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。
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
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。
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。
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。
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
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
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。