新型城市微風發(fā)電裝置﹡

文 | 李濱海，季豐，秦洪艷

隨著風電產業(yè)的逐漸普及和深入人心，風電技術發(fā)展所面臨的問題也日益突出。雖然現(xiàn)在全球風電裝機容量已經超過了30萬MW，但是能夠提供實際使用的電能卻遠遠達不到這個數(shù)量級。當前風電技術主要針對高風速大容量地區(qū)，所以在現(xiàn)階段，幾乎所有商業(yè)化運行的風電場都位于遠離人口聚居地的偏遠地帶，并且多數(shù)是常年刮大風的惡劣氣候地區(qū)。由此帶來了基礎建設、電力輸送、監(jiān)控管理、設備維護、安全運行和使用壽命等諸多方面的難題。這些問題不僅大大增加了風電技術的難度，還提高了風電的使用成本，使得本無成本的風能發(fā)出的電價卻超出了傳統(tǒng)的火力發(fā)電電價。

自然環(huán)境中風力的變化和不連續(xù)性也給風電的應用造成了困擾。風電直接接入傳統(tǒng)電網會造成明顯的電力波動，大量風電的接入可能導致傳統(tǒng)電網的癱瘓。為了充分利用新能源，打造節(jié)能型社會，世界各國都在發(fā)展智能電網技術。然而在風電能源的接入方面，我國還有待重大突破。

面對以上困境，風電技術發(fā)展出現(xiàn)兩極分化的趨勢。一方面，傳統(tǒng)風電技術向超大型高速風電機組發(fā)展；另一方面，小型微風低速發(fā)電機正在逐漸興起。低速微風發(fā)電機具有寬泛的適應性和靈活性，正逐漸向城市地區(qū)滲透。城市是人口聚集的地區(qū)，電力需求最大。在城市地區(qū)現(xiàn)場發(fā)電，就地使用將非常有效地解決風力發(fā)電成本過高的問題。因此，微風發(fā)電對于擴大風電技術的應用范圍，降低實施難度和使用成本等方面起著日益重要的作用。

本文根據(jù)在城市中風力觀測的實際結果，針對性提出城市型風電機組的特殊設計要點，并設計和制作了樣機，驗證了實際使用性能。

城市型風電機組設計要點

當前的微風發(fā)電機組主要針對風能資源相對不太豐富的地區(qū)。根據(jù)《JB/T 9740－1999低速風電機組》標準規(guī)定，低速風電機組起始工作風速4m/s，額定工作風速6m/s－9m/s。而這個工作條件，對于全國大部分城市而言，尚難以滿足。為了掌握城市風電場的實際特性，以便針對性設計適合城市環(huán)境的微風發(fā)電機組，在前期項目中專門針對城市風力環(huán)境進行了監(jiān)測、統(tǒng)計和分析。根據(jù)分析結果，總結出以下需要解決的不同于傳統(tǒng)風力發(fā)電技術要求的關鍵問題：

（1）風速很低。根據(jù)對城市中居民樓抽樣的統(tǒng)計，全年平均風速低于1m/s。全年風速超過2m/s的時間段僅有1/5，不超過2000h。因此，城市地區(qū)屬于風能資源貧乏區(qū)。

（2）風力連續(xù)性很差，風向變化頻繁。對于水平軸風電機組而言，頻繁對風將浪費很多寶貴的工作時間。

（3）城市內部風電場屬于完全的湍流區(qū)域，普通風電機組無法正常工作。

（4）擁擠的城市中寸土寸金，風電機組難以獲得大范圍的工作場所。

這些問題都是導致傳統(tǒng)風電機組無法在城市中使用的直接原因。要想將成熟的傳統(tǒng)風力發(fā)電技術應用到城市中來，就必須找到針對以上問題的技術方案。

城市型風電機組的新結構

一、提高風速和風能密度的結構

傳統(tǒng)風電機組發(fā)電技術也已成熟，但是最低3m/s以上的工作風速使得傳統(tǒng)風電機組在城市地區(qū)幾乎無用武之地。許多前人在發(fā)展低風速風電機組方面做出了很多研究。其中收縮器和擴散器因結構簡單、效果明顯而被廣泛應用。

圖1為同時具有收縮器和擴散器結構的集風罩示意圖，可以用薄板制作。氣流從收縮器進入，經過中間狹窄通道后從擴散器流出。根據(jù)質量守恒定律：

V1A1＝V2A2＝V3A3＝Q

式中：V1、V2、V3分別為入口、管道中部、出口處的氣流速度；

A1、A2、A3分別為入口、管道中部、出口處的橫截面積；

Q為氣體流量。

集風罩內的氣流是連續(xù)的，由于A1和A3的截面積大于A2，所以管道中部的氣流速度V2要高于V1和V3。在集風罩中部安裝風電機組就可以捕獲到較高的風速。同理，根據(jù)熱力學第一定律，能量都是守恒的。管道中部和進出口處的總能量是一樣的，這樣在面積較小的管道中部就獲得了較大的風能密度，有利于風電機組的啟動和工作。無論是收縮器還是擴散器，都可以將大面積的風能向小面積流道內集中，提高中央風道的氣流速度和能量密度。因此，合理利用收縮器和擴散器，可以在較低的環(huán)境風速下實現(xiàn)風輪處通過較高的氣流速度，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)風電機組工作風速的下延。集風罩中間的收縮管道可以做成圓形，也可以做成方形。圓形適用于水平軸式風電機組，方形適用于垂直軸風電機組。

直接計算集風罩提高風速和風能密度的程度是困難的。制作樣機進行實驗可以得到參考數(shù)據(jù)。圖2是用鍍鋅鋼板制作的簡易集風罩在室外自然風環(huán)境中測試的結果，大約可以提高風速1.5倍。

二、萬向迎風結構

垂直軸風電機組通常具有萬向迎風能力，無需進行對風操作，但其效率較低。多數(shù)風電機組采用水平軸結構型式來獲得高效率，但不適合風向多變的場合。在城市中想要采用高效率的水平軸式風電機組，就必須配備萬向進風結構。圖3所示為具備雙向各90°進風角度的集風罩，在進風口安裝數(shù)個向心布置的導流板，可引導迎風面大約90°范圍內的來風進入中間管道，推動風輪旋轉。該結構可實現(xiàn)固定位置的風電機組雙向180°角迎風。此時用另一個集風罩垂直交叉布置時，便可實現(xiàn)360°全向迎風。圖4為完整的萬向迎風結構，擁有兩個集風罩，內部裝有兩個風電機組。對于任意方向來風，至少有一個風電機組進行工作。兩個風電機組并聯(lián)輸出。

圖1 同時具有收縮器和擴散器結構的集風罩

圖2 集風罩在室外環(huán)境中測試提速效果

圖3 氣流在安裝導流板的集風罩內流動路徑

圖4 萬向迎風結構工作原理

三、湍流環(huán)境的適應能力

城市中大量建筑物的存在導致城市風電場為完全的湍流狀態(tài)。湍流流經圖3和圖4 所示的導流式集風罩時，會在導流板的作用下部分轉化為定向流動的穩(wěn)流，從而有效驅動風電機組。因此，普通風電機組加裝集風罩后便可在湍流中工作。

四、電力輸出特性

傳統(tǒng)家用和商用電力線路為380V三相交流電路。目前的商用風電機組大多可以接入電力線路，但控制電路復雜，并不可避免地產生沖擊，影響線路穩(wěn)定性。

新型微風發(fā)電機組主要針對城市風電場設計使用，可利用風能很少，難以接入傳統(tǒng)電力線路加以利用。如果通過蓄電的方式建立自身的低電壓系統(tǒng)，一方面可以減少電壓轉換帶來的能量損失，另一方面可降低新建電力線路的安全等級要求。小能量的低電壓系統(tǒng)可以為節(jié)能照明、綠色電器、各種蓄電池等提供清潔能源?？梢灶A計：低電壓系統(tǒng)的建設成本低，安全性好，使用維護簡單。因此便于改造和推廣。這樣的電力系統(tǒng)可以方便地布置在建筑物周圍，實現(xiàn)風電的近距離使用。

樣機設計計算

為了獲得新型微風發(fā)電機組的實際工作性能，必須設計和制作樣機進行試驗分析。

一、總體設計參數(shù)

根據(jù)城市風電場特性確定新型風電機組結構之后，還需要設計和制作樣機來驗證可行性。與傳統(tǒng)風電機組向大型化方向發(fā)展不同，城市風電機組受湍流的影響非常大。城市中湍流的尺度和建筑物外表的形狀大小相關。參照城市建筑物常見的室外安裝物（如空調、太陽能熱水器、衛(wèi)星天線等）的大小，單個發(fā)電機的迎風面積不宜超過1m2。本設計中迎風面積取定為0.5m×0.5m，整體外形為立方體。集風罩中間收縮管道為兩個直徑0.25m的圓形流道。

傳統(tǒng)風電機組的最低啟動風速都在3m/s以上。由于集風罩可以提高風速約1.5倍，新型風電機組的啟動風速設定為2m/s。同樣，根據(jù)低速風電機組最低額定工作風速6m/s，取新型風電機組的額定工作風速為4m/s。在計算動力性能時，風輪處風速依然按照低速風電機組標準取值：

啟動風速V0＝ 3m/s

工作風速Vw＝6m/s

圖5 傳統(tǒng)風電機組工作時對風電場流動特性產生的擾動

二、葉片選型及主要參數(shù)

葉片的數(shù)量和形狀是決定風電機組性能的最重要的因素。葉片的數(shù)量越多，迎風面積越大，則風輪的扭矩越大，同時轉速也越低。對于要求微風啟動的風電機組而言，葉片數(shù)越多越有利于低風速時克服啟動扭矩。但對于發(fā)電機而言，過低的轉速很難獲得高的發(fā)電效率。因此，圖5中的風電機組空氣動力曲線，兼顧扭矩和轉速，采用5頁片式風輪。

從空氣動力學角度考慮，風電機組葉片宜采用類似機翼的形狀，提高升力作用的效果。但是本設計中風輪要求雙向轉動，只能采用對稱的形狀?？刹捎米詈唵蔚钠矫嫘螤睿詫崿F(xiàn)制造成本的最小化。為了獲得較好的升阻比，取葉片攻角α＝8°。

在管道中工作的風輪，葉片端部旋轉時會受到管道壁面粘滯力的影響，不利于高速旋轉。因此，風輪應和管道壁面保持一定間隙，風輪直徑取0.2m。相關計算參數(shù)如下：

風輪直徑 D＝0.2m

尖速比 λ＝1.5

葉片攻角α＝8°

風能利用系數(shù) Cp＝0.3空氣密度 ρ＝1.2kg/m30.1 啟動工況計算風輪啟動轉速：

風輪啟動扭矩：

風輪啟動要克服靜摩擦力和電磁阻力。這當中發(fā)電機的啟動阻力占了主要部分。為保證風輪能夠自啟動并保持運轉狀態(tài)，應盡量減小發(fā)電機的啟動阻力。選擇發(fā)電機時，取啟動扭矩Ma≤0.5M0＝0.005N.m。樣機試驗實際選用LED手電筒配用的手搖發(fā)電機，去除齒輪增速裝置，將轉子直接連接在風輪上進行發(fā)電。該發(fā)電機為永磁三相交流發(fā)電機，額定輸出電壓12V，輸出電流500mA。實測啟動扭矩約0.00275 N.m，滿足使用要求。

但是扭矩M0是基于動態(tài)的經驗公式計算出來的，而風輪在啟動前是靜止的，其動力學狀態(tài)與轉動時并不一樣。為了獲得較為準確的風輪靜態(tài)啟動扭矩，建立了計算機三維網格模型，通過CFD流體分析軟仿真計算環(huán)境風速2m/s時風輪的靜態(tài)啟動扭矩。圖6為仿真計算的壓力分布結果。中間正方形區(qū)域為集風罩，除了中間圓形部分的管道和風輪外，其他區(qū)域都沒有流動的空氣?？梢钥闯觯L輪葉片的迎風面和背風面壓力差明顯，可以形成旋向一致的扭矩。

計算機統(tǒng)計的扭矩結果見表1?？梢钥闯觯红o止狀態(tài)下風輪的驅動扭矩小于轉動狀態(tài)下的動態(tài)扭矩，為0.0026N.m。這個扭矩略小于發(fā)電機的實測扭矩。因此，樣機風輪必須在環(huán)境風速大于2m/s時才能啟動，啟動之后可以維持運轉。

樣機測試

樣機主要采用手工加工制作。集風罩和導流板用鍍鋅薄板鈑金加工，風輪使用制冷風扇代用。三相交流發(fā)電機自帶橋式整流模塊，輸出直流電。樣機制作效果見圖7。圖8所示為環(huán)境平均風速2.32m/s時，集風罩內（未安裝風輪和發(fā)電機）測得的平均風速和速度增益?？梢钥闯?，當集風罩的迎風面在工作角度范圍內變化時，風速增益的變化不大，都接近1.5倍。因此，集風罩的實際使用效果達到了設計目標。

表1 CFD軟件統(tǒng)計的風輪扭矩

圖6 風速2m/s時風輪工作平面上的壓力分布圖

圖7 實際制作的樣機模型

圖8 基于多個迎風角度的集風罩提速能力測試

對于發(fā)電效果，使用同一組風輪和發(fā)電機在同樣的風電場條件下對有無集風罩進行了對比測試。輸出電流對2節(jié)鎳鎘電池充電，測量平均充電電壓和平均充電電流，對比充電功率。無集風罩時實測電壓2.79V，電流15.27mA，充電功率為0.04W。有集風罩時實測電壓3.25V，電流21.66mA，充電功率為0.07W，提高1.75倍。因此，新型微風發(fā)電機組結構可以明顯提升低風速條件下風電機組的輸出能力。

實測發(fā)電機的輸出功率偏低。這說明針對新結構進行風輪和發(fā)電機的優(yōu)化設計的必要性。由于實際加工成本比較高，考慮經費的限制，未能進行此項工作。

結語

新型城市微風發(fā)電機組具有提高風速，萬向迎風和穩(wěn)定氣流的特點，在很大程度上提高了風電機組在低風速、頻變風向和湍流環(huán)境中的適應性。具有如下特點：

（1）本結構對于水平軸風電機組和垂直軸風電機組均可適用。

（2）可提高風速約1.5倍，擴大了風電機組的低速應用范圍。

（3）萬向迎風結構消除了對風時間，實現(xiàn)風電機組對任意方向來風的及時響應，提高工作效率。

（4）具有將湍流向穩(wěn)流轉化的能力，可適應城市風電場環(huán)境。

（5）沒有外露的運轉部件，安全性高。特別是可以保護飛禽。

（6）可以近距離安裝在建筑物周圍，易于管理，實現(xiàn)低成本運行。

（7）發(fā)出的電力在城市內部就地使用，無需遠距離傳輸。

本設計中的微風發(fā)電機組尚未實現(xiàn)對城市中常見低風速范圍的完全利用。如果繼續(xù)進行風輪和發(fā)電機的優(yōu)化設計，并研究風電機組陣列或發(fā)電墻，將會獲得更好的使用效果。