低风速风机研究

张立峰

(中国大唐集团科技工程有限公司北京100097)

摘要：近些年，风能以其可再生性、资源丰富和技术成熟等因素，得到了快速发展，在整个社会能源结构中的比重越来越大。风电已经成为继火电、水电之后的第三大电源。

我国是一个风能资源非常丰富的国家。但是，风资源相对较好的三北地区存在并网与消纳能力不足、弃风限电等问题。另外，国家将于2018年对陆上风电标杆上网电价进行调整。低风速地区的风资源开发利用就显得尤为重要。

本文首先对低风速风电场开发背景进行介绍，之后对低风速风电场风资源特性进行总结分析。最后从风力发电的基本原理入手，分析低风速风机的研究方向以及现有研究成果，以期可以为低风速风机研究起到抛荒引玉之效。

关键字:低风速；风机；叶片；轮毂高度

1低风速风电场开发背景

能源在现今社会有着举足轻重的地位，甚至是影响国家稳定、安全的重要因素。传统能源（火电等）为社会的发展做出了巨大的贡献，其以不可再生的煤炭、石油等石化资源为燃料，并产生温室气体。清洁能源（水电、风能、太阳能等）的开发与利用很好的解决了上述问题。其中，风能以其可再生性、资源丰富和技术成熟等因素，得到了快速发展，在整个社会能源结构中的比重越来越大。风电已经成为继火电、水电之后的第三大电源。

我国是一个风能资源非常丰富的国度。在内蒙辽阔的草原、新疆茫茫的戈壁、云贵巍峨的高山和东南漫长的海岸都蕴藏着丰富的风能资源。

表一：风能资源区及陆上风电标杆上网电价

从上表可知，I类、II类和III类资源区风资源丰富，并且主要为我国的三北地区。低风速地区主要为IV类资源区。但三北地区存在并网与消纳能力不足、弃风限电等问题。另外，国家将于2018年对陆上风电标杆上网电价进行调整：I类、II类、III类和IV类资源区分别降低0.07元、0.05元、0.05元和0.03元，其中IV类资源区电价降低幅度最小。在风电建设成本稳步减小、发电收益不断提高的背景下，相对于三北地区，低风速风电场的经济效益是不断增大的。

低风速风电是指风速在6.5m/s及以下，年利用小时数在2000h以下的项目。就目前的统计数据来看，全国范围内可利用的低风速资源面积约占全国风能资源区的68%。

2低风速风电场风资源特性

通过收集全国范围内约四十个低风速风电场风资源数据进行总计分析，其风资源基本特性如下：

表二：风资源特性

注：上述数据来源于收集到的低风速风电场风资源数据，具有一定参考意义，但并不能全面代表低风速风电场风资源特性。

3低风速风机研究方向

本文从风力发电的基本原理入手，分析低风速风机的研究方向。

风力发电的基本原理为风驱动叶轮旋转，叶轮旋转驱动发电机转子旋转（切割磁感线），进而产生电能。能量转化过程为：风能→动能→机械能→电能。

其风能转换公式为：P=½CpηρAv³。

P：风能转化功率，单位W；Cp：风能利用系数；η：机械传动效率、发电机效率等综合效率；ρ：空气密度，单位kg/m³；A：叶轮旋转一周面积，单位㎡；v：风速，单位m/s；

根据上述风能转换公式，如果要提高风能转化功率P值，可通过提高Cp值、η值、ρ值、A值或v值的方式现实。

关于Cp值即风能利用系数。根据贝茨理论，其最大值为0.593。风能利用系数大小取决于叶尖速比和桨距角，需要通过风机控制系统优化及叶片优化，才能达到Cp值最大化。

关于η值即传动链效率（主要包括齿轮箱效率、发电机效率等）。在额定运行状态下，不同传动链类型风机的传动链效率均接近达到95%。由于机械传动能量损耗的必然性以及现有机械制造水平，η值可提高的空间非常小。

关于ρ值即空气密度。空气密度是客观存在的大气指标，不可改变。

关于A值即叶轮扫风面积。其取决于叶片长度，可以通过提高叶片长度来实现A值的提高。

关于v值即风速。在正切变情况下，风速随着高度的增加而变大。因此可以通过增加轮毂高度的方式来间接实现风速的提高。

综上所述，关于低风速风机的研究方向主要有如下三点：控制系统优化、叶片优化和提高轮毂高度。

（1）关于控制系统优化方面。主要在于最优桨距角调整、智能偏航等方面，以提高风能利用系数。

（2）关于叶片优化方面。主要研究方向如下：

A.叶片材料：由玻璃纤维增强树脂向碳纤维增强树脂转变，使得叶片更加坚韧，且质量更小，降低风机的整体载荷。

B.叶片翼型：叶片传动翼型为航空NACA翼型系列，这一系列翼型具有最大升力系数高、最小阻力系数低等特点，在风机上应用较广泛。但叶片翼型的气动性能和质量随着风机技术的不断进度和叶片尺寸的大型化发展，要求也越来越高。传动翼型也存在许多缺陷。因此，风机新型翼型得到开发利用，例如美国的Seri翼型、瑞典的FFA-W翼型等。新型翼型可以大幅的提高叶片的气动性能及风能利用效率。

C.叶片长度：以1.5MW风机，93米叶轮直径和87米叶轮直径进行比较。前者可以将风机发电量增加约7%左右。但增加叶片长度无疑也增加了风机的载荷，过长的叶片运输也是件非常困难的事情。因此，应该在满足风机安全性和经济性的情况下，合理的增加叶片长度。

（3）关于提高轮毂高度方面。低风速地区不仅风速较低，而且大多处于丘陵或高山，湍流强度较大。因此，采用提高轮毂高度的方式不仅可以提高发电量，还可以使风机运行在湍流强度较小的位置（高度越大，湍流强度越小），降低风机的载荷。传统的钢制塔架，高度一般小于90m，且运输很困难。现在塔架高度呈现出向90m以上发展的趋势。现今，混合式塔架（混凝土+钢塔）和柔性塔架应运而生，可以使风机轮毂高度提高到90m～160m之间。以某一低风速风电场为例，该风电场采用2.0MW风机，叶轮直径为115m。当轮毂高度由80m提高到100m，其发电量提高约7%左右。通过提高风机轮毂高度，能够增加发电量、减小风机载荷和使塔架运输更加容易。但需要说明的是，通过提高轮毂高度增加发电量很大程度上取决于风切变指数的大小。经计算，当风切变指数ρ≥0.12时，提高轮毂高度才会产生较显著的发电量增加。

4结语

本文主要从风力发电的基本原理入手，探讨了低风速风机的研究方向。其可以从控制系统优化、叶片优化（叶片材料、叶片翼型、叶片长度）和提高轮毂高度三个主要方面入手，均可以显著的提高低风速地区的风能利用效率，提高风电场整体经济效益。

关于低风速风机的研究以后会越加的深入，且意义深远。因为这能使广大低风速区域的风电开发更具价值，使更多的地区能够获得清洁能源，使风电在我国稳定、健康的发展。

参考文献：

[1]姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]刘万琨.风力发电与风轮机优化设计[J].东方电气评论，2006，20（20）：24-34.

[3]王林，刘雄伟.风力发电机叶片翼型气动性能分析与数值模拟[J].太阳能学报，2012，33（5）：711-716.

作者简介：张立峰（1986—），男，辽宁沈阳人，职称：助理工程师，从事风资源分析、风机技术等方面的工作。