng)電機(jī)組葉片安裝渦流發(fā)生器后對發(fā)電量的影響。實(shí)驗(yàn)選取了不同容量的風(fēng)電機(jī)組作為研究對象，通過對比分析安裝渦流發(fā)生器前后的發(fā)電量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器在小容量機(jī)組上的提效效果一般，而在大容量機(jī)組上則表現(xiàn)出明顯的提效效果，特別是在2 MW 以上機(jī)組中，渦流發(fā)生器的應(yīng)用能夠顯著提升發(fā)電量。

［關(guān)鍵詞］風(fēng)電機(jī)組；葉片；渦流發(fā)生器；發(fā)電量

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

在面臨能源安全和環(huán)境污染等多重挑戰(zhàn)的背景下，風(fēng)電作為一種可大規(guī)模開發(fā)利用的清潔能源，得到了迅速發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷革新和電力需求的持續(xù)增長，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化趨勢愈發(fā)明顯。然而，這一趨勢也帶來了一系列新的挑戰(zhàn)，尤其是對葉片結(jié)構(gòu)安全的考量。為了保證結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，葉片靠近葉根的部分多采用了厚翼型設(shè)計(jì)。但厚翼型本身容易產(chǎn)生流動(dòng)分離，降低風(fēng)力機(jī)對風(fēng)能的吸收效率。因此，如何控制流動(dòng)分離、減小葉片阻力，已成為風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)研究領(lǐng)域的核心問題。

文章針對某風(fēng)電場內(nèi)的某機(jī)組進(jìn)行了渦流發(fā)生器安裝效果的現(xiàn)場測試，著重探尋了不同容量下風(fēng)電機(jī)組葉片在安裝渦流發(fā)生器后對于發(fā)電量的影響，旨在為風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)和參考。

1 渦流發(fā)生器原理及其在風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用

1.1 渦流發(fā)生器的工作原理

渦流發(fā)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(jī)體表面。在迎面氣流中，渦流發(fā)生器會(huì)產(chǎn)生翼尖渦，由于其展弦比較小，這種翼尖渦的強(qiáng)度相對較高。這種高強(qiáng)度的翼尖渦能夠有效地促進(jìn)邊界層外高動(dòng)能流體與邊界層內(nèi)低動(dòng)能流體的混合。通過增加邊界層內(nèi)流體的動(dòng)量和能量，渦流發(fā)生器能夠推遲或消除邊界層的分離，從而實(shí)現(xiàn)增加升力、減少阻力的效果。

渦流發(fā)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(fā)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(fā)生器的升阻比表現(xiàn)最為優(yōu)異。因此，在文章的實(shí)驗(yàn)中，選擇了三角形渦流發(fā)生器進(jìn)行研究。

1.2 渦流發(fā)生器對風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)性能的影響

為了進(jìn)一步探究渦流發(fā)生器對風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)性能的影響，本研究以目標(biāo)風(fēng)場機(jī)組葉片9 m 處的翼型截面為例，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際風(fēng)況，深入研究了安裝渦流發(fā)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(fā)生器時(shí)，翼型吸力面出現(xiàn)了明顯的氣流分離現(xiàn)象，并形成了尾渦。這種氣流分離不僅會(huì)降低翼型的升力系數(shù)，還會(huì)增加阻力，從而降低風(fēng)電機(jī)組葉片的整體氣動(dòng)性能。而安裝渦流發(fā)生器后，該現(xiàn)象得到了顯著改善。

在不同風(fēng)速條件下，風(fēng)力機(jī)葉片吸力面上的流線分布狀況呈現(xiàn)出明顯的變化。在風(fēng)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(dòng)狀態(tài)，沒有出現(xiàn)流動(dòng)分離。然而，當(dāng)風(fēng)速提升至12 m/s 時(shí)，葉根處的流動(dòng)分離區(qū)域開始擴(kuò)大，葉片中部的尾緣也開始出現(xiàn)輕微的流動(dòng)分離現(xiàn)象，而葉尖部分仍然保持附著流動(dòng)。

渦流發(fā)生器作為一種經(jīng)濟(jì)、高效且易于實(shí)施的技術(shù)手段，被證明是延緩風(fēng)力機(jī)葉片分離區(qū)域的有效方法。針對風(fēng)電機(jī)組，安裝適當(dāng)長度的渦流發(fā)生器可以顯著提高其功率輸出和效率，從而實(shí)現(xiàn)增功增效的目標(biāo)。這一技術(shù)的應(yīng)用不僅具有較低的成本和較短的實(shí)施周期，而且安全風(fēng)險(xiǎn)相對較小，操作便捷，因此在風(fēng)電機(jī)組優(yōu)化中具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對象的選擇與分組

2.1.1 小容量風(fēng)電機(jī)組

本實(shí)驗(yàn)中選擇了裝機(jī)容量為0.85 MW的風(fēng)電機(jī)組作為小容量實(shí)驗(yàn)對象。這一范圍內(nèi)的機(jī)組在風(fēng)電行業(yè)中應(yīng)用廣泛，特別是在家庭、農(nóng)村、工業(yè)園區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)等場所。小容量風(fēng)電機(jī)組參數(shù)見表1。

2.1.2 大容量風(fēng)電機(jī)組

對于大容量機(jī)組，本實(shí)驗(yàn)選取了裝機(jī)容量為2.2 MW 上的風(fēng)電機(jī)組，這些機(jī)組通常安裝在平坦的土地上或近海的淺水區(qū)，對葉片的氣動(dòng)性能要求極高。大容量風(fēng)電機(jī)組參數(shù)見表2。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）選取兩組具有代表性的風(fēng)電機(jī)組，一組為小容量機(jī)組，另一組為大容量機(jī)組。兩組機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境均經(jīng)過嚴(yán)格篩選，確保其在實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)的氣候條件、地形因素及機(jī)組間的相互影響等外部因素保持一致。此外還對機(jī)組的其他關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)記錄，如輪轂高度、額定功率、額定風(fēng)速等，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

（2）在兩組機(jī)組的葉片上分別安裝渦流發(fā)生器。渦流發(fā)生器的設(shè)計(jì)、尺寸及安裝位置均經(jīng)過計(jì)算和選擇，以確保其能夠最大限度地發(fā)揮效能。安裝過程嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，確保渦流發(fā)生器與葉片之間的連接牢固可靠。

（3）通過風(fēng)電場的監(jiān)控系統(tǒng)和測風(fēng)塔提供的數(shù)據(jù)，記錄了安裝渦流發(fā)生器前后機(jī)組的發(fā)電效率、風(fēng)速響應(yīng)、功率曲線等關(guān)鍵指標(biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)采集及篩選

本實(shí)驗(yàn)嚴(yán)格按照IEC 61400-12-1—2005《風(fēng)力渦輪機(jī)一第12-1 部分：發(fā)電風(fēng)力渦輪機(jī)功率性能測量》進(jìn)行了數(shù)據(jù)篩選和處理。為了排除鄰近風(fēng)電機(jī)組尾流對測風(fēng)塔和被測機(jī)組可能產(chǎn)生的影響，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得出，有效風(fēng)向扇區(qū)應(yīng)限制在22°～128°。在這個(gè)扇區(qū)范圍外的風(fēng)向數(shù)據(jù)將被視為無效數(shù)據(jù)，并在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析中予以剔除。

此外，以下幾種情況下的數(shù)據(jù)也被視為無效數(shù)據(jù)，并在分析前進(jìn)行了剔除。

（1）風(fēng)電機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)。

（2）風(fēng)電機(jī)組處于故障狀態(tài)，其運(yùn)行狀態(tài)異常。

（3）傳感器或測量系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)。

（4）風(fēng)向數(shù)據(jù)不在設(shè)定的有效風(fēng)向扇區(qū)范圍內(nèi)，即超出22°～128° 這個(gè)范圍。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)技改前后同一時(shí)段的監(jiān)測，得到大小風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)發(fā)電量數(shù)據(jù)，具體見表3、表4。

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

4 結(jié)束語

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

參考文獻(xiàn)

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