挡流板对垂直轴风力机性能影响的试验研究与分析

汤 维,黄惠兰,李 刚,文 翔,王东林

（1.广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004；2.广西大学 电气工程学院，广西 南宁530004）

0 引言

随着化石能源的碳排放以及环保问题日益严重，可再生能源的利用日益受到重视。其中，利用风能是缓解能源与环境危机的重要途径[1]。垂直轴风力发电机由于其独特的全方位性、紧凑性和在恶劣湍流中工作的能力得到了广泛关注。

垂直轴风力发电机还存在着一些不足之处，导致目前能够商业应用的风力机仍以水平轴风力发电机为主。针对这一现状，研究者提出了各种辅助装置或与建筑物相结合以改善风力机性能，提升发电功率。文献[2]针对Savonius风力机采用了帘式挡流板设计，研究了挡流板的安装长度和角度对风力机效率的影响。文献[3]针对低风速区域的Savonius风力机使用收敛喷嘴作为来流风速增强装置，研究结果表明，当喷嘴的长度为55 cm，进、出口比为0.15时，风速增加了3.7倍。文献[4]基于锡斯坦风力发电机设计出了一种新型功率增强导叶（PAGV），试验结果表明，当风速为3 m/s时，转子的转速提高了约73.2%，自启动风速也从3 m/s降低到了1.5 m/s。文献[5]提出将垂直轴风力机与建筑物相结合，安装在屋顶和V形屋顶之间以改造现有建筑物。上述应用方案虽然改善了风力发电机的性能，但增加了装置结构的复杂性以及制造成本，同时弱化了垂直轴风力机相较于水平轴风力机结构简单，安全稳定性高的优势。部分学者开始将挡流板与风力机相结合，既可提升风力机发电功率，并且成本较低，同时保持了其结构简单这一优势。曾俊[6]将一块挡流板竖直放置于两台反向转动的垂直轴风力机前方，研究挡流板的设置参数对两台垂直轴风力发电机获能效率的影响。文献[7]研究了前置挡流板与风轮之间的距离对风力机性能的影响。目前缺少对该种结构装置的全面系统研究，且评估安装挡流板时所使用的风能利用系数Cp计算方法并不恰当，以至于某些计算结果突破了贝兹极限，导致概念混淆[8]。本文通过试验手段探究挡流板的安装位置与角度对H型垂直轴风力机转速以及发电功率的影响，同时考虑到来流风经挡流板后风场变得不均匀，提出了一种Cp的统计计算方法，以期合理评估此类聚风发电装置。

1 垂直轴风力机性能参数

式中：T为风轮力矩；ρ为空气密度；A为风轮迎风面积；P为风力机轴功率。

2 试验模型及测试装置

垂直轴风力机采用NACA0018翼型，弦长为75 mm，展长为540 mm，风轮半径为260 mm，额定功率为30 W，额定转速为300 r/min，额定工作风速为10 m/s，5个叶片分别在叶片的1/3和2/3展长处，与主轴连接，安装角为6°。来流风由7台700-4P管道式轴流风机提供，风机额定功率为3 kW，转速为1 450r/min，风量为24 500 m3/h。将6台风机分3层布置，为保证风场的均匀性，在与垂直轴风力机等高的第二层两台风机的空隙后方布置一台风机，并将垂直轴风力机布置在前沿距风墙2 m远处（图1）。

图1 试验装置图Fig.1 Experimental device

挡流板长为3D，宽为D，厚度为10 mm，D为风轮直径。定义挡流板下端到风轮前沿的水平距离为X，挡流板上端到风轮前沿叶片底部距离为Y，挡流板与地面夹角为θ。试验装置效果图如图2所示。

图2 试验装置效果图Fig.2 Schematic diagram of experimental device

3 试验方法与内容

在风轮迎风侧与风轮等高处取一截面，宽为0.7 m，高为0.6 m。在两条边上每隔0.1 m取一个点，共42个测量点，测量来流风速。采用德图testo405i热敏风速仪，测量范围为0～30 m/s。发电机转动产生交流电，经桥式整流器转变为直流电后连接至电子负载输入端，使用电子负载恒定电阻模式测量发电功率，使用TM5641磁电式转速传感器测量风轮转速。试验分别选定X=0，R，2R和3R，Y=0，H/3，2H/3和H，θ=30，60，90°和120°的位置安装挡流板，进行测量。

4 试验结果及分析

4.1 确定来流风速

由于挡流板对来流风场产生了干扰，不能简单选取测量点的平均风速作为此时的来流风速。假定每个位置的风速为一绝对均匀来流风场，求得在42个绝对均匀来流风场中风力机所处位置的风能，取其平均值得到平均风能。风力机的实质是将风动能转化为机械能，可按积分将迎风面分解为微元，对每个微元处的风能积分然后求得此时的来流风能。最后将来流风能反向求解，所得风速即为前文所提到的等效风速，用于求解此时风力机的CP。

共测量3组数据求平均值，求得其等效风速为7.74 m/s，78.57%的测量点与等效风速的误差在10%以内，最大误差为18%。

4.2 安装角为90°时不同位置处的试验结果

分别选取X为0，0.26，0.52 m和0.78 m，与Y距离为0，0.18，0.36 m和0.54 m处的位置放置挡流板，改变电子负载测量发电功率随风力机转速的变化情况，并做出曲线图（图3）。

图3 挡流板位于不同位置处的功率曲线图Fig.3 Power curve of deflector at different positions

由图3可知：前置挡流板所处位置对垂直轴风力机的发电功率影响较大；在Y=0 m时，不同X距离的最大功率均远低于无挡流板时，随着X距离的变化，曲线趋势以及最大功率并无明显变化，这是因为挡流板距离风轮过近时，形成的低风速范围空间过大，影响到其他范围内正常运行的叶片，所以降低了风能的获取；在Y=0.18 m时，挡流板对风力机功率的负面影响减弱，随着X距离的增大，风力机的最大功率逐步增大，在X=0.52 m处，功率曲线基本与无挡流板时相重合，在X=0.78 m处，功率增大，这是因为风轮扫掠区域逐步远离挡流板后方的尾迹区域，挡流板对其迎风面的干扰逐步减小；当Y=0.36 m时，发电功率值增加最为明显，同时对应曲线的范围变大，说明风速利用区间变广；当Y=0.54 m时，发电功率变化情况出现差异，X=0.52 m和0.78 m的功率较Y=0.36 m时开始下降，而X=0 m以及X=0.26 m的功率仍在增大，可以预测，当X距离持续增大时，其最大功率将不再继续增大，而是逐渐接近无挡流板时。

随着X的增大，Y距离的变化对发电功率的影响也呈现出先增大后减小的变化趋势。当X=0 m时，Y=0 m与Y=0.54 m处的最大功率分别为11.47 W与16.29W，相差42.02%；当X=0.52m时，两处的最大功率相差54.18%；当X=0.78 m时，两处的最大功率相差48.71%。随着X的增大，Y距离的变化对发电功率的影响也随之减弱。这是由于挡流板放置在离风轮太近的地方造成了较大的流动阻碍和尾迹效应，其中风轮扫掠区域部分落入挡流板后面的尾迹区域，并经历低速湍流。而当X增大后，挡流板对来流风的干扰逐渐减弱，越来越接近无挡流板时。

4.3 不同放置角度时的试验结果

以X=0.52 m处为研究对象，分别测试不同安装角度与不同Y距离对风力机功率的影响，结果 如图4所示。

图4 挡流板位于不同安装角度处的功率曲线Fig.4 Power curve of deflector at different installation angles

由图4可知：当θ=30°时，不同Y距离均未对发电功率造成明显影响，功率曲线基本与无挡流板时相重合，这是由于来流风受到引导作用，流动方向发生了变化，使得流动阻塞和尾迹区域发生偏移，导致低风速范围空间并未影响到叶片，所以风能的获取并未受到干扰；当θ=60°时，在不同Y距离处发电功率曲线变化各异，Y=0 m时，最大功率为13.05 W，较无挡流板时减少了12.7%。随着Y距离的增大，对功率曲线的负面影响逐渐降低，到Y=0.36 m处基本与无挡流板时相重合。当Y距离较小时，部分风轮运行区域与挡流板尾流区域发生重叠导致功率曲线发生变化。同时，由Y距离较小时最大功率降低可知，此时挡流板的尾流区域必定与风轮运行时的上风轮区域发生了重叠，因为若只干扰到下风轮区域，则风轮的负力矩将会减小，最大功率会大于无挡流板时。当θ=90°时，流动阻塞和尾迹效应影响风能的利用。随着Y距离的增大，功率曲线逐步接近无挡流板时，甚至最大功率较无挡流板时增大了21.5%。这是由于此时挡流板的尾流区域和下风轮区域发生了重叠，风轮负力矩减小。随着Y距离的增大这种干扰将会逐渐减弱，功率曲线最终将会与无挡流板时无异。当θ=120°时，Y=0.36 m与Y=0.54 m处的最大功率较90°时降低，而Y=0 m与Y=0.18 m时，功率则增大。

综上可以得出，当前置挡流板以θ=90°安装于X=0.52 m，Y=0.36 m处有最佳效果，该处为其最佳安装位置。当挡流板位于该处时，风力机的最大功率为18.17 W，比无挡流板时的14.95 W高21.54%，同时风速利用区间也最大。

4.4 非均匀流场下C P的计算方法

无论是与建筑物相结合还是使用导叶、挡流板等装置均对流场造成了极大的干扰。目前利用辅助装置或与建筑物相结合提升风力机性能均是以CP来量化分析实际效果，往往得出CP增大甚至超越贝兹极限的结论。这会使人误解发电功率的增大是由于CP增加所致，实际上是挡流板的存在对来流风场产生了干扰，从而影响来流风动能所致，对流场的这些干扰可以分为迎风面积改变和来流风场的改变两大类。

这里分别选取发电功率效果最佳（X=0.52 m，Y=0.36 m，θ=90°）与效果最差（X=0.52 m，Y=0 m，θ=90°）两处的功率曲线作为研究对象，测量有挡流板时风力机迎风面处的来流风，按两种方法作λ-CP图（图5）。得出二者等效风速分别为8.45 m/s和7.49 m/s，较无挡流板时7.74 m/s的来流风速分别出现了增减。

图5 两种不同方法所得λ-C P图Fig.5 C P diagram obtained by two different methods

由图5可知：按7.74 m/s的来流风速作λ-CP图时，三者之间的关系与功率曲线一致，功率最大的位置CP最高，功率最小的位置CP最低；按各自等效风速所作λ-CP图则差别很大，尤其是挡流板在X=0.52m，Y=0.36m处时，虽然发电功率较无挡流板时明显增大，但其CP却出现了下降，λ-CP曲线的运行范围也变小；当挡流板在X=0.52 m，Y=0 m处时，虽然发电功率较无挡流板时明显降低，但λ-CP曲线的下降趋势却并没有功率曲线那么显著。两种方法所得到的结果差别明显，究其原因是挡流板对来流风场的干扰作用使得来流风发生了巨大变化。

图6 来流风均匀性分布图Fig.6 Uniformity distribution of incoming air

图6为来流风均匀性分布图。'

由图6可看出：来流风的均匀性变差，当挡流板位于X=0.52 m，Y=0.36 m处时，风速与等效风速之间的误差为10%以内的测量点所占比例由无挡流板时的78.57%降为47.6%，且出现了11.9%的点误差超过20%；当挡流板位于X=0.52m，Y=0m处时，只有19%的误差小于10%，甚至测量风速与等效风速之间的最大误差达到了68.6%。各测量点之间的风速变化较大，来流风不均匀性增加，这也是添加挡流板后风力机CP降低的原因。

因此，当辅助装置或者建筑物与风力机相结合时，应以功率或转矩来量化分析实际效果。此外，功率增大并不意味着风能利用效率的提升，应该根据变化后的实际迎风面风速计算CP。添加挡流板后，风力机功率的变化主要是由于迎风面来流风速的改变所致，同时，由于挡流板对流场的扰动，使得来流风不均匀性增强，最终导致CP下降。

5 结论

本文采用试验研究的方法，分析了前置挡流板的位置参数对垂直轴风力发电机发电功率的影响，并提出一种新的CP计算方法，得到以下结论。

①当前置挡流板以θ=90°安装于X=0.52 m，Y=0.36 m处，对垂直轴风力机性能有最佳影响效果，风力机功率最大，比无挡流板时提升最多，风力机的最大功率为18.17 W，比无挡流板时高21.54%，此时风速利用区间也最大。

②挡流板距离风轮越近，对发电功率所造成的负面影响越明显，随着距离的增大，发电功率会逐渐上升甚至超过无挡流板时，但最终将会越来越接近无挡流板时。

③挡流板与地面的夹角将会使来流风的流动方向发生变化，使得流动阻塞和尾迹区域发生偏移，低风速范围空间对风轮的影响趋势发生变化。随着角度的减小，距离对风力机发电功率的影响将会延后。

④当辅助装置或者建筑物与垂直轴风力机相结合时，应该以功率或转矩来量化分析实际效果。添加挡流板等辅助装置后，功率增大并不意味着风能利用效率的提升，应该根据变化后的实际迎风面风速计算CP。