一種公自轉(zhuǎn)組合式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉志亮，馬 成，朱文昌，李 佳，李 戩

(青海大學(xué)機械工程學(xué)院， 青海西寧810016)

風(fēng)能，作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，近年來隨著環(huán)境、能源等問題日益凸顯而備受關(guān)注。我國地域遼闊，風(fēng)能資源豐富，據(jù)估計，我國可開發(fā)的風(fēng)能儲量約為10億千瓦，具有廣闊的發(fā)展空間[1- 2]。雖然我國在風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)中起步較晚、相關(guān)的技術(shù)也被國外壟斷，但是隨著國家在能源和環(huán)境保護等方面戰(zhàn)略的轉(zhuǎn)型升級，風(fēng)力發(fā)電的裝機容量增長迅猛。目前我國已躋身風(fēng)力發(fā)電大國的行列之中，因而風(fēng)力發(fā)電方面的技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)升級對我國的發(fā)展具有重要意義。

1 傳統(tǒng)風(fēng)機的性能分析

目前，主要的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分為兩類，一類是水平軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)設(shè)備占用空間大、啟動風(fēng)速高，在高速運行的情況下，由于葉片切割氣流，將產(chǎn)生很大的氣動噪音。在實際運行過程中，風(fēng)向是經(jīng)常變化的，由于該類系統(tǒng)依托風(fēng)舵進(jìn)行對風(fēng)，因而會存在“對風(fēng)損失”，影響風(fēng)能的利用率。另一類是垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)因其具有氣動性能好、無需對風(fēng)、受力穩(wěn)定、風(fēng)能利用率高等諸多優(yōu)點而被廣泛關(guān)注[3- 5]。

由于特殊的地理環(huán)境和氣候條件等多種因素的影響，風(fēng)力的方向往往不是水平的，而是呈一定的傾角，如圖1所示，當(dāng)風(fēng)力作用于葉片上時，將風(fēng)力進(jìn)行正交分解成沿水平方向上的力Fx和沿垂直方向上的力Fy，F(xiàn)x方向上的風(fēng)力為有效風(fēng)力；而Fy方向上的風(fēng)力無論是水平軸還是垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)均不能對其進(jìn)行有效利用。由于風(fēng)力作用在葉片上是變荷載，使設(shè)備受到變應(yīng)力的作用，易造成設(shè)備疲勞破壞，降低設(shè)備的使用壽命。為了能夠有效利用各個方向上的風(fēng)力、提高系統(tǒng)的抗疲勞強度和抗風(fēng)性能、增強風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的適應(yīng)性，因而研發(fā)出一款公自轉(zhuǎn)組合式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 風(fēng)力正交分解

2 系統(tǒng)設(shè)計及分析

2.1 風(fēng)機主要相關(guān)參數(shù)

式(1)～(3)中，M為轉(zhuǎn)矩；ω為風(fēng)機角速度；n為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速；V葉為風(fēng)葉速度；V風(fēng)為上游風(fēng)速；R為風(fēng)輪半徑；ρ為空氣密度；S為風(fēng)輪掃過的面積。

2.2 葉片的選擇

通過以上對水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究分析，綜合多方面因素考慮，最終選擇垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計[6- 7]。

目前，垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類型多樣，但主要有阻力式的S型、升力式的φ型和H型，通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可得出表1結(jié)果。由表1可以看出，3種垂直軸風(fēng)力發(fā)電類型各有優(yōu)劣，但S型和H型具有氣動性能好、氣動噪音小、結(jié)構(gòu)簡單等明顯優(yōu)勢。S型與H型單位寬度的輸出功率分別為[10]

PH≈0.31ρRV風(fēng)3

(4)

PS≈1.37ρRV風(fēng)3

(5)

式(4)、(5)中，PH為H型單位寬度的輸出功率；PS為S型單位寬度的輸出功率；在相同情況下，S型的單位輸出功率大于H型的單位輸出功率，因而選擇垂直軸S型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。

葉片弦長C在設(shè)計中受到多方面的影響，可以由經(jīng)驗公式(6)求得

表1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電S型、H型、φ型的分析比較[7- 9]

圖2 S型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

(6)

在受到風(fēng)力作用時，每個葉片所產(chǎn)生的阻力Fd可由公式(7)求得

Fd=ρ(V±U)2·Av·Cd/2

(7)

式(6)、(7)中，B為風(fēng)輪的葉片數(shù)量；ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；U為葉片線速度；AV為葉片的最大投影面積；Cd為葉片阻力系數(shù)。

2.3 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

通過分解風(fēng)力情況可知，水平方向上的風(fēng)力能被各類垂直軸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備有效利用，而垂直方向上的風(fēng)力則未能有效利用，因而在垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，安裝一個特殊的中心電機，同時在中心電機的上部水平成90°安放4個阻力式風(fēng)力發(fā)電裝置，此4個受風(fēng)電機不但能隨中心電機繞塔柱進(jìn)行公轉(zhuǎn)，在風(fēng)力作用下，每個獨立的受風(fēng)電機也能自轉(zhuǎn)。最頂端的受風(fēng)電機主要負(fù)責(zé)水平方向風(fēng)力，而四周的受風(fēng)電機主要負(fù)責(zé)垂直方向風(fēng)力和部分水平方向上的風(fēng)力，同時在水平方向上力的作用下，4個電機帶動中心電機轉(zhuǎn)動，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 公自轉(zhuǎn)組合式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

通過以上的公自轉(zhuǎn)組合式設(shè)計，當(dāng)風(fēng)力作用時，5個受風(fēng)電機將受到較大的水平方向上的風(fēng)力，帶動中心電機的轉(zhuǎn)動，減小風(fēng)力對設(shè)備產(chǎn)生的較大的矩，能有效的起到緩沖作用，從而提高了整個設(shè)備的抗風(fēng)性；無論風(fēng)向如何，均能將其分解到垂直和水平兩個方向進(jìn)行有效利用，從而實現(xiàn)六面受風(fēng)，有效的提高風(fēng)能的利用率；5個受風(fēng)電機在自轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，具有繞軸的公轉(zhuǎn)，從而帶動中心電機轉(zhuǎn)動進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)一步提高設(shè)備的發(fā)電量[11- 12]。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組有效功率Ne可以由式(8)求得

Ne=K·Ca·Ct·S·V3·η

(8)

式中，K為單位換算系數(shù);Ca為空氣高度密度換算系數(shù)；Ct為空氣溫度密度換算系數(shù)；S為風(fēng)輪葉片的掃略面積；V為風(fēng)速；η為風(fēng)力發(fā)電機組全效率。

2.4 電刷的設(shè)計

通過公自轉(zhuǎn)組合設(shè)計，有效提高風(fēng)能利用率、提高設(shè)備的抗風(fēng)性能、增加發(fā)電量，但也產(chǎn)生了一個問題：5個受風(fēng)電機分布于中心電機之上，隨中心電機一起轉(zhuǎn)動，如何引出電流成為了一大難題。本文將電刷的原理運用于此設(shè)備中[13]，通過外置電刷如圖4，將正負(fù)兩極引出，從而有效的解決電流引出這一難題。

圖4 外置電刷結(jié)構(gòu)示意

2.5 整流電路的設(shè)計

此系統(tǒng)有6個發(fā)電機組合而成，在實際運行過程中，由于風(fēng)向的不確定性，因而每個電機的轉(zhuǎn)向也有可能不同，導(dǎo)致電極隨風(fēng)葉轉(zhuǎn)向改變而出現(xiàn)兩種情況，所以不能將6個電機發(fā)的電進(jìn)行簡單的串并聯(lián)，故此我們設(shè)計了如圖5的雙向整流電路[14]，無論電極出現(xiàn)的是情況1還是情況2，此電路均能將其進(jìn)行換向，將每個電機都接上此電路，從而實現(xiàn)多路異向電流的匯集，減少蓄電池數(shù)量的使用。

圖5 雙向整流電路示意

3 結(jié) 語

本文介紹的組合式風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)了六面受風(fēng)，有效的提高了風(fēng)能的利用率；而公自轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使受風(fēng)電機在實現(xiàn)自轉(zhuǎn)的情況下帶動中心電機進(jìn)行公轉(zhuǎn)，從而對強風(fēng)起到一個有效的緩沖作用，增強了設(shè)備的抗風(fēng)性和適應(yīng)性，因而該設(shè)計具有一定的實用性和推廣價值。