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境下，氣動設計決定了風電機組的氣動載荷和發電量，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、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和最大年發電量，同時降低葉片載荷。而這三個目的有時會發生矛盾，特別是對于失速型風電機組，工作在最大功率系數的時間極其有限，從而在追求最大功率系數的目的時可能不會達到年發電量最大的要求。
　　風電機組葉輪設計中，關鍵設計參數會嚴重影響設計結果。Christian Bak 對影響葉輪功率系數與載荷的關鍵因素進行了研究，討論了葉尖速比、雷諾數、粗糙度等關鍵因素對功率系數的影響。Ali Vardar 和Ilknur Alibas 采用NACA系列翼型，設計了180 種不同扭角、安裝角、葉片數目的風輪組合，從而探討風輪轉速、功率系數與這些因素的關系。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的選擇。
　　2 風電機組氣動設計參數選擇
　　風電機組設計中，各個參數的選擇體現了設計者的不同意圖，同時參數選擇也要遵循一定的規律。目前介紹這方面內容的文獻很少，本節在這里著重分析風電機組參數的確定方法和一些基本依據。
　　現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、發電質量和美觀等角度考慮，額定功率則根據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，它通常與設計的風區、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是設計風電機組的前提。IEC 標準將風電機組按照風區分為四類，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。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，功率系數會很低。本文根據相關氣動理論，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。現代大型并網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。