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2個方面對風(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，葉片的氣動性能越好。李星星[3]采用混合設(shè)計方法優(yōu)化、構(gòu)建翼型優(yōu)化設(shè)計的方法，提出了4種相對厚度為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)效率測試試驗臺，提出25%家燕翼型改進(jìn)葉片、35%家燕翼型改進(jìn)葉片和50%海鷗翼型對改進(jìn)葉片的性能提高最為明顯。Paranjape等[5]針對擴(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]針對目前單純優(yōu)化風(fēng)力機(jī)葉片的翼型參數(shù)，對風(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)行氣動性能的計算和比較，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，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]針對葉片表面粗糙帶設(shè)計的問題，采用風(fēng)洞實驗和數(shù)值模擬結(jié)合和流場分析的方法，提出了在粗糙帶設(shè)計上，間距高度較大、粗糙元高度為1 mm時效果最好，同時粗糙元高度對風(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)速下存在啟動性不好、氣動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)，并對其葉片作出了研究。

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

1.2 葉片的附屬結(jié)構(gòu)

咸立德[14]通過理論分析設(shè)計，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)洞試驗和PIV可視化試驗，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對提高氣動性能最有優(yōu)勢。

白悅荻等[17]采用轉(zhuǎn)矩測量、風(fēng)洞試驗和PIV可視化試驗的方法，提出了一種阻力風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，并證實了該結(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)洞試驗的方法，提出了一種風(fēng)向誘導(dǎo)墻的設(shè)計方案，分析證實了該方案可以增加動力、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)值模擬計算和風(fēng)洞試驗的方法，對比聚風(fēng)型、非聚風(fēng)型風(fēng)力機(jī)的啟動特性、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，提出了一種圓臺形聚風(fēng)裝置的設(shè)計，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，能夠獲得最大聚風(fēng)效果。

2 風(fēng)場

風(fēng)場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)運行的問題，采用理論分析、數(shù)值模擬方法，對比海拔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：空氣密度對風(fēng)能利用系數(shù)影響較小，對輸出功率影響較大，并提出風(fēng)輪改進(jìn)設(shè)計方法。李萌[22]針對高原地區(qū)高海拔、雷擊與日照對風(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，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)對高原空氣密度頻繁變化造成的功率下降與功率波動問題等適用于高原地區(qū)的風(fēng)力機(jī)設(shè)計方法。

對于山丘地區(qū)，Emmanouil等[23]針對風(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，采用真實試驗場地比例模型實驗、PIV測量的方法，提出了一個復(fù)雜地形與風(fēng)力機(jī)耦合的風(fēng)洞研究設(shè)計，能夠更好地驗證尾流行為和渦輪性能。王婷婷[24]針對山地丘陵地區(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算模型，提出了對風(fēng)力機(jī)布置的參考性建議：山丘上游存在障礙物時，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]針對對稱山丘地形與單臺風(fēng)力機(jī)間誘導(dǎo)流場的耦合作用，采用致動盤理論和RANS方法，通過分析不同方案所對應(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)能資源也需要對風(fēng)力機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。孫振業(yè)[26]針對海上風(fēng)力機(jī)的翼型設(shè)計問題，基于翼型集成表達(dá)理論和CFD工具，采用改進(jìn)的遺傳算法對相對厚度為18%的翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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解算，并驗證了改進(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)對大型海上風(fēng)力機(jī)的主流二維翼型的氣動性能進(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)場的基本狀況，重點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)場方面的研究對提高風(fēng)能利用率起到了很好的促進(jìn)作用，根據(jù)對國內(nèi)外研究的思考，本文認(rèn)為可以在以下幾個方面進(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)場特點往往隨季節(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)行動態(tài)改變，從而適應(yīng)不同天氣和季節(jié)的風(fēng)場變化，使風(fēng)能在每個季節(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)計的時候就考慮風(fēng)力機(jī)接收風(fēng)能的設(shè)計。