大型风力机气动问题

龚玉祥

摘  要：风力发电机历经几十年的发展，已经由当初的几十、几百千瓦发展为兆瓦级的大型风力机，因此大型风力机的气动机理方面的研究毫无疑问是当前研究的热点，我国为掌握大型风力机的核心技术，加强了气动方面的理论研究，取得了不错的成果，为大型风力机提供理论基础和指导原则，必将使得我国的大型风力机技术达到世界领先水平。

关键词：风能;大型风力机;气动

0  前言

风能作为一种清洁能源，随着技术的提升以及成本的下降，越来越得到国内外的普遍认同。风能发电被看做是可再生能源开发利用中技术最成熟，成本相对较低，最具规模开发和商业化前景的发电技术。近年来，我国风能利用发展迅速。从2005年开始，中国的风电总装机连续5年实现翻番。2010年，我国累计装机容量达到4182.7万千瓦,跃居世界第一位。[1]随着风力发电事业的蓬勃发展，风力机的功率己经由初期的600KW级小型风力机上升到如今普遍使用的2～3兆瓦级大型风力机。2010我国国内单机容量为2兆瓦的机组开始实现了批量生产和安装,2.5兆瓦、3兆瓦等机型也在个别风场开始安装。2011年5月，中国首台6兆瓦风电机组在江苏盐城正式出产。目前，兆瓦级大型风力机成为当前风力发电的研究重点。而现在8～10兆瓦风电机组的设计和制造己经开始，而且有向10兆瓦甚至10兆瓦以上级别的巨型风力发电机组发展趋势。[2]这也就意味着我国必须加强大型风力机的研究，特别是气动方面的理论基础研究。

1 研究现状

   

      按风轮轴方向不同，风电机组包括水平轴式风电机组和垂直轴式风电机组。水平轴式风电机组风能转换效率高、传动轴距短、经济性好，是目前国内外研制最多、技术最成熟、使用最为广泛的一种风电机组(包括上风向与下风向两种)，在整个风电市场中占到95%以上。所以水平轴式风电机组一直都是研究的重点。

早在20世纪70年代，欧美国家就开始研究大型风力发电机，从理论上设计了一系列机组，但由于当时技术的限制，一直未能生产并商业化。到了二十世纪80年代，欧洲开发大型风力发电机取得成效。此时技术已能满足机组的要求，可以进行其中商业化，其中丹麦的2MW Elsam风力发电机组和英国的1MW How-den风力发电机组正式投入商业运行。其成功的原因之一是风能技术的进步和吸取了许多中型风力发电机组成功的经验。到了二十世纪90年代，大型风力发电机组得到了进一步的发展，荷兰、德国、丹麦、瑞典、意大利、英国都先后研制成功了1～4MW的风力发电机组，并且开始进一步的商业化，占据世界市场很大的份额。[3]   

近些年来，我国在建设风场的同时，国内风电制造企业比如金风科技和华锐风电通过引进、消化吸收国外先进技术成功的自行研制开发3MW大型风力发电机组，为加速我国大型风力发电机组国产化的道路做出了贡献，用几年的时间走完了欧美发达国家将近30年的路程[4]。

   

    2  研究方法

     

     目前对风电机组气动特性的分析主要是基于二维空气动力学，即假定在给定风电机组叶片径向位置处的气流是二维的;虽然三维空气动力学能够更加真实反映风电机组气动特性，但由于理论和技术上的复杂性尚难以用于工程实际中。在风电机组气动计算方法方面，主要有基于叶素—动量理论(blade element momentum, BEM)模型、基于动态入流理论(generalized dynamic wake,UDW)模型以及基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法等。［5-6］

　

    BEM方法简单快捷，应用方便，理论成熟度高，一直是国内外风力机气动载荷及气动弹性问题研究的重要手段，但是把叶片当作了标准的二维问题来处理，难以真实地反映翼型的三维旋转效应和动态失速等影响，其作为一种近似的计算方法，在使用中需要进行一定的修正。[7-8]

UDW模型一个显著的优点是允许风轮上更宽的气流压力分布，但在出现大气弹偏移、低风速等条件下，可能出现较大偏差甚至不稳定现象。

CFD方法可以提供精确的流场描述，但对计算机硬件的要求很高，计算效率较低，在进行迭代计算时要花费大量的时间。[9]

随着计算机技术的发展以及三维湍流技术的提高，CFD方法在研究复杂流场特性中起着越来越重要的作用，但在风机气动性能研究中的应用仍处于起步阶段，[10]与BEM相比，CFD方法可以考虑三维旋转效应引起的失速延迟现象和动态失速的影响，直接获得翼型的三维气动特性和风轮周围详细的流场特性，尤其对于新翼型的设计，不需要经验值，即可得到功率特性。

    而目前在气动分析中采用的理论往往是近似理论或经验修正模型，如半经验动态失速模型中部分力一程来自经验构建，缺乏理论支撑，对于不同翼型不能直接移置。在不过分增加计算量的条件下，寻求和发展更可靠的气动计算理论与方法将是今后继续努力的目标。

    3  存在的问题

   

大型风力发电机组可以少占风电场的土地，减少并网成本，另外对景观也有所改善，[3]但是大型风电机组在运转过程中，气动机理十分复杂，一些物理现象至今尚未弄清。有关大型风电机组气动分析理论与方法的研究一直是风电技术领域的热点问题之一。

大型风力发电机组在近地面大气边界层运行,环境异常复杂,非定常气动现象显著。为了使我国风电事业持续健康发展,必须首先解决大型风力机复杂的气动问题。

故此由南京航空航天大学作为第一承担单位,联合北京大学、北京航空航天大学、兰州理工大学、中国空气动力研究与发展中心和航天空气动力技术研究院等单位,申请的国家重点基础研究发展计划(“九七三”计划)项目“大型风力机的空气动力学基础研究”于2007年获得了立项(项目编号2007CB714600)。

针对大型风力机的运行特点，在风力机空气动力学领域亟待解决如下关键科学问题:(1)复杂凤况下风力机三维旋转非定常空气动力学机理与特性;( 2)复杂风况下大型风力机气动弹性稳定性和动态响应特性;( 3)复杂风况下大型风力机气动噪声产生机理。

而围绕上述关键科学问题，该项目设下列5个课题:(1)风力机非定常空气动力学描述与数值分析研究;(2)风力机非定常流动机理与流场结构的实验研究;(3)复杂风况下大型风力机气动弹性稳定性和动态响应特性研究;(4)复杂风况下大型风力机气动噪声的产生机理与降噪策略研究;(5)大型风力机高性能叶片的气动、气弹与气动声学综合分析研究。

我校兰州理工大学承担了“大型风力机高性能叶片的气动、气弹与气动声学综合分析研究”（课题编号：2007CB714605）和“风力机非定常流动机理与流场结构的实验研究”（课题编号：2007CB714602）这两个课题。经过几年的研究，在气动研究方面取得不错的的理论成果，但仍然需要进行更深层次的理论研究。

4  总结

  风能是目前使用最为广泛和发展最快的可再生能源之一，是近期内最具有大规模开发利用前景的可再生资源。本文通过对大型风力机的发展历程，其气动方面的研究现状和目前存在的问题，阐明了我国进行气动研究的必要性和紧迫性，我们有理由相信通过对大型风力机研究和设计中空气动力学的关键科学问题，必将实现我国风力机气动研究的跨越式发展，并达到世界先进水平，同时培养出风力机气动研究人才队伍，为加速形成我国大型风力发电机组完全自主研发能力奠定坚实的空气动力学理论基础，并提供关键科学技术作为支撑。

                 

               

              参考文献

[1]佟昕，董媛媛，我国风能资源与风电产业发展，能源研究与利用2012年第6期

[2]现代大型风电机组现状与发展趋势,刘德顺,戴巨川,胡燕平等中国机械工程2013

[3]风能技术发展中的几个问题，贺德馨，世界科技研究与发展，2003

[4]技术追赶背景下的中外技术学习及竞争博弈———以我国大型风力发电机制造产业为例，徐雨森，预测，2011年第4期

[5]Ｈａｎｓｅｎ　Ｍ　Ｏ　Ｌ．Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｉｎｅｓ［Ｍ］．２ｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｌｏｎｄｏｎ，

ＵＫ：Ｅａｅｔｈｓｃａｎ，２００８．

[6]Ｈａｒｔｗａｎｇｅｒ　Ｄ，Ｈｏｒｖａｔ　Ａ．３ｄ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ａ　ＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅ　Ｕｓｉｎｇ　ＣＦＤ［Ｃ］／／Ｎａｆｅｍｓ　ＵＫ　

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｃｈｅｌｔｅｎｈａｍ，Ｕｎｉｔｅｄ　Ｋｉｎｇｄｏｍ，２００８．

[7]刘万馄，张志英，李银凤风能与风力发电技术「M]北京化学工业出版社，2006:1-24  

[8]基于 CFD 的大型风力发电机组叶片气动性能研究盛振国, 李陈峰, 任慧龙, 刘小龙，哈尔 滨工程大学学报，2012.5

[9]吕计男，刘子强，赵玲，冉景洪，大型风力机气动弹性响应计算研究空气动力学学报2012,30（1）

[10]李仁年，李银然，王秀勇，等风力机翼型的气动模型及数值计算，兰州理工大学学报，2010,36(3):65-68

   

龚玉祥   122080704007