［摘 要］文章研究了不同容量風電機組葉片安裝渦流發(fā)生器后對發(fā)電量的影響。實驗選取了不同容量的風電機組作為研究對象，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)生器在小容量機組上的提效效果一般，而在大容量機組上則表現(xiàn)出明顯的提效效果，特別是在2 MW 以上機組中，渦流發(fā)生器的應用能夠顯著提升發(fā)電量。

［關(guān)鍵詞］風電機組；葉片；渦流發(fā)生器；發(fā)電量

［中圖分類號］TM315 ［文獻標志碼］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，風力發(fā)電機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計。但厚翼型本身容易產(chǎn)生流動分離，降低風力機對風能的吸收效率。因此，如何控制流動分離、減小葉片阻力，已成為風力機氣動研究領域的核心問題。

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

1 渦流發(fā)生器原理及其在風電機組中的應用

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體表面。在迎面氣流中，渦流發(fā)生器會產(chǎn)生翼尖渦，由于其展弦比較小，這種翼尖渦的強度相對較高。這種高強度的翼尖渦能夠有效地促進邊界層外高動能流體與邊界層內(nèi)低動能流體的混合。通過增加邊界層內(nèi)流體的動量和能量，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，在文章的實驗中，選擇了三角形渦流發(fā)生器進行研究。

1.2 渦流發(fā)生器對風電機組葉片氣動性能的影響

為了進一步探究渦流發(fā)生器對風電機組葉片氣動性能的影響，本研究以目標風場機組葉片9 m 處的翼型截面為例，結(jié)合項目實際風況，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，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降低翼型的升力系數(shù)，還會增加阻力，從而降低風電機組葉片的整體氣動性能。而安裝渦流發(fā)生器后，該現(xiàn)象得到了顯著改善。

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

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

2 實驗設計與方法

2.1 實驗對象的選擇與分組

2.1.1 小容量風電機組

本實驗中選擇了裝機容量為0.85 MW的風電機組作為小容量實驗對象。這一范圍內(nèi)的機組在風電行業(yè)中應用廣泛，特別是在家庭、農(nóng)村、工業(yè)園區(qū)及偏遠地區(qū)等場所。小容量風電機組參數(shù)見表1。

2.1.2 大容量風電機組

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

2.2 實驗內(nèi)容

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

（2）在兩組機組的葉片上分別安裝渦流發(fā)生器。渦流發(fā)生器的設計、尺寸及安裝位置均經(jīng)過計算和選擇，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）通過風電場的監(jiān)控系統(tǒng)和測風塔提供的數(shù)據(jù)，記錄了安裝渦流發(fā)生器前后機組的發(fā)電效率、風速響應、功率曲線等關(guān)鍵指標。

2.3 數(shù)據(jù)采集及篩選

本實驗嚴格按照IEC 61400-12-1—2005《風力渦輪機一第12-1 部分：發(fā)電風力渦輪機功率性能測量》進行了數(shù)據(jù)篩選和處理。為了排除鄰近風電機組尾流對測風塔和被測機組可能產(chǎn)生的影響，根據(jù)標準計算得出，有效風向扇區(qū)應限制在22°～128°。在這個扇區(qū)范圍外的風向數(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)，并在分析前進行了剔除。

（1）風電機組處于停機狀態(tài)。

（2）風電機組處于故障狀態(tài)，其運行狀態(tài)異常。

（3）傳感器或測量系統(tǒng)出現(xiàn)問題時。

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

3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)技改前后同一時段的監(jiān)測，得到大小風電機組的相關(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電機組的發(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電機組上存在顯著差異。在小容量機組上，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。在大容量機組，特別是2 MW 以上的機組中，渦流發(fā)生器的應用效果顯著提升。

參考文獻

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