張立軍，孫明剛

(1.中國石油大學(xué) (華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580; 2.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)泰合海浪能研究中心，山東青島 266580)

新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)探討

張立軍1，孫明剛2

(1.中國石油大學(xué) (華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266580; 2.青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)泰合海浪能研究中心，山東青島 266580)

簡(jiǎn)要敘述了目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)，并對(duì)目前常用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中風(fēng)輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、塔架等重要部件的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與介紹。在此基礎(chǔ)上，指出了目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的重要技術(shù)問題，并針對(duì)性地提出了相關(guān)建議。

風(fēng)能;垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī);傳動(dòng)機(jī)構(gòu);塔架

風(fēng)能作為綠色可再生能源的一種，在中國的儲(chǔ)藏量十分豐富。根據(jù)國家氣象局的資料，中國離地10 m高的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億千瓦，其中可開發(fā)和利用的陸地上風(fēng)能儲(chǔ)量有2.53億千瓦，50 m高度的風(fēng)能資源比10 m高度多一倍，大約有5億千瓦;近海可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億千瓦［1］。2012年全國風(fēng)電裝機(jī)總量已達(dá)到400萬千瓦。

風(fēng)能利用就是將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再將其轉(zhuǎn)換成其他能量形式。風(fēng)力發(fā)電裝置主要由風(fēng)輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、機(jī)座、塔架等組成。根據(jù)風(fēng)輪及其在氣流中的位置，可將風(fēng)力機(jī)分為兩大類:水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。目前，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于存在無須對(duì)風(fēng)以及增速齒輪箱和發(fā)電機(jī)能安裝在地面上、運(yùn)行維修方便等優(yōu)點(diǎn)而逐步被重視。

1 目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是指風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向，風(fēng)輪圍繞一個(gè)垂直軸旋轉(zhuǎn)，作者設(shè)計(jì)的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)如圖1所示。與傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)看上去像是“藏式轉(zhuǎn)經(jīng)筒”，體積雖小，但優(yōu)勢(shì)明顯:(1)高效利用風(fēng)場(chǎng)，占地面積小;(2)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量較輕，維修方便;(3)對(duì)風(fēng)性好，可以接受360°方位任何方向來風(fēng)，抗風(fēng)能力大，可達(dá)50 m/s;(4)設(shè)備使用壽命長(zhǎng);(5)葉片的尖速比要比水平軸小，噪聲污染低;(6)不需尾翼和偏航系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)槳葉;(7)增速齒輪箱和發(fā)電機(jī)能安裝在地面上。

圖1 H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是:總體效率相對(duì)較低，自動(dòng)啟動(dòng)能力差，且過速時(shí)的速度控制相對(duì)困難。

2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 風(fēng)輪型式

風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中最關(guān)鍵的部件，它比較大，承受風(fēng)力載荷，又在地球引力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，重力變化相當(dāng)復(fù)雜。一臺(tái)轉(zhuǎn)速為60 r/min的風(fēng)輪，在它的20年壽命期內(nèi)要轉(zhuǎn)動(dòng)3～5億次，葉片由于自重而產(chǎn)生相同頻次的彎矩變化［2］。

垂直軸風(fēng)力機(jī)主要有兩大類別:一類是利用空氣動(dòng)力的阻力做功，典型的結(jié)構(gòu)是S型風(fēng)輪。由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)力矩大，噪聲小，葉片設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對(duì)稱氣流，易對(duì)它產(chǎn)生側(cè)向推力。對(duì)于較大型的風(fēng)力機(jī)，受偏轉(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制，采用這種結(jié)構(gòu)型式較困難。

另一類是利用翼形的升力做功，最典型的是達(dá)里厄型風(fēng)力機(jī)，是由法國人DARRIEUS于1925年發(fā)明的，1931年取得專利權(quán)?，F(xiàn)在這種風(fēng)力機(jī)是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者，并具有H型、Δ型、菱形、Y型和Φ型等，其中以H型和Φ型風(fēng)輪最為典型。

H型風(fēng)輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但這種結(jié)構(gòu)造成的離心力使葉片在其連接點(diǎn)處產(chǎn)生嚴(yán)重的彎曲應(yīng)力。另外，直葉片需要采用橫桿或拉索支撐，這些支撐將產(chǎn)生氣動(dòng)阻力。Φ型風(fēng)輪所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力，從而使彎曲應(yīng)力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應(yīng)力更強(qiáng)，所以對(duì)于相同的總強(qiáng)度，Φ型葉片比較輕，運(yùn)行速度比直葉片高。但Φ型葉片不便采用變槳距方法實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)和控制轉(zhuǎn)速。對(duì)于高度和直徑相同的風(fēng)輪，Φ型轉(zhuǎn)子比H型轉(zhuǎn)子的掃描面積要小一些［2］。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

風(fēng)輪將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪軸上的機(jī)械能，然后再由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能。在轉(zhuǎn)換過程中，由于風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度較慢，一般大的風(fēng)力機(jī) (直徑大于100 m)，轉(zhuǎn)速在15 r/min或更低。為了使發(fā)電機(jī)不太重，且極對(duì)數(shù)少，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速就很高 (1 500～3 000 r/min)，因此必須在風(fēng)輪與發(fā)電機(jī)之間設(shè)置一個(gè)增速齒輪箱，將轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

在目前的風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，常采用機(jī)械式齒輪增速箱。齒輪箱前端低速軸由風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)，輸出端與發(fā)電機(jī)軸連接，多采用單級(jí)或多級(jí)正齒輪或行星齒輪增速箱。風(fēng)力機(jī)采用的齒輪箱一般分為兩類:定軸線齒輪傳動(dòng)和行星齒輪傳動(dòng)。定軸線齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，造價(jià)低廉。行星齒輪傳動(dòng)傳動(dòng)比大、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、工作平穩(wěn)、在某些情況下效率高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、造價(jià)較高。

2.3 塔架

風(fēng)電塔架是風(fēng)電機(jī)組的重要組成部分，不但承載著整個(gè)主機(jī)、輪轂和葉片等的重力，還承受來自葉片的水平風(fēng)力載荷、剪切風(fēng)速、葉輪質(zhì)量偏心、疲勞載荷、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力載荷以及各種復(fù)雜的交變載荷等［3－4］。

目前常見風(fēng)電塔架形式主要有3種:拉索式 (單柱拉索塔、桁架拉索塔)、斜傾式、單柱式 (包括桁架單柱塔)。拉索式塔架是最經(jīng)濟(jì)的塔架，能最有效地使用材料，并對(duì)安裝地點(diǎn)的要求比較靈活，對(duì)于較小的風(fēng)電系統(tǒng)(＜10 kW)，易用專用的塔架安裝工具 (如起重桿等)對(duì)分段的塔架組件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝。斜傾式塔架起吊方便，無需起重機(jī)，用絞車就能起吊，但必須有4根拉索;對(duì)地基的制作要求較高，尤其是在起落方向左右兩側(cè)地基的高度應(yīng)一致;對(duì)臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，斜傾式塔架是較好的選擇;但斜傾式塔架的造價(jià)比拉索式塔架貴約30%。單柱式塔架沒有拉索，具有美觀、占地少等優(yōu)點(diǎn);在城市景觀、海島等受到安裝面積限制而不便于使用拉索式塔架的地區(qū)應(yīng)用較多;單柱式塔架的造價(jià)比拉索式塔架貴1倍多［2］。

另外，風(fēng)電塔架還有管塔式鋼制塔架、反向平衡法蘭塔架、錐形筒狀塔架、圓筒式塔架、混凝土－鋼混合塔架、預(yù)應(yīng)力混凝土塔架等形式。

3 新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)分析與建議

3.1 目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的不足

(1)目前的H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪都是圍繞同一根軸旋轉(zhuǎn)的。但由于每一級(jí)風(fēng)輪處于不同的高度，其所受的風(fēng)速和扭矩不同，使同一根旋轉(zhuǎn)軸上下位置處的扭矩相差較大，造成旋轉(zhuǎn)軸的受力不平衡，影響風(fēng)輪的作業(yè)效能。

(2)多級(jí)H型垂直軸風(fēng)力機(jī)大多都是一個(gè)風(fēng)輪帶動(dòng)與之配套的一臺(tái)發(fā)電機(jī)工作，即“一對(duì)一”模式，這樣當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)，最低一級(jí)風(fēng)輪所對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)可能不能正常工作;當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，最低一級(jí)的風(fēng)輪所對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)可能因超負(fù)荷而被迫停止運(yùn)行，造成相關(guān)設(shè)備的過大浪費(fèi)和風(fēng)能資源的不合理利用。

3.2 建議及其實(shí)現(xiàn)措施

圖2 多層多軸塔架結(jié)構(gòu)示意圖

(1)采用多層多軸塔架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，每個(gè)風(fēng)輪對(duì)應(yīng)著各自的中心旋轉(zhuǎn)軸，這些風(fēng)輪全部安裝在同一個(gè)立式多層塔架上。

(2)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓裝置，其工作原理如圖3所示。液壓控制系統(tǒng)主要由低速大排量液壓馬達(dá)、電磁換向閥、液壓蓄能中心、比例閥、高速變量馬達(dá)等組成。H型垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪所驅(qū)動(dòng)的各自的低速大排量液壓馬達(dá)輸出的液壓能全部送到同一個(gè)液壓蓄能中心，液壓蓄能中心再根據(jù)蓄能狀況通過比例閥控制進(jìn)入不同型號(hào)的高速變量液壓馬達(dá)的流量，液壓馬達(dá)再帶動(dòng)與其相匹配的發(fā)電機(jī)發(fā)電。這樣可以避免低級(jí)風(fēng)輪產(chǎn)生能量過小、高一級(jí)風(fēng)輪產(chǎn)生能量過大帶來的發(fā)電機(jī)工作不平衡的問題。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速反饋回路和電網(wǎng)電壓反饋回路主要是保證發(fā)電機(jī)發(fā)出的電的頻率不變。

圖3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)液壓控制系統(tǒng)原理圖

【1】杜志杰，馬麗娜.風(fēng)力發(fā)電［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

【2】劉萬琨，張志英，李銀鳳，等.風(fēng)能與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

【3】李宗福，張有聞，白云飛.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架設(shè)計(jì)綜述［J］.低溫建筑技術(shù)，2007(4):79－80.

【4】賈銳.陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組用塔架結(jié)構(gòu)綜述［J］.山西建筑，2012，38(24):212－214.

【5】葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Technology Discuss of New Type Vertical-axis Wind-driven Generator

ZHANG Lijun1，SUN Minggang2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China; 2.Taihe Wave Energy Research Center，Qingdao Economic and Technological Development Zone，Qingdao Shandong 266580，China)

The characteristics of the vertical-axis wind-driven generator were briefly described.The technologies of wind wheel，drive gear and tower in the vertical-axis wind-driven generator were also analyzed.Based on this，the main problems，which existed in the present vertical-axis wind-driven generator，were pointed out，and some advices were proposed.

Wind energy;Vertical-axis wind-driven generator;Drive gear;Tower

TK83

A

1001－3881(2014)8－001－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.001

2013－03－15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目 (14CX02069A)

張立軍 (1977—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榭稍偕茉窗l(fā)電。E－mail:zlj－2@163.com。