沙成龙 宗旺旺 王仁杰 钱海俣 石容坤

【摘  要】我国幅员辽阔，风能资源丰富，但是大部分地区年均风速较低，达不到一般风力机投入正常工作的额定风速，因此，绝大部分地区的风能资源都被浪费，严重制约了我国风力发电行业的发展。本文针对低风速下风能利用不足的情况，对于风力机进一步优化，主要是根据仿生学原理，利用ICEM CFD网格划分软件、FLUENT流体计算软件进行数值模拟，从而对弯掠叶片进行优化研究。

【关键词】风力机;低风速;弯掠翼;数值模拟

主体：

国内风电发展：

我国自改革开放以来，随着经济的飞速发展，工业生产对能源的需求呈指数型增长。从我国能源消费现状来看，虽然整体能源消费仍以煤炭、石油、天然气等为主，但我国煤炭资源仅占世界人均水平的50%，石油、天然气资源更是只占世界人均水平的10%和5%。由于人均能源有限，能源供需矛盾日益显现。同时，燃烧煤炭、石油等化石燃料的过程中产生了大量CO2、SO2、粉尘等对大气造成严重污染的主要来源物。因此，为了解决供不应求的能源现状，以及严峻的环境污染问题，开发和利用新型可再生能源是大势所趋[1]。

据行业统计，2018年，我国新增并网风电装机2059万千瓦，累计并网装机容量达到1.84亿千瓦，占全部发电装机容量的9.7%。如图1-1所示，2018年风电发电量3660亿千瓦时，占全部发电量的5.2%，比2017年提高0.4个百分点[2]。

由此可见，国内外对于可再生能源，尤其是风能的开发与利用愈发重视，技术也逐步走向成熟，风电产业链愈发完善，风力发电的成本也趋近于火力发电成本。可以预见，风能等可再生能源占世界能源消耗的比重会越来越大，直至有一天能完全取代化石能源，从而形成一个更加稳定、清洁、安全的电力系统网络。

据了解，全国范围内可利用的低风速资源面积约占全国风能资源的七成左右，且均接近电网负荷的受端地区。由我国风能资源分布图可以看出我国大部分地区都是处在低风速地区中。

从上图我国风能资源主要分布在三北地区和东南沿海，其他大部分地区都是处在低风速甚至是超低风速地区。随着高风速直叶片的设计日趋成熟，高风速区发电日渐饱和，清洁能源的需求日渐增多，低风速风力机叶片技术的发展就显得越来越重要。因此，研究低风速下风力机叶片具有重要意义。

低风速风力机发展现状：

目前一般对于低风速下风力机的优化，国内外主流研究方法是采用变速变桨控制方法，对于在低风速下的风力机运行采用获取最佳浆距角的方法来获得最大的输出功率[3]。还有就是对于大型风力机进行风力机的气动载荷分析，通过降低风力机的气动载荷来获取低风速下的较大的输出功率[4]。几乎很少有人将研究目光转回到风力机叶片，对于叶片本身进行优化。

由于对低风速下获取最优功率的变速变桨优化以及气动载荷分析都已有太多人研究，已经很难有什么太大的进展，因此我们根据仿生学原理，据观察鸟儿无论在风速多么低的情况下，都能够稳定的飞行[5]，所以本文的灵感就来自于鸟儿的翅膀。

从上图可以看出，鸟儿飞翔时，其翅膀会弯掠一定的角度，所以本文的研究思路就是将叶片进行一定的弯掠，在低风速下数值模拟出其各种气动性能，与一般情况下的风力机叶片进行对比分析，观察其是否有所改善。

经过数值模拟计算得出以下结论：

1、在低风速范围内，弯掠翼叶片相较于直叶片其二维截面表面压力系数最高值会有所降低，表明弯掠叶片可以降低叶片表面的压力。

2、弯掠翼型叶片气动性能在相对较高的风速下，其气动性能与输出功率相较于普通叶片没有优势，甚至有所下降，但是对于低风速情况，其气动性能与输出功率有明显的改善。

3、在低风速运行范围内，弯掠翼风力机相较于普通风力机而言，其受到的轴向推力较低于普通风力机。

4、弯掠形状的叶片在其运行时会在叶尖处产生特殊的叶尖效应，从而使得叶尖部分翼型的升力变大，表面压力变大，从而提高其在低风速下的运行效率。

5、在低风速运行范围内，由于叶片的特殊弯掠形状，使得其在运行时有效攻角变大，从而使得风力机的输出功率变大。这是弯掠翼叶片在低风速下能够有效运行的最主要原因。

参考文献：

[1]迟远英.基于低碳经济视角的中国风电产业发展研究[D].吉林大学，2008.

[2]国家能源局.2018年风电并网运行情况[EB/OL].http：//www.nea.gov.cn/2019-01/28/c_137780779.htm，2019-01-28

[3]王浩煜，朱發文，刘洋华，齐敏，谷明非，郑美银.低风速条件下变速变桨风力机叶片的优化设计[J].科技视界，2017（05）：13-15+49.

[4]张钊.大型水平轴风力机叶片气动优化设计及气动载荷分析[D].兰州理工大学，2013.

[5]王峰.低风速风力机弯掠叶片优化及CFD分析[D].扬州大学，2017.

（作者单位：江苏省扬州市扬州大学扬子津东校区）