宋佺珉 陶秋晗 徐冠群 曹智广 吴天予

摘 要：目前我国的风能开发主要是通过传统的水平轴风力机，由于理论极限和现实条件的影响，风力机最多可吸收来流风能中很少的能量。提高功率效率是当前风力发电研究的主要任务。传统的水平轴风力机产生的能量主要来自相对风速较高的叶片外部部分。在叶片根部和尖部，由于空气动力学效率低，很少量的風能转化为电力。文章就增加在叶片根部增加导流盘和叶片尖部增加小翼以提高效率来进行探讨。

关键词：风力机；叶尖小翼；导流盘；功率曲线

主体：

风能的利用：风能是由于空气流动产生的一系列能量，是太阳能的一种特殊的转化形式。具体表现在，当太阳照射地球表面时，由于各部分能量分布不均匀，导致各个温度区域的大气压压力各不相同，通过水平气压的作用，从而形成了风这种丰富的资源。众所周知，风能储量十分巨大，几乎用之不竭，据相关数据显示，地球上一年可以开发的风能总量能达到十的十三次方千瓦时。虽然储量巨大，且分布较广。但由于它的能力密度过低，采集起来较为不易；另一方面，其不稳定性也是一个较大的缺点。如果技术条件完善的话，风能就能被充分的利用，成为能源结构中重要的一环。

当前的风能利用工程技术，主流上是通过风力机的媒介，将风能转化为电能、热能、机械能等等。风力机通过涡轮叶片，引入空气中的气流，从而实现叶片的旋转，并且通过传动装置带动发电机工作，将机械能转化为电能，实现风能的最终利用。国家风能局数据调查显示，我国风能储量巨大，可开发的约有10亿千瓦时，而且无污染性、无穷性。而且对于内陆交通不便电力传输的地区，可以自己发电，对于国家能源结构的改善有很好作用。

风力机的发展史：

人类最早利用风能是在公元前，古埃及人能够设计风帆来带动船只前进，古波斯人通过垂直轴风车碾米。

公元十世纪前后，西方开始出现提水用的风车，并且得到广泛的使用。

公元19世纪，风力机开始产生用于发电的构想，美国人Charles F. Brush研究设计出了第一台风力发电机，这个样式的风力机具有很多叶片，可以实现一间小屋的供电。

不久之后，丹麦的科学家改良了风力机，提出观点少叶片高转速的风力机可以达到更高的功率并且将其成功的运用于交流发电。

一战后，随着技术的进步，风力机的发展开始走向大型化和高功率化。并且控制技术包括偏航和失速调节都不断进步用来提高风力机效率。

新世纪以来，我们国家的风力发电技术才开始起步，随着国家政策的支持和技术的进步，我们国家的风电水平得到高速发展。

风力机现状：

传统的水平轴风力机（Horizontal Axis Wind Turbine， HAWT）最多可吸收来流风能中59.3%的能量，即Betz极限。由于各类气动损失、摩擦损失的存在以及结构、加工等方面的限制，实际运行中的单叶轮水平轴风力机的气动效率很难超过53%。为提高风力机的功率，最直接的想法是增加风力机叶片尺寸，但是其整体气动效率的提升和尺寸无关。同时，风力机尺寸的不断增已经产生了系列的现实问题：叶片长度的增加会导致叶片质量非线性增加，使叶片叶根弯矩大幅增大，给叶片和轮毂的结构设计增加困难，所以从结构安全性方面考虑，叶片和塔柱质量大幅增加。一方面，过大的叶片自重需要更大的气动力来克服叶片重力做功，这样会降低叶片的气动效率；另一方面过大的叶轮重量会对机组的整体载荷产生影响，尤其是对轴承、塔架、传动链的受力产生明显影响。而且过长的叶片会增加制造、运输和安装过程中的困难。

因此我们从仿生学中获得灵感，针对现有的风力机，通过在叶片根部增加导流盘和在翼尖增加小翼的方法即可有效提高传统风力机的风能吸收效率，从而避免了增大风力机叶片尺寸带来的种种麻烦。

导流盘能够将有效的吸收从叶根流失的风能，翼尖小翼能够削弱叶尖紊流，从而提高风力机的转换效率，使风力机气动效率提高一个台阶，同时增加了风力机的运行稳定性。

这种方法对市场上常见风力机机型都具有适应性。相比较其他对风力机机型或叶片的改进计划，导流盘的增加省去了重新设计的麻烦，通过更有效的方式利用流过叶片根本部分的风，从而提高风力机整体性能。而且，叶片本身及其操作运行等条件没有改变。设计中唯一添加的附件是在主转子轴线前面的圆盘。实际上它可以直接应用于任何现有的HAWT。

叶尖小翼的设计：

由于翼型的特性，导致机翼上表面压力大，下表面压力小，所以在叶尖处会出现一种现象，就是下表面压力大导致气流向上，上表面压力小导致区域流动，从而叶尖形成了涡流导致了阻力的大大上升，这就是我们叶素动量理论中所提到的诱导阻力。于是我们从仿生学的角度考虑，从鸟类身上获得了启发，根据有关的研究表明，鸟类的翼尖结构有效的降低了其飞行的阻力，也就是我们所说的叶尖诱导阻力同时这样的结构也能降低气动噪声，一举两得。这种仿生结构应用在风力机叶片的设计中，能够达到类似的效果。有了翼尖折起的小翼之后，叶片下表面的气流依然向上表面流动，但由于翼尖小翼挡住了涡流，因此减小了叶片的诱导阻力。所以我们在叶尖安装叶尖小翼来减小甚至消除叶尖的涡流是十分合理且有效的措施。

由于叶尖弦长较小，可调整空间非常有限，仅通过叶尖施加反转扭角效果也不理想。借鉴飞机机翼解决翼尖涡流的经验，一种类似翼梢的叶尖小翼被应用到风电机组叶片中。加装小翼，可以重整通过叶尖流场的气流，有效地降低叶尖处诱导阻力，减少叶尖能量损失，从而提高原有风电机组的功率输出，也有助于降低气动噪声。新设计的叶片叶尖小翼预期将改善叶片的翼尖涡分布，将比现有的参考叶片拥有更高的风能吸收效率。

导流盘的设计：

为了增强水平轴风力机的性能，我们应当在旋转叶片的最前方放置一个圆形导流盘来引导来流风。这种做法能提高功率输出，因为动能主要从相对风速很高的叶片的外部的外部获得。我们发现，如果有适合的半径和到旋转叶片的距离，安装导流盘可以获得额外最多1.5%的能量。

尽管过去的理论能够有效地提高风力机的性能和效率，但对现代风机设计者来说，提高风能效率仍然是一个主要的难题。这些年来，人们通过不断的努力，不断设计出越来越大型的风力机，为的是提高容量和功率。一个提高气动性能的关键是设计出有高升阻比和低噪音水平的强健有力的翼型。有些设计者也会通过重新设计风力机的结构参数来改变翼型的厚度。目前，更高级的设计方法是结合叶片设计和翼型设计，从而来提高翼型在各种风况下的适应力。但是，目前很少有人研究在叶根处的气动性能，因为其很低的气动性能，人们无法直接使用传统的设计方法来提升其性能。

另一方面，叶片根部的翼型的设计主要考虑结构载荷，因此气动性能比较低，一般穿过轮毂的风能利用非常低效，叶片根部区域存在严重的漏风现象。这种漏风损失可以通过更巧妙的设计来弥补。如图2所示，在轮毂的前面沿旋转轴线放置一个圆盘，可以直接防止风能大量流失。这个圆盘将起到一个导流的作用，将来流引到叶片的外部，从而使这部分风能被更高气动性能的翼型所吸收并转化為更多电能。创新设计的过程将通过改变圆盘的尺寸、形态和与主转子的距离来研究复杂流动的状况从而最终实现提高风能捕捉效率的目的。

参考文献：

[1] Horcas SG， Debrabandere F， Tartinville B， Hirsch C， Coussement G. Rotor-tower interactions of DTU 10MW reference wind turbine with a non-linear harmonic method.Wind Energy 2017；20（4）：619-36.

[2] Timmer WA，van Rooij RPJOM. Summary of the Delft University wind turbine dedicated air- foils. J Sol Energy Eng 2003；125（4）：488-96.

[3] 张志英. 风能与风力发电技术[M].北京化学工业出版社，2010.

[4] 倪玮.风力发电系统[M].机械工业出版社，2011.

[5] 黄素逸等.新能源与技术.中国电力出版社，2011年8月第一版P103～P110

作者简介：

宋佺珉（1997-），男，民族：汉族，籍贯（精确到市）：江苏溧阳，学历：本科。