【摘　要】為進(jìn)一步發(fā)掘在運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電潛能，提升整場(chǎng)發(fā)電量，降低全生命周期的度電成本。應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和流程，對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉尖延長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，并將該技術(shù)在集團(tuán)某風(fēng)電場(chǎng)2MW機(jī)組進(jìn)行技改實(shí)施。結(jié)果表明，葉尖延長(zhǎng)后機(jī)組額定風(fēng)速?gòu)?0m/s降至9.5m/s，并經(jīng)過(guò)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)施后的階段性評(píng)估，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定全場(chǎng)整體發(fā)電量平均提升5%以上，項(xiàng)目投資回收期約為4年。該案例的實(shí)施為集團(tuán)其他風(fēng)電項(xiàng)目開展葉片延長(zhǎng)增功提效技改奠定了基礎(chǔ)。

 

　　【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電葉片延長(zhǎng)　技術(shù)改造　發(fā)電量

 

 

　　風(fēng)力發(fā)電是新能源發(fā)電技術(shù)中較成熟、具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式。我國(guó)風(fēng)電行業(yè)經(jīng)過(guò)近幾十年的高速發(fā)展，截至2017年底中國(guó)總裝機(jī)容量已經(jīng)高居世界第一[1]。風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命通常是20年，隨時(shí)機(jī)組運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，一些風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商開始尋求提升機(jī)組整體發(fā)電量、降低全生命周期的度電成本的解決方案。早期風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)安全裕度較大，機(jī)組風(fēng)輪直徑普遍偏小，風(fēng)輪捕風(fēng)能效和投資回報(bào)率都有較大的提升空間。同時(shí)，葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組吸收風(fēng)能的關(guān)鍵部件，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的葉片進(jìn)行技術(shù)改造可以達(dá)到提高發(fā)電量的目的[2]。

 

１.研究現(xiàn)狀

 

　　目前，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較廣泛的兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片增效技術(shù)包括氣動(dòng)附件技術(shù)和葉片延長(zhǎng)技術(shù)。其中，氣動(dòng)附件技術(shù)通過(guò)在葉片表面增加渦流發(fā)生器、襟翼或擾流板等[3、4]改變?nèi)~片表面流動(dòng)特性的方法來(lái)提升葉片的風(fēng)能利用率，從而增加風(fēng)機(jī)發(fā)電量。Erik[5]、Johansen[6]、LZhang[7]等分別通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法研究了渦流發(fā)生器在風(fēng)力機(jī)葉片是的機(jī)理和應(yīng)用，表明渦流發(fā)生器的形狀參數(shù)和位置參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)發(fā)電量的影響。郝禮書[8]、焦建東[9]等應(yīng)用試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算分析了渦流發(fā)生器對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片氣動(dòng)性能影響。

 

 

圖1：Bonus 1.3MW風(fēng)機(jī)葉片加長(zhǎng)前后功率曲線對(duì)比圖[10]

 

　　葉尖延長(zhǎng)增效技術(shù)基于傳統(tǒng)的動(dòng)量葉素理論，通過(guò)增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積的方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組增效，該方案被證明是提高風(fēng)機(jī)發(fā)電量經(jīng)濟(jì)性較高的可行技術(shù)[4]。德國(guó)Energiekontor公司2004年已經(jīng)在不同容量風(fēng)機(jī)葉片上安裝葉片葉尖延長(zhǎng)節(jié)進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)仿真計(jì)算的功率曲線與測(cè)量的功率曲線對(duì)比確認(rèn)風(fēng)機(jī)功率曲線確實(shí)得到了改善，如圖1所示。國(guó)內(nèi)云南某風(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)對(duì)某1.5MW機(jī)組采用延長(zhǎng)葉尖延長(zhǎng)1.8m的方式增功提效，測(cè)試風(fēng)能Cp從0.483提升到0.485，測(cè)算年發(fā)電量提升4.6%[10]。

 

　　但是，對(duì)于110米及以上的葉輪直徑風(fēng)機(jī)的葉片葉尖延長(zhǎng)的研究缺乏理論和工藝指導(dǎo)，通過(guò)聯(lián)合主機(jī)廠家開展葉片延長(zhǎng)設(shè)計(jì)和細(xì)致的載荷分析，最終形成葉尖延長(zhǎng)2米的可行方案，并成功應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)，獲得了良好的電量提升效果。

 

2.葉片增功理論

 

　　葉片增功的效果主要通過(guò)年發(fā)電量提升量進(jìn)行評(píng)估，其取決于風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速分布。

 

2.1 輸出功率

 

　　葉片延長(zhǎng)增效技術(shù)原理是基于傳統(tǒng)的動(dòng)量葉素理論，通過(guò)增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積實(shí)現(xiàn)葉片的增效。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的理論功率輸出表示為：

 

（1）

 

　　式中：P為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有效功率；為設(shè)計(jì)空氣密度；v為風(fēng)輪來(lái)流風(fēng)速；S為風(fēng)輪掃風(fēng)面積；為風(fēng)能利用系數(shù)。

 

　　由公式可知，在一定風(fēng)速和空氣密度下，風(fēng)力機(jī)的輸出功率P取決于Cp和風(fēng)輪掃風(fēng)面積。當(dāng)通過(guò)優(yōu)化葉片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)Cp最大時(shí)，影響機(jī)組輸出功率的核心因素是風(fēng)輪掃風(fēng)面積。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片葉尖延長(zhǎng)后將增加葉片長(zhǎng)度，增大風(fēng)輪掃風(fēng)面積，達(dá)到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增功的目的。

 

2.2 風(fēng)速分布

 

　　風(fēng)速分布作為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的重要參考因素，GL2010標(biāo)準(zhǔn)提供了威布爾函數(shù)和瑞利函數(shù)兩種分布函數(shù)，其中威布爾分布是目前應(yīng)用最廣泛的風(fēng)資料概率分布。本文以威布爾函數(shù)進(jìn)行載荷和年發(fā)電量的計(jì)算，其表達(dá)式為：

 

?。?）

 

　（3）

 

　　式中，V輪轂高度風(fēng)速，p(V)風(fēng)速V出現(xiàn)的概率，威布爾函數(shù)尺寸參數(shù)，威布爾函數(shù)形狀參數(shù)，輪轂高度處年平均風(fēng)速。

 

2.3 年發(fā)電量

 

　　風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量不僅取決于風(fēng)電機(jī)組自身的輸出功率，還與風(fēng)場(chǎng)風(fēng)況有密切的關(guān)系。年發(fā)電量計(jì)算公式可表示為：

 

　　（4）

 

　　式中，為年發(fā)電量，為切入風(fēng)速，為切出風(fēng)速，為輪轂高度處風(fēng)速，為機(jī)組在風(fēng)速V的功率，為風(fēng)速V出現(xiàn)的概率。

 

3.葉尖延長(zhǎng)方案分析計(jì)算

 

3.1延長(zhǎng)葉尖設(shè)計(jì)技術(shù)

 

　　同等條件下，葉輪直徑?jīng)Q定風(fēng)機(jī)輸出功率，葉輪直徑的選取又與當(dāng)?shù)仫L(fēng)況、風(fēng)剪切系數(shù)有關(guān)系。因此，某一機(jī)型選取合適的葉片長(zhǎng)度需要有效利用當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)資源，通過(guò)最優(yōu)發(fā)電量的多次迭代設(shè)計(jì)出成本最優(yōu)氣動(dòng)效率高的葉片[11]。

 

　　結(jié)合集團(tuán)某風(fēng)電場(chǎng)2.0MW機(jī)組所處的地理位置，對(duì)該機(jī)組安裝2.0MW-54A1葉型進(jìn)行葉尖延長(zhǎng)改造的可行性進(jìn)行分析，原機(jī)組的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

 

表1：原機(jī)組相關(guān)參數(shù)（輪轂中心數(shù)據(jù)）

 

　　該機(jī)型葉片的延長(zhǎng)方案應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)驗(yàn)證原機(jī)組的載荷裕量，初步確定延長(zhǎng)長(zhǎng)度、延長(zhǎng)起點(diǎn)、延長(zhǎng)節(jié)的外形參數(shù)（翼型、扭角和弦長(zhǎng)等），經(jīng)過(guò)多次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和載荷迭代計(jì)算，確定延長(zhǎng)節(jié)外形參數(shù)設(shè)計(jì)，如圖2-4所示。

 

 

圖2：延長(zhǎng)前后葉片弦長(zhǎng)對(duì)比

 

 

圖3：延長(zhǎng)前后葉片扭角對(duì)比

 

 

圖4：延長(zhǎng)前后葉片相對(duì)厚度對(duì)比

 

　　多次迭代計(jì)算的目的是在整機(jī)匹配性和葉片發(fā)電表現(xiàn)之間尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，保證在有限的延長(zhǎng)長(zhǎng)度前提下，最大限度增加發(fā)電量，最終確定安全的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

 

 

圖5：延長(zhǎng)節(jié)設(shè)計(jì)流程

 

圖6：葉尖延長(zhǎng)模型示意圖

 

　　根據(jù)優(yōu)化后的葉片參數(shù)對(duì)Bladed整機(jī)模型進(jìn)行設(shè)置，將技改后的葉片模型輸入到Bladed中，采用FOCUS與ANSYS軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定2.0MW-54A1葉型葉片延長(zhǎng)至56m。葉片延長(zhǎng)模式示意如圖6，白色部分為原始葉片，藍(lán)色部分是延長(zhǎng)葉片葉尖部分。延長(zhǎng)部分設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

 

　?。?）葉片延長(zhǎng)部分采用NACA0018高升阻比層流翼型，保證葉尖具有優(yōu)秀的氣動(dòng)性能。

 

　?。?）葉片連接部分采用貝塞爾三次擬合曲線，保證葉尖延長(zhǎng)部分與原葉片過(guò)渡平滑，使得葉片氣動(dòng)載荷不突變，確保葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與安全性。

 

 

圖7：靜態(tài)功率曲線對(duì)比

 

3.2發(fā)電量增益評(píng)估

 

　　通過(guò)Bladed仿真計(jì)算出原54m葉片和技改后56m葉片機(jī)組的靜態(tài)功率曲線，對(duì)比得出56m葉片機(jī)組的理論靜態(tài)功率曲線在達(dá)到額定功率之前明顯優(yōu)于原54m葉片機(jī)組，靜態(tài)功率曲線對(duì)比如圖7所示。

 

　　技改后56m葉片機(jī)組額定風(fēng)速?gòu)?0m/s減小到9.5m/s，其主要原因在于葉尖延長(zhǎng)節(jié)增大了風(fēng)輪掃風(fēng)面積的同時(shí)，也提高了風(fēng)電機(jī)組葉片的最大功率系數(shù)由0.484提升到0.486，從而使得風(fēng)電機(jī)組在更低的風(fēng)速下達(dá)到額定功率。

 

　　根據(jù)靜態(tài)功率曲線，結(jié)合公式（1）——（4）計(jì)算風(fēng)電機(jī)組技改前后在不同年平均風(fēng)速下的年理論發(fā)電量增益結(jié)果如表2所示。

 

表2：理論年發(fā)電量增益表

 

 

　　從表2可以看出，隨著年平均風(fēng)速的增加，年發(fā)電量增益逐漸減少。其中，年平均風(fēng)速為5m/s時(shí)，年發(fā)電量增益最大為5.73%。因此，葉尖延長(zhǎng)技改方案將對(duì)低風(fēng)速地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組提供可觀的年發(fā)電量增益。

 

4.延長(zhǎng)葉尖工藝

 

　　本文中描述的葉尖延長(zhǎng)方案主要針對(duì)在線安裝，因此安裝的工藝和流程也大大增加方案的可實(shí)施性。本產(chǎn)品采用小葉尖對(duì)接的安裝工藝，主梁與腹板膠接作為主要承載方式，先將原葉片切除一定長(zhǎng)度并留下原腹板，然后將已生產(chǎn)好的單腹板小葉尖粘接在原葉片葉尖，然后將PS蓋板對(duì)接到相應(yīng)位置用于封閉PS面。延長(zhǎng)葉尖工藝示意圖如圖8所示。

 

 

圖8：延長(zhǎng)葉尖工藝示意圖

 

 

圖9：葉片延長(zhǎng)整體施工流程

 

4.1延長(zhǎng)葉尖工藝流程

 

　?。?）原葉片葉尖截?cái)啵簩⒃~片52m\52.3m處切斷葉尖并保留一定長(zhǎng)度的腹板；

 

　　（2）延長(zhǎng)小葉片制作：小葉尖為單腹板結(jié)構(gòu)，SS面為L(zhǎng)52-56m，PS面為L(zhǎng)52.45-56m；

 

　?。?）小葉尖在線對(duì)接：先將SS面連接，制作PS蓋板與PS面殼體粘接；

 

　　（4）連接處表面修型：對(duì)接完成后，打磨平整，刮膩?zhàn)樱⑵帷?/div>