在風電機組葉片根部、迎風面等位置黏貼相關組件，可以改善風電機組葉片的氣動性能、抑制失速，提高風能利用系數(shù)。2014 年初以來，我們小組比對了國內(nèi)外葉片增功組件文獻，并對國內(nèi)葉片增功組件的應用情況進行調研論證，自主設計完成了三種型式的增功組件，在某風電場的2 臺機組上分別進行安裝試驗。安裝增功組件前后的發(fā)電量數(shù)據(jù)對比顯示，葉片安裝增功組件后發(fā)電量顯著提升。本文將重點說明葉片增功組件的結構型式、工藝流程、數(shù)據(jù)分析及比較結果，為下一步增功組件的深入優(yōu)化和推廣應用提供參考方法和數(shù)據(jù)支持。

　　增功組件的結構型式

　　一、渦流發(fā)生器

　　我們在每支葉片上布置有一到兩列渦流發(fā)生器，呈條狀安裝在葉片吸力面根部過渡段至葉展中部區(qū)域，覆蓋面超過葉展一定比例，位于弦向某位置附近處。為更好地抑制葉片表面氣流失速現(xiàn)象(針對風電場實際情況)，本次設計專門將渦流發(fā)生器的安裝位置向前緣方向進行了調整。前期設間隔Z、長度L、間距S、傾角β、底座寬、距前緣距離等參數(shù)進行了詳細規(guī)定。

       
二、阻力板

　　阻力板由與葉片同材質的復合材料制成。每支葉片安裝多塊擾流板，呈“一字型”固定在葉片壓力面根部位置，與前緣方向呈一定夾角。單塊阻力板尺寸、重量、各板間距、厚度等參數(shù)都經(jīng)過認真計算和施工工藝考慮確定。擾流板底座總體呈長方形，尺寸根據(jù)葉片型式不同而不同，使用專用膠固定(有一定弧度以便粘接)在葉片上。沿展向從距葉根一定位置處開始安裝，對起點距后緣的距離、終點距后緣的距離都進行了明確規(guī)定。

　　三、格尼襟翼

　　格尼襟翼由與葉片同材質的復合材料制成。每支葉片安裝多塊格尼襟翼，呈弧形一字排列在葉片尾緣最大弦長處。為保證強度，在后緣處預留了一定距離，沿葉展方向與T 型擾流板相鄰，詳見圖2。每塊襟翼夾角為直角，固定安裝間距，使用專用膠粘接固定在葉片上。

       
安全性分析

　　本次研究，為保證葉片安裝增功組件后重要部位載荷不超允許范圍，研究人員根據(jù)GL 規(guī)范，利用Blade 軟件對某風電場77/1500 機組模型LM37.3 葉片帶渦流發(fā)生器以及不帶渦流發(fā)生器在同一風區(qū)下(IEC IIA) ，分別根據(jù)葉片坐標系、輪轂坐標系、塔架坐標系進行了載荷計算，對比結果分別見圖3、圖4、圖5。

       

       
比較可得，對于LM37.3 葉片帶渦流發(fā)生器以及不帶渦流發(fā)生器，極限載荷以及疲勞載荷，葉根Mx 、My 、Mxy，輪轂中心My 、Mz 、Myz ，塔頂載荷My 、Mxy ，塔底載荷My 、Mxy 等主要載荷變化幅度最大在2% 左右。這遠小于風電機組在設計過程中預留的15% -35% 的載荷余量，所以在葉片上安裝渦流發(fā)生器等小型增功組件對風電機組載荷影響不大，在其允許載荷范圍內(nèi)。

　　增功組件的安裝工藝流程

　　分別選定某風電場306 機組、103 機組作為改造機組。同類增功組件采用批次安裝方法，以便分析單一種類增功組件的作用效果。即，首先在306 機組上安裝渦流發(fā)生器;然后安裝103 機組的三類增功組件，同時收集306 機組的實時數(shù)據(jù);最后安裝306 機組的T 型擾流板和格尼襟翼。

　　安裝施工采用吊籃作業(yè)方法，未使用大型吊裝設備，節(jié)省了成本和時間。開工前對安全措施、原材料、工具、施工機械進行了檢查。通過劃線、打磨、粘貼、烘干、膠衣修復、固化等作業(yè)工序，用10 天時間完成了2 臺風電機組的增功組件安裝。

　　一、定位與粘貼的質量控制

　　葉片安裝增功組件的工藝難點在于確定安裝位置和保證粘貼質量。葉片表面是曲率變化的曲面，為了精確找到設計的安裝點，現(xiàn)場制作了專用的測量工具，用于在葉片上定位。為保證粘貼質量，施工對粘接劑的厚度和均勻程度均進行了控制，其中對渦流發(fā)生器、阻力板和格尼襟翼的膠層厚度均進行了不同標準限定，并對烘干溫度和固化時間進行了嚴格規(guī)定。這些數(shù)據(jù)均來源于地面上預先進行的粘貼試驗和拉力測試。

　　二、施工環(huán)境條件控制

　　施工期為10 月27 日至11 月12 日，施工期間某風電場的氣溫均在10 ℃以上，滿足施工條件。施工方案中針對下雨采取了防范措施，為保證葉片原有纖維的強度，表面打磨和膠衣修復工作均控制在晴朗天氣條件下進行。部分施工過程及安裝效果見圖6。11 月12 日，成功完成了2 臺風電機組的增功組件安裝。

       
安裝前后數(shù)據(jù)對比分析

　　一、機位選擇

　　試驗風電場位于沿海灘涂區(qū)，裝機容量49.5MW ，安裝有33 臺1.5MW 風電機組。其中，19 臺使用昆山華風葉片，12 臺使用丹麥艾爾姆LM37.3P2 型葉片，其余2 臺使用東汽自產(chǎn)葉片。改造風電機組和對比風電機組的選擇原則為：

　　(1)風電機組運行情況良好且無限電，發(fā)電能力接近。

　　(2)風電機組位置在風電場具有代表性，與對比風電機組間距大于5 倍-6 倍風輪直徑。

　　(3)風電機組主風向10 倍風輪直徑內(nèi)無其他風電機組或障礙物。

　　(4)風電機組所處地形平坦。

　　綜合考慮以上因素及施工場地條件，確定在臨海一側的306 機組和風電場西南邊緣的103 機組上安裝增功組件。在對比風電機組的選擇上，306 機組與臨近307 機組對比，103 機組與臨近102 機組對比。其中，306 機組和307 機組采用昆山華風葉片，102 機組和103 機組采用LM 葉片。

　　二、提效情況分析

　　(一)306 風電機組改造前后數(shù)據(jù)分析

　　圖7 給出了改造前后的發(fā)電量曲線。需要指出的是，盡管采用了批次安裝增功組件的方式以便分離各類組件的增升作用，由于SCADA 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄及安裝時間問題，僅收集到部分風速段下單獨安裝渦流發(fā)生器后的發(fā)電量。

       
根據(jù)某風電場代表年的風頻威布爾分布數(shù)據(jù)圖，結合增功組件安裝前后各風速段的發(fā)電量計算結果，計算得出306 風電機組改造前后的年發(fā)電量提升了3.37% 。其中，改造后采樣點不足處，按照風速高于12.5m/s 后發(fā)出額定功率計算。

　　(二)103 風電機組改造前后數(shù)據(jù)分析

　　按照目前的運行情況，利用某風電場風電場代表年的風頻威布爾分布數(shù)據(jù)，計算得出103 風電機組改造后的年度發(fā)電量提升3.63% ，如圖8。

       
(三)改造風電機組與鄰近風電機組的對比

　　科學的數(shù)據(jù)分析方法是驗證風電機組提效結果的重要因素。因此在進行同一臺風電機組改造前后的縱向對比后，研究小組還進行了與鄰近機組的橫向數(shù)據(jù)對比。在進行橫向對比中，主要考慮了以下幾方面因素：

　　(1)忽略可能的尾流影響區(qū)域。根據(jù)IEC61400 -12 標準計算，307 機組在306機組北偏西方向15 °，兩風電機組直線距離590 m ，需剔除風向(340°-350 °)及(160°-170 °)的兩臺風電機組互相影響扇區(qū)內(nèi)的功率點;103 機組在102 機組的西偏北10 度，因此剔除風向(275°-285 °)及(95°-105 °)扇區(qū)的功率點。

　　(2)改造風電機組與對比風電機組中任一臺機組故障時，均剔除此時段兩臺機組的數(shù)據(jù)。

　　(3)根據(jù)風電機組運行狀態(tài)代碼，剔除風電機組解纜、維護、限電時的數(shù)據(jù)。

          
       
式中Cp-風電機組的功率系數(shù)，A-風電機組的掃掠面積，ρ-空氣密度，v-風速。

　　風電機組葉片安裝增功組件后，風電機組的掃風面積A 沒有發(fā)生變化;空氣密度在改造前后的時間段內(nèi)變化也不大(這也是要求盡量采用時間段較近的區(qū)間進行功率比較的原因);而對于橫向對比的風電機組，兩臺臨近風電機組同一時間空氣密度基本一致。只有兩臺風電機組同一時間測得的風速略有差異?？梢酝ㄟ^剔除尾流扇區(qū)影響和選擇臨近且地面粗糙度接近的風電機組來減小風速差異。

　　由于葉片安裝增功組件是改變?nèi)~片的風能利用系數(shù)Cp 值來提高發(fā)電效率的，因此我們將306 機組與307 機組在10 月1 日至11 月30 日期間滿足上述條件的日發(fā)電量與當日平均風速的立方相除。用以評價306 機組在改造前(10 月27 日開工)與改造后(11 月6 日完工)風能利用情況(詳見圖9)。

       
用同樣的分析方法，將103 機組改造前(10 月1 日至11 月6 日)改造后(11月11 日至11月30 日)的有效電量與風速立方的比值與臨近的102 機組對比，得到圖10 中的曲線。

       
(四)經(jīng)濟效益評價

　　風電場2012 年-2013 年平均利用小時為1630 h ，按上網(wǎng)綜合電價為0.67 元/kWh 計算，按照平均提效3% 保守計算，風電場33 臺風電機組全部改造后，年增加收益為1630×4.95×3%×0.67 =162.18 萬元。

　　結語

　　本文介紹了在某試驗風電場機組上安裝渦流發(fā)生器、阻力板和格尼襟翼三種增功組件的結構形式、安裝位置、施工工藝，闡述了數(shù)據(jù)收集、效果對比的方法。結果顯示，在風電機組上安裝渦流發(fā)生器、阻力板和格尼襟翼3 種增功組件可以實現(xiàn)發(fā)電量提升。風電場2 臺機組安裝3 種增功組件前后的發(fā)電量數(shù)據(jù)顯示，其年發(fā)電量預計可增加3% 以上(其中306 機組提升3.37%，103 機組提升3.63% )。風電場全部改造后，年增加收益約為162.18 萬元人民幣，預計投資回收期不足2 年，按照風電機組還剩15 年的使用壽命計算，某風電場風電場在設計壽命內(nèi)可增加收入162.18×15 -40.2 =2392.5 萬元。其中，40.2 萬元是3 臺風電機組安裝過程中扣除的電量損失費用。

　　同時，本次研究存在以下不足：

　　(1)由于風電場SCADA 系統(tǒng)的限制，同一時間只能錄波一臺機組的秒級數(shù)據(jù);加之施工時段接近11 月，時間限制僅收集到部分風速段下的渦流發(fā)生器數(shù)據(jù)，因此報告中單獨加裝渦流發(fā)生器的作用無法分析獲得其獨立的提效效果。

　　(2)為了獲得提效結果，需要改造前后全風速段的發(fā)電量數(shù)據(jù)。可用的秒級數(shù)據(jù)風速覆蓋不全，盡管如此仍然要處理近300M 的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理消耗了大量的時間和精力，這也為今后開發(fā)數(shù)據(jù)處理軟件提出了應用需求。

　　(3)數(shù)據(jù)分析使用了葉片安裝增功組件前后共2 個月的數(shù)據(jù)值，通過歷年氣象數(shù)據(jù)計算某風電場風電場在10 月-11 月期間空氣密度變化不大。根據(jù)日平均氣溫為最高氣溫和最低氣溫的平均值，月平均氣溫為該月各日平均氣溫的平均值，可以計算得出山東某風電場2014 年10 月和11 月的平均氣溫分別為16.73 ℃和16.57 ℃。結合空氣密度公式，空氣密度=1.293×( 實際壓力/ 標準物理大氣壓)×(273.15/ 實際絕對溫度)，絕對溫度=攝氏溫度+273.15 。且20 攝氏度時，空氣密度為1.205kg/m3。計算得出：某風電場10 月份平均溫度對應空氣密度1.2186kg/ m3;11 月份對應空氣密度1.2193kg/m3?？諝饷芏扔绊懸蛩貫?.2193/1.2186 -1 =0.057% 。因此數(shù)據(jù)處理中忽略了空氣密度對功率值的影響。