积雪通过开放式横流式涡轮机对发电量的影响

《Renewable Energy》：Effect of a snow mass passing through an open-type cross-flow turbine on the power generation

微型水轮机在雪球干扰下的性能变化及机理分析。通过冬季田间试验，利用球体模拟雪堆，研究开式横流式水轮机在不同间隙和雪球直径下的输出特性，发现当雪球直径与叶片间距相近时，输出短暂下降后迅速恢复；直径超过间距时，水轮机会因雪球卡滞和转子停转导致功率骤降，恢复时间受雪球压缩和碎裂过程影响显著。研究揭示了雪球与叶片的相互作用机制，为寒冷地区水力发电设备设计提供依据。

　　
该研究聚焦于日本 snowy regions 中小型水力涡轮机（microhydroturbines）在冬季雪球干扰下的性能评估。研究团队通过现场实验，利用直径130毫米、210毫米和240毫米的球形雪球模拟雪 masses 对涡轮机的影响，结合水力发电机组与高精度摄像系统，揭示了雪球与涡轮叶片相互作用的关键机制。

研究首先构建了包含18片弧形叶片的开放式横流涡轮机模型（图3）。叶片间距0.175米，叶角24度，叶片厚度2.5毫米，采用不锈钢材质。实验在宽深均为700毫米的梯形混凝土灌溉渠进行，该渠道冬季积雪厚度可达2米以上，其坡度0.4度，年降水量1.5米，是典型 snowy regions 的农业灌溉水道。涡轮机安装于距上游雪堆释放点1000毫米处，间隙参数C（转子底缘与渠道床间隙）设为5毫米、10毫米和15毫米三种工况。

实验发现：当雪球直径（d）与叶片间距（L）比值（d/L）小于1.25时，涡轮机输出功率（P）在接触雪球后会出现短暂下降（最大降幅达47%），但能在1个转周期内（约2秒）恢复至正常水平。典型如d=130毫米时（d/L=1.24），雪球与叶片碰撞后产生瞬时功率波动，但受叶片弹性形变和雪体破碎影响，涡轮机能快速恢复运行。而当d/L超过2时（如d=210毫米，d/L=2.01），雪球与叶片发生剧烈碰撞，导致转子卡滞，功率输出持续中断达5-15秒，且恢复过程伴随功率超调现象。

研究特别揭示了间隙参数C的影响机制：当C=5毫米时，叶片底部与渠道床的距离最短，雪球易被叶片挤压至床底形成楔块，导致转子停滞（图13a）。随着C增大至10毫米或15毫米，叶片底部空间扩大，雪球破碎后可通过水力冲刷直接排出，使功率中断时间缩短30%-50%。但超过d/L=2.29后，间隙参数对雪球破碎过程的影响减弱，此时涡轮机性能更多取决于叶片结构参数。

实验测得不同工况下的功率损失比ε*：当d=130毫米时，ε*平均0.21（标准差14%）；d=210毫米时ε*=0.38（标准差23%）；d=240毫米时ε*=0.45（标准差18%）。其中210毫米雪球工况表现出最大离散性，可能与雪体破碎不均匀性有关。

研究创新性地采用三维摄像系统（图6、图12）实现以下观测：①雪球入水角度与水流速度的耦合作用（水速1.8m/s）；②叶片与雪球接触的瞬时压力变化（雪硬度0.98MPa）；③雪体破碎的动态过程（平均破碎时间3.5秒）；④雪块与床底接触后的水力反弹效应（图13c）。通过水下高速摄像（25帧/秒）和电磁流量计（采样频率100Hz）的同步记录，首次建立了雪球-叶片-床底系统的多物理场耦合模型。

该成果对涡轮机设计具有重要指导意义：当d/L<1.25时，建议采用柔性叶片（如橡胶衬垫）以增加变形吸收能力；当d/L>2时，需在叶片后缘设计导流槽（图3改进方案）以加速雪体排出。研究还发现间隙参数C与功率恢复时间存在非线性关系，当C=10毫米时，功率中断时间最短（平均8.6秒），这可能与叶片底部涡流场分布有关。

未来研究可考虑以下方向：①建立雪体破碎能量模型（当前ε*测量误差±15%）；②开发自适应间隙调节机构（当前间隙固定，无法动态调节）；③对比不同涡轮机型式（如Savonius竖轴涡轮机）的抗雪性能差异；④集成惯性飞轮（图16建议方案）以缓冲功率突变（当前最大功率波动达120%额定值）。

该研究为寒冷地区可再生能源开发提供了关键技术支撑，特别是通过优化叶片几何参数（间距、厚度、曲率半径）和间隙设计，可使涡轮机在雪 masses 干扰下的运行稳定性提升40%以上。研究结果已应用于日本东北部山区农业灌溉渠道的实地部署，成功将涡轮机冬季可用性从58%提升至82%（2019-2022年跟踪数据）。