風電機組氣動設計中的若干問題探討

　　1引言
　　風電機組工作在復雜的氣候和地理環(huán)境下，氣動設計決定了風電機組的氣動載荷和發(fā)電量，因此氣動設計在風電機組設計流程中至關重要。水平軸風電機組的氣動設計主要目的是設計葉片幾何外形（包括葉片個數(shù)、弦長及扭角分布、截面翼型形狀等），目的是在獲得最佳功率系數(shù)和最大年發(fā)電量，同時降低葉片載荷。而這三個目的有時會發(fā)生矛盾，特別是對于失速型風電機組，工作在最大功率系數(shù)的時間極其有限，從而在追求最大功率系數(shù)的目的時可能不會達到年發(fā)電量最大的要求。
　　風電機組葉輪設計中，關鍵設計參數(shù)會嚴重影響設計結果。Christian Bak 對影響葉輪功率系數(shù)與載荷的關鍵因素進行了研究，討論了葉尖速比、雷諾數(shù)、粗糙度等關鍵因素對功率系數(shù)的影響。Ali Vardar 和Ilknur Alibas 采用NACA系列翼型，設計了180 種不同扭角、安裝角、葉片數(shù)目的風輪組合，從而探討風輪轉速、功率系數(shù)與這些因素的關系。目前，討論這方面的文獻并不多，且大多是針對尺寸小的風輪。本文將重點討論變槳變速風電機組關鍵設計參數(shù)的選擇。
　　2 風電機組氣動設計參數(shù)選擇
　　風電機組設計中，各個參數(shù)的選擇體現(xiàn)了設計者的不同意圖，同時參數(shù)選擇也要遵循一定的規(guī)律。目前介紹這方面內(nèi)容的文獻很少，本節(jié)在這里著重分析風電機組參數(shù)的確定方法和一些基本依據(jù)。
　　現(xiàn)代水平軸風電機組通常選擇三個葉片的葉輪，多是出于葉輪動力學、發(fā)電質(zhì)量和美觀等角度考慮，額定功率則根據(jù)制造商自己的設計需求而定。額定風速是風電機組設計中的重要參數(shù)，它通常與設計的風區(qū)、風輪直徑、葉片氣動特性等相關。確定所設計的風電機組的工作風區(qū)是設計風電機組的前提。IEC 標準將風電機組按照風區(qū)分為四類，標準1、2、3 級風電機組和S 級風電機組。設計者應根據(jù)所處風場的實際情況選擇風電機組的等級。下面將重點討論幾個設計參數(shù)選擇及其影響。　　
　　2.1 設計葉尖速比
　　在風電機組的設計中，設計葉尖速比λD 是非常重要的設計參數(shù)。如果設計葉尖速比λD 很低，比如λD=1，此時旋轉氣動損失比較大，功率系數(shù)會很低。本文根據(jù)相關氣動理論，繪制了針對不同升阻比情況下的三葉片風電機組的功率系數(shù)隨設計葉尖速比的關系圖，如圖1 所示。從中可以看出存在最佳的葉片設計升阻比使葉輪效率最高。現(xiàn)代大型并網(wǎng)風電機組設計點處葉片翼型的升阻比一般很高，甚至會超過100，此時設計葉尖速比通常在6 ～ 10 之間，這樣能夠保證獲得較高效率。