文 | 李濱海，季豐，秦洪艷

隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的逐漸普及和深入人心，風(fēng)電技術(shù)發(fā)展所面臨的問(wèn)題也日益突出。雖然現(xiàn)在全球風(fēng)電裝機(jī)容量已經(jīng)超過(guò)了30萬(wàn)MW，但是能夠提供實(shí)際使用的電能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)前風(fēng)電技術(shù)主要針對(duì)高風(fēng)速大容量地區(qū)，所以在現(xiàn)階段，幾乎所有商業(yè)化運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)都位于遠(yuǎn)離人口聚居地的偏遠(yuǎn)地帶，并且多數(shù)是常年刮大風(fēng)的惡劣氣候地區(qū)。由此帶來(lái)了基礎(chǔ)建設(shè)、電力輸送、監(jiān)控管理、設(shè)備維護(hù)、安全運(yùn)行和使用壽命等諸多方面的難題。這些問(wèn)題不僅大大增加了風(fēng)電技術(shù)的難度，還提高了風(fēng)電的使用成本，使得本無(wú)成本的風(fēng)能發(fā)出的電價(jià)卻超出了傳統(tǒng)的火力發(fā)電電價(jià)。

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

面對(duì)以上困境，風(fēng)電技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)兩極分化的趨勢(shì)。一方面，傳統(tǒng)風(fēng)電技術(shù)向超大型高速風(fēng)電機(jī)組發(fā)展；另一方面，小型微風(fēng)低速發(fā)電機(jī)正在逐漸興起。低速微風(fēng)發(fā)電機(jī)具有寬泛的適應(yīng)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(chǎng)發(fā)電，就地使用將非常有效地解決風(fēng)力發(fā)電成本過(guò)高的問(wèn)題。因此，微風(fēng)發(fā)電對(duì)于擴(kuò)大風(fēng)電技術(shù)的應(yīng)用范圍，降低實(shí)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(fēng)力觀測(cè)的實(shí)際結(jié)果，針對(duì)性提出城市型風(fēng)電機(jī)組的特殊設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并設(shè)計(jì)和制作了樣機(jī)，驗(yàn)證了實(shí)際使用性能。

城市型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn)

當(dāng)前的微風(fēng)發(fā)電機(jī)組主要針對(duì)風(fēng)能資源相對(duì)不太豐富的地區(qū)。根據(jù)《JB/T 9740－1999低速風(fēng)電機(jī)組》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，低速風(fēng)電機(jī)組起始工作風(fēng)速4m/s，額定工作風(fēng)速6m/s－9m/s。而這個(gè)工作條件，對(duì)于全國(guó)大部分城市而言，尚難以滿足。為了掌握城市風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際特性，以便針對(duì)性設(shè)計(jì)適合城市環(huán)境的微風(fēng)發(fā)電機(jī)組，在前期項(xiàng)目中專門針對(duì)城市風(fēng)力環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和分析。根據(jù)分析結(jié)果，總結(jié)出以下需要解決的不同于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)要求的關(guān)鍵問(wèn)題：

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

（2）風(fēng)力連續(xù)性很差，風(fēng)向變化頻繁。對(duì)于水平軸風(fēng)電機(jī)組而言，頻繁對(duì)風(fēng)將浪費(fèi)很多寶貴的工作時(shí)間。

（3）城市內(nèi)部風(fēng)電場(chǎng)屬于完全的湍流區(qū)域，普通風(fēng)電機(jī)組無(wú)法正常工作。

（4）擁擠的城市中寸土寸金，風(fēng)電機(jī)組難以獲得大范圍的工作場(chǎng)所。

這些問(wèn)題都是導(dǎo)致傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組無(wú)法在城市中使用的直接原因。要想將成熟的傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到城市中來(lái)，就必須找到針對(duì)以上問(wèn)題的技術(shù)方案。

城市型風(fēng)電機(jī)組的新結(jié)構(gòu)

一、提高風(fēng)速和風(fēng)能密度的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電技術(shù)也已成熟，但是最低3m/s以上的工作風(fēng)速使得傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組在城市地區(qū)幾乎無(wú)用武之地。許多前人在發(fā)展低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組方面做出了很多研究。其中收縮器和擴(kuò)散器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果明顯而被廣泛應(yīng)用。

圖1為同時(shí)具有收縮器和擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的集風(fēng)罩示意圖，可以用薄板制作。氣流從收縮器進(jìn)入，經(jīng)過(guò)中間狹窄通道后從擴(kuò)散器流出。根據(jù)質(zhì)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(fēng)罩內(nèi)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(fēng)罩中部安裝風(fēng)電機(jī)組就可以捕獲到較高的風(fēng)速。同理，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，能量都是守恒的。管道中部和進(jìn)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(fēng)能密度，有利于風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)和工作。無(wú)論是收縮器還是擴(kuò)散器，都可以將大面積的風(fēng)能向小面積流道內(nèi)集中，提高中央風(fēng)道的氣流速度和能量密度。因此，合理利用收縮器和擴(kuò)散器，可以在較低的環(huán)境風(fēng)速下實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪處通過(guò)較高的氣流速度，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組工作風(fēng)速的下延。集風(fēng)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(fēng)電機(jī)組，方形適用于垂直軸風(fēng)電機(jī)組。

直接計(jì)算集風(fēng)罩提高風(fēng)速和風(fēng)能密度的程度是困難的。制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可以得到參考數(shù)據(jù)。圖2是用鍍鋅鋼板制作的簡(jiǎn)易集風(fēng)罩在室外自然風(fēng)環(huán)境中測(cè)試的結(jié)果，大約可以提高風(fēng)速1.5倍。

二、萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)

垂直軸風(fēng)電機(jī)組通常具有萬(wàn)向迎風(fēng)能力，無(wú)需進(jìn)行對(duì)風(fēng)操作，但其效率較低。多數(shù)風(fēng)電機(jī)組采用水平軸結(jié)構(gòu)型式來(lái)獲得高效率，但不適合風(fēng)向多變的場(chǎng)合。在城市中想要采用高效率的水平軸式風(fēng)電機(jī)組，就必須配備萬(wàn)向進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)。圖3所示為具備雙向各90°進(jìn)風(fēng)角度的集風(fēng)罩，在進(jìn)風(fēng)口安裝數(shù)個(gè)向心布置的導(dǎo)流板，可引導(dǎo)迎風(fēng)面大約90°范圍內(nèi)的來(lái)風(fēng)進(jìn)入中間管道，推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)固定位置的風(fēng)電機(jī)組雙向180°角迎風(fēng)。此時(shí)用另一個(gè)集風(fēng)罩垂直交叉布置時(shí)，便可實(shí)現(xiàn)360°全向迎風(fēng)。圖4為完整的萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)，擁有兩個(gè)集風(fēng)罩，內(nèi)部裝有兩個(gè)風(fēng)電機(jī)組。對(duì)于任意方向來(lái)風(fēng)，至少有一個(gè)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行工作。兩個(gè)風(fēng)電機(jī)組并聯(lián)輸出。

圖1 同時(shí)具有收縮器和擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)的集風(fēng)罩

圖2 集風(fēng)罩在室外環(huán)境中測(cè)試提速效果

圖3 氣流在安裝導(dǎo)流板的集風(fēng)罩內(nèi)流動(dòng)路徑

圖4 萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)工作原理

三、湍流環(huán)境的適應(yīng)能力

城市中大量建筑物的存在導(dǎo)致城市風(fēng)電場(chǎng)為完全的湍流狀態(tài)。湍流流經(jīng)圖3和圖4 所示的導(dǎo)流式集風(fēng)罩時(shí)，會(huì)在導(dǎo)流板的作用下部分轉(zhuǎn)化為定向流動(dòng)的穩(wěn)流，從而有效驅(qū)動(dòng)風(fēng)電機(jī)組。因此，普通風(fēng)電機(jī)組加裝集風(fēng)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(fēng)電機(jī)組大多可以接入電力線路，但控制電路復(fù)雜，并不可避免地產(chǎn)生沖擊，影響線路穩(wěn)定性。

新型微風(fēng)發(fā)電機(jī)組主要針對(duì)城市風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)使用，可利用風(fēng)能很少，難以接入傳統(tǒng)電力線路加以利用。如果通過(guò)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(zhuǎn)換帶來(lái)的能量損失，另一方面可降低新建電力線路的安全等級(jí)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(yù)計(jì)：低電壓系統(tǒng)的建設(shè)成本低，安全性好，使用維護(hù)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)風(fēng)電的近距離使用。

樣機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

為了獲得新型微風(fēng)發(fā)電機(jī)組的實(shí)際工作性能，必須設(shè)計(jì)和制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析。

一、總體設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)城市風(fēng)電場(chǎng)特性確定新型風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)之后，還需要設(shè)計(jì)和制作樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證可行性。與傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組向大型化方向發(fā)展不同，城市風(fēng)電機(jī)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(guān)。參照城市建筑物常見的室外安裝物（如空調(diào)、太陽(yáng)能熱水器、衛(wèi)星天線等）的大小，單個(gè)發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)面積不宜超過(guò)1m2。本設(shè)計(jì)中迎風(fēng)面積取定為0.5m×0.5m，整體外形為立方體。集風(fēng)罩中間收縮管道為兩個(gè)直徑0.25m的圓形流道。

傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的最低啟動(dòng)風(fēng)速都在3m/s以上。由于集風(fēng)罩可以提高風(fēng)速約1.5倍，新型風(fēng)電機(jī)組的啟動(dòng)風(fēng)速設(shè)定為2m/s。同樣，根據(jù)低速風(fēng)電機(jī)組最低額定工作風(fēng)速6m/s，取新型風(fēng)電機(jī)組的額定工作風(fēng)速為4m/s。在計(jì)算動(dòng)力性能時(shí)，風(fēng)輪處風(fēng)速依然按照低速風(fēng)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)取值：

啟動(dòng)風(fēng)速V0＝ 3m/s

工作風(fēng)速Vw＝6m/s

圖5 傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組工作時(shí)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)流動(dòng)特性產(chǎn)生的擾動(dòng)

二、葉片選型及主要參數(shù)

葉片的數(shù)量和形狀是決定風(fēng)電機(jī)組性能的最重要的因素。葉片的數(shù)量越多，迎風(fēng)面積越大，則風(fēng)輪的扭矩越大，同時(shí)轉(zhuǎn)速也越低。對(duì)于要求微風(fēng)啟動(dòng)的風(fēng)電機(jī)組而言，葉片數(shù)越多越有利于低風(fēng)速時(shí)克服啟動(dòng)扭矩。但對(duì)于發(fā)電機(jī)而言，過(guò)低的轉(zhuǎn)速很難獲得高的發(fā)電效率。因此，圖5中的風(fēng)電機(jī)組空氣動(dòng)力曲線，兼顧扭矩和轉(zhuǎn)速，采用5頁(yè)片式風(fēng)輪。

從空氣動(dòng)力學(xué)角度考慮，風(fēng)電機(jī)組葉片宜采用類似機(jī)翼的形狀，提高升力作用的效果。但是本設(shè)計(jì)中風(fēng)輪要求雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，只能采用對(duì)稱的形狀?？刹捎米詈?jiǎn)單的平面形狀，以實(shí)現(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(fēng)輪，葉片端部旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)受到管道壁面粘滯力的影響，不利于高速旋轉(zhuǎn)。因此，風(fēng)輪應(yīng)和管道壁面保持一定間隙，風(fēng)輪直徑取0.2m。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如下：

風(fēng)輪直徑 D＝0.2m

尖速比 λ＝1.5

葉片攻角α＝8°

風(fēng)能利用系數(shù) Cp＝0.3空氣密度 ρ＝1.2kg/m30.1 啟動(dòng)工況計(jì)算風(fēng)輪啟動(dòng)轉(zhuǎn)速：

風(fēng)輪啟動(dòng)扭矩：

風(fēng)輪啟動(dòng)要克服靜摩擦力和電磁阻力。這當(dāng)中發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)阻力占了主要部分。為保證風(fēng)輪能夠自啟動(dòng)并保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，應(yīng)盡量減小發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)阻力。選擇發(fā)電機(jī)時(shí)，取啟動(dòng)扭矩Ma≤0.5M0＝0.005N.m。樣機(jī)試驗(yàn)實(shí)際選用LED手電筒配用的手搖發(fā)電機(jī)，去除齒輪增速裝置，將轉(zhuǎn)子直接連接在風(fēng)輪上進(jìn)行發(fā)電。該發(fā)電機(jī)為永磁三相交流發(fā)電機(jī)，額定輸出電壓12V，輸出電流500mA。實(shí)測(cè)啟動(dòng)扭矩約0.00275 N.m，滿足使用要求。

但是扭矩M0是基于動(dòng)態(tài)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)的，而風(fēng)輪在啟動(dòng)前是靜止的，其動(dòng)力學(xué)狀態(tài)與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)并不一樣。為了獲得較為準(zhǔn)確的風(fēng)輪靜態(tài)啟動(dòng)扭矩，建立了計(jì)算機(jī)三維網(wǎng)格模型，通過(guò)CFD流體分析軟仿真計(jì)算環(huán)境風(fēng)速2m/s時(shí)風(fēng)輪的靜態(tài)啟動(dòng)扭矩。圖6為仿真計(jì)算的壓力分布結(jié)果。中間正方形區(qū)域?yàn)榧L(fēng)罩，除了中間圓形部分的管道和風(fēng)輪外，其他區(qū)域都沒有流動(dòng)的空氣?？梢钥闯觯L(fēng)輪葉片的迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓力差明顯，可以形成旋向一致的扭矩。

計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)的扭矩結(jié)果見表1?？梢钥闯觯红o止?fàn)顟B(tài)下風(fēng)輪的驅(qū)動(dòng)扭矩小于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)扭矩，為0.0026N.m。這個(gè)扭矩略小于發(fā)電機(jī)的實(shí)測(cè)扭矩。因此，樣機(jī)風(fēng)輪必須在環(huán)境風(fēng)速大于2m/s時(shí)才能啟動(dòng)，啟動(dòng)之后可以維持運(yùn)轉(zhuǎn)。

樣機(jī)測(cè)試

樣機(jī)主要采用手工加工制作。集風(fēng)罩和導(dǎo)流板用鍍鋅薄板鈑金加工，風(fēng)輪使用制冷風(fēng)扇代用。三相交流發(fā)電機(jī)自帶橋式整流模塊，輸出直流電。樣機(jī)制作效果見圖7。圖8所示為環(huán)境平均風(fēng)速2.32m/s時(shí)，集風(fēng)罩內(nèi)（未安裝風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)）測(cè)得的平均風(fēng)速和速度增益?？梢钥闯?，當(dāng)集風(fēng)罩的迎風(fēng)面在工作角度范圍內(nèi)變化時(shí)，風(fēng)速增益的變化不大，都接近1.5倍。因此，集風(fēng)罩的實(shí)際使用效果達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表1 CFD軟件統(tǒng)計(jì)的風(fēng)輪扭矩

圖6 風(fēng)速2m/s時(shí)風(fēng)輪工作平面上的壓力分布圖

圖7 實(shí)際制作的樣機(jī)模型

圖8 基于多個(gè)迎風(fēng)角度的集風(fēng)罩提速能力測(cè)試

對(duì)于發(fā)電效果，使用同一組風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)在同樣的風(fēng)電場(chǎng)條件下對(duì)有無(wú)集風(fēng)罩進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。輸出電流對(duì)2節(jié)鎳鎘電池充電，測(cè)量平均充電電壓和平均充電電流，對(duì)比充電功率。無(wú)集風(fēng)罩時(shí)實(shí)測(cè)電壓2.79V，電流15.27mA，充電功率為0.04W。有集風(fēng)罩時(shí)實(shí)測(cè)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(fēng)發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)可以明顯提升低風(fēng)速條件下風(fēng)電機(jī)組的輸出能力。

實(shí)測(cè)發(fā)電機(jī)的輸出功率偏低。這說(shuō)明針對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性。由于實(shí)際加工成本比較高，考慮經(jīng)費(fèi)的限制，未能進(jìn)行此項(xiàng)工作。

結(jié)語(yǔ)

新型城市微風(fēng)發(fā)電機(jī)組具有提高風(fēng)速，萬(wàn)向迎風(fēng)和穩(wěn)定氣流的特點(diǎn)，在很大程度上提高了風(fēng)電機(jī)組在低風(fēng)速、頻變風(fēng)向和湍流環(huán)境中的適應(yīng)性。具有如下特點(diǎn)：

（1）本結(jié)構(gòu)對(duì)于水平軸風(fēng)電機(jī)組和垂直軸風(fēng)電機(jī)組均可適用。

（2）可提高風(fēng)速約1.5倍，擴(kuò)大了風(fēng)電機(jī)組的低速應(yīng)用范圍。

（3）萬(wàn)向迎風(fēng)結(jié)構(gòu)消除了對(duì)風(fēng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對(duì)任意方向來(lái)風(fēng)的及時(shí)響應(yīng)，提高工作效率。

（4）具有將湍流向穩(wěn)流轉(zhuǎn)化的能力，可適應(yīng)城市風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境。

（5）沒有外露的運(yùn)轉(zhuǎn)部件，安全性高。特別是可以保護(hù)飛禽。

（6）可以近距離安裝在建筑物周圍，易于管理，實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行。

（7）發(fā)出的電力在城市內(nèi)部就地使用，無(wú)需遠(yuǎn)距離傳輸。

本設(shè)計(jì)中的微風(fēng)發(fā)電機(jī)組尚未實(shí)現(xiàn)對(duì)城市中常見低風(fēng)速范圍的完全利用。如果繼續(xù)進(jìn)行風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并研究風(fēng)電機(jī)組陣列或發(fā)電墻，將會(huì)獲得更好的使用效果。