文献分享丨分布式风力发电的挑战-EAWE2022
前言：世界上最大的旋转机械，非风力发电机莫属。
本文主要分享EAWE欧洲风能学术在2022年公开的一篇文章。同年，NREL在EAWE上发表了用FAST计算垂直轴风力发电机气弹的文章：A multipurpose lifting-line flow solver for arbitrary wind energy concepts，能对垂直轴风力发电机进行气弹建模（Aeroelastic Modeling）的方法。
注：仅阐述了与垂直轴风力发电机相关的内容（或许包含一部分水平轴的，那也是为了对比），点击原文链接可正常跳转。
1 概述，背景
对电气化程度不高的国家，比如南非，有10万台分布式风力发电机在运行。
因为在之前有一个啥行动，所以我国有一段时间分布式风能还是挺火的，全世界至少有1.8GW的总安装容量，如下表
预测未来的装机容量发展如下图，但是应该是低估了，因为文章发表的时候新冠仍笼罩全球。
制约分布式风机发展的主要原因是经济性不足：
投资成本受政策影响较大
与大兆瓦机组相比，机位选择对AEP影响更大
LCOE高（经济性不足）
其中，0~50kw左右风机购买的成本，随着装机容量在降低，但是降低到10-15kw时差不多稳定了（2012年的数据，主要针对水平轴风机，）
风力发电机成本的分布（示例）， 60 kW ，EW16 Eunice Energy Group，2021 年：
注意，对10kw以下风机，叶片成本占比提高7%，发电机的成本相应下降
搞笑的是，在2013年的一个研究中，43家供应商接受调查，其中15家声称功率系数高于理论最大值或 Betz-Joukowsky 极限(Simic et al., 2013)
2 小型风力发电机与兆瓦级风机的区别
气动
尺寸的减小与湍流的作用，导致分布式风机面临重大问题。
其中最大的就是雷诺数的变化，低雷诺数导致层流分离泡laminar separation bubble
层流分离泡：当流体流过物体表面时，如果雷诺数较低，流体可能会以层流的方式从物体表面分离，形成一个称为层流分离泡的区域。这个区域会导致流体流动的扰动和阻力的增加。
叶片升阻比降低，建议选择低雷诺数翼型和厚度较小的翼型（容易失速）。
分布式风机叶片的升阻比对雷诺数敏感，然而最大升阻比的攻角也同样依赖于雷诺数，两个变量同时与雷诺数相关，导致正确模拟风机十分困难，建议设计参考风洞试验的升阻力数据。
另外高海拔区域的分布式风机，运行的空气密度更低，表现将会更差，功率输出会降低10%以上。
控制
由于湍流大，平均风速较低，分布式风机往往具有更多的启动和停止的次数，对于较小的风机，建议采用将发电机短路来停机（电磁制动）
小型水平轴风机的被动偏航的模拟仍是难题，倾斜入流，动态尾流仍是风力发电行业的一个重要研究课题
对于小型风机，其动态特性更为明显，偏航速率高，在转子尾部对风轮的气弹以及风机整体动态响应引入了额外的不确定性与非线性
结构和气动弹性建模
一般小风机的供应商基本不是风能行业出生，很少使用专业的气弹代码Bladed，OpenFAST等，另外标准要求设计人员进行上千个模拟，这些若不是专业的大型风电厂家或者学术领域，一般是很难实现的。
公开的气动弹性模型可以很好地适应传统的三叶大型水平轴风机，对于被动偏航小型水平轴风机来说效果较差，并且对于被动偏航、大攻角变化、叶尖绕流的垂直轴风力机的验证代码就更少了。常见的代码如下（NREL CIP Fall Worksh，Drew Gertz）：
3 垂直轴风力机与其他新型的风机
对于新型的风机结构来说，除了加导流罩的水平轴风力机外，一般新型的结构基本绕不开垂直轴风力发电机。
风机原型与涉及标准
垂直轴风力发电机叶尖速比低，但是需要更贵、体积更大的发电机以及机械制动器。
对于小型（3kw以下）的VAWT，设计一般采用高实度转子，弦长较大，这样能够增加雷诺数
在不少的试验和学术报告中（Alessandro Bianchini），就已经证实了垂直轴风力发电机能够产生和小型水平轴风力发电机相当的功率系数
与大兆瓦风机不同，小风机还没有形成一种主导的机型结构，甚至千奇百怪，，，对小型风机的标准化和认证造成了不小的挑战
小型水平轴风机，主动变桨，失速控制，被动/主动偏航等：
小型垂直轴风力机，阻力型，升力型，复合型，Q型，H型等：
小型风机的标准IEC 61400-2，相对于IEC 61400-1进行了许多简化，包括可以使用SLM，以及减少DLC数量等。但是无论如何，小型风机都需要进行6个月的耐久性测试（当然就没几台做过）。
4 促进分布式风机的发展
1 通过优化设计与控制方法，提高新型分布式风机功率系数（特别是在湍流风中）
2 在有限的测试中，提高预测风机长期运行能力的准确性
3 提高分布式风机的经济性
4 促进分布式风机对能源电力系统的贡献
5 促进全球分布式风机市场的部署、公众接受度和发展
具体改进领域及措施（部分）：
空气动力学：重点是开展低雷诺数下的翼型空气动力学特性研究，低雷诺数翼型的研究，已经搁置了20年。
气弹建模：目前可用的气动弹性代码均不包含尾翼模型。对VAWT的气弹建模也非常有限。需要更高保真度的建模和仿真的低阶计算工具，以支持设计和优化在复杂环境中的风机。
发电机和传动系统：永磁发电机在 10 kW 以下容量中的应用很少，可选的现有产品很少，分布式风机的制造商大概率自主设计和制造永磁发电机。非常符合国内情况。未来需要最小化传动系统和发电机阻力，特别是齿槽转矩（可能是分布式风机在极低风速下启动的主要障碍）。
现场数据的开放获取：无法准确地预测性能会让客户对小型风电失去信心，并影响融资。不过这也主要是因为对风资源，以及风机的运行情况把握不清。
参考文献：
Bianchini, A., Bangga, G., Baring-Gould, I., Croce, A., Cruz, J. I., Damiani, R., Erfort, G., Simao Ferreira, C., Infield, D., Nayeri, C. N., Pechlivanoglou, G., Runacres, M., Schepers, G., Summerville, B., Wood, D., and Orrell, A.: Current status and grand challenges for small wind turbine technology, Wind Energ. Sci., 7, 2003–2037, https://doi.org/10.5194/wes-7-2003-2022, 2022.
来源：公众号：今夜你不必盛装