劉志亮，馬 成，朱文昌，李 佳，李 戩

(青海大學機械工程學院， 青海西寧810016)

風能，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注。我國地域遼闊，風能資源豐富，據估計，我國可開發(fā)的風能儲量約為10億千瓦，具有廣闊的發(fā)展空間[1- 2]。雖然我國在風力發(fā)電產業(yè)中起步較晚、相關的技術也被國外壟斷，但是隨著國家在能源和環(huán)境保護等方面戰(zhàn)略的轉型升級，風力發(fā)電的裝機容量增長迅猛。目前我國已躋身風力發(fā)電大國的行列之中，因而風力發(fā)電方面的技術創(chuàng)新和改進升級對我國的發(fā)展具有重要意義。

1 傳統(tǒng)風機的性能分析

目前，主要的風力發(fā)電系統(tǒng)分為兩類，一類是水平軸風力發(fā)電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)設備占用空間大、啟動風速高，在高速運行的情況下，由于葉片切割氣流，將產生很大的氣動噪音。在實際運行過程中，風向是經常變化的，由于該類系統(tǒng)依托風舵進行對風，因而會存在“對風損失”，影響風能的利用率。另一類是垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)，該類系統(tǒng)因其具有氣動性能好、無需對風、受力穩(wěn)定、風能利用率高等諸多優(yōu)點而被廣泛關注[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，當風力作用于葉片上時，將風力進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，Fx方向上的風力為有效風力；而Fy方向上的風力無論是水平軸還是垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)均不能對其進行有效利用。由于風力作用在葉片上是變荷載，使設備受到變應力的作用，易造成設備疲勞破壞，降低設備的使用壽命。為了能夠有效利用各個方向上的風力、提高系統(tǒng)的抗疲勞強度和抗風性能、增強風力發(fā)電系統(tǒng)的適應性，因而研發(fā)出一款公自轉組合式風力發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 風力正交分解

2 系統(tǒng)設計及分析

2.1 風機主要相關參數

式(1)～(3)中，M為轉矩；ω為風機角速度；n為風輪的轉速；V葉為風葉速度；V風為上游風速；R為風輪半徑；ρ為空氣密度；S為風輪掃過的面積。

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，最終選擇垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)進行設計[6- 7]。

目前，垂直軸風力發(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，通過對相關數據的分析可得出表1結果。由表1可以看出，3種垂直軸風力發(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、結構簡單等明顯優(yōu)勢。S型與H型單位寬度的輸出功率分別為[10]

PH≈0.31ρRV風3

(4)

PS≈1.37ρRV風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型風力發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。

葉片弦長C在設計中受到多方面的影響，可以由經驗公式(6)求得

表1 垂直軸風力發(fā)電S型、H型、φ型的分析比較[7- 9]

圖2 S型風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意

(6)

在受到風力作用時，每個葉片所產生的阻力Fd可由公式(7)求得

Fd=ρ(V±U)2·Av·Cd/2

(7)

式(6)、(7)中，B為風輪的葉片數量；ρ為空氣密度；V為風速；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。

2.3 整體結構的設計

通過分解風力情況可知，水平方向上的風力能被各類垂直軸風力發(fā)電設備有效利用，而垂直方向上的風力則未能有效利用，因而在垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的基礎上，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個阻力式風力發(fā)電裝置，此4個受風電機不但能隨中心電機繞塔柱進行公轉，在風力作用下，每個獨立的受風電機也能自轉。最頂端的受風電機主要負責水平方向風力，而四周的受風電機主要負責垂直方向風力和部分水平方向上的風力，同時在水平方向上力的作用下，4個電機帶動中心電機轉動，整體結構如圖3所示。

圖3 公自轉組合式風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意

通過以上的公自轉組合式設計，當風力作用時，5個受風電機將受到較大的水平方向上的風力，帶動中心電機的轉動，減小風力對設備產生的較大的矩，能有效的起到緩沖作用，從而提高了整個設備的抗風性；無論風向如何，均能將其分解到垂直和水平兩個方向進行有效利用，從而實現六面受風，有效的提高風能的利用率；5個受風電機在自轉的基礎上，具有繞軸的公轉，從而帶動中心電機轉動進行發(fā)電，進一步提高設備的發(fā)電量[11- 12]。

垂直軸風力發(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;Ca為空氣高度密度換算系數；Ct為空氣溫度密度換算系數；S為風輪葉片的掃略面積；V為風速；η為風力發(fā)電機組全效率。

2.4 電刷的設計

通過公自轉組合設計，有效提高風能利用率、提高設備的抗風性能、增加發(fā)電量，但也產生了一個問題：5個受風電機分布于中心電機之上，隨中心電機一起轉動，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備中[13]，通過外置電刷如圖4，將正負兩極引出，從而有效的解決電流引出這一難題。

圖4 外置電刷結構示意

2.5 整流電路的設計

此系統(tǒng)有6個發(fā)電機組合而成，在實際運行過程中，由于風向的不確定性，因而每個電機的轉向也有可能不同，導致電極隨風葉轉向改變而出現兩種情況，所以不能將6個電機發(fā)的電進行簡單的串并聯，故此我們設計了如圖5的雙向整流電路[14]，無論電極出現的是情況1還是情況2，此電路均能將其進行換向，將每個電機都接上此電路，從而實現多路異向電流的匯集，減少蓄電池數量的使用。

圖5 雙向整流電路示意

3 結 語

本文介紹的組合式風力發(fā)電系統(tǒng)，實現了六面受風，有效的提高了風能的利用率；而公自轉結構設計，使受風電機在實現自轉的情況下帶動中心電機進行公轉，從而對強風起到一個有效的緩沖作用，增強了設備的抗風性和適應性，因而該設計具有一定的實用性和推廣價值。