楊鵬，王亮，張勇，童佳樂，王雷

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南，232001；2.安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南，232001)

隨著我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改變以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，煤炭資源的使用比重正逐步下降，可再生能源的使用率連年上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤炭、石油等不可再生資源從1978年的96.9%下降至2019年的81.6%，可再生能源已從1978年的3.1%上升至2019年的18.4%?？稍偕茉粗饕ㄌ?yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、水能、地?zé)崮芤约吧镔|(zhì)能?！笆濉焙笃?，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到200 GW，華北、東北、西北以及江蘇、山東沿海地區(qū)將建成9個(gè)1000萬(wàn)千瓦級(jí)的風(fēng)電基地[1]。風(fēng)力發(fā)電作為清潔可再生能源備受關(guān)注，其發(fā)展前景也十分廣闊。目前，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主要依靠風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電效率較低，發(fā)電量較少，因此，提高其發(fā)電效率和發(fā)電量具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由4個(gè)模塊組成[2-3]，即發(fā)電機(jī)、傳動(dòng)鏈、虛擬調(diào)速器以及轉(zhuǎn)子電阻?，F(xiàn)階段，我國(guó)風(fēng)力電機(jī)的有功功率較低，未能將可再生能源高效轉(zhuǎn)化，存在能源浪費(fèi)現(xiàn)象，為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高設(shè)備效率方面進(jìn)行了大量研究。目前，主要研究在于盡可能獲得最大捕獲風(fēng)能[4-6]和高風(fēng)速時(shí)控制風(fēng)能吸收[7-8]，并在這些方面均取得了一些成果，但是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面研究較少，很少利用其結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次發(fā)電。

本文針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提出1種可提高風(fēng)力發(fā)電功率的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，即在(銅性材質(zhì))風(fēng)葉葉片后端加裝永磁裝置，利用電磁感應(yīng)原理，在風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)過程中，將其切割磁感線所產(chǎn)生的電流并入主發(fā)電電路中，提高設(shè)備的發(fā)電功率。本文先對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率進(jìn)行理論分析，接著對(duì)新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的銅質(zhì)葉片磁場(chǎng)特性進(jìn)行仿真分析，最后,對(duì)比2種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在不同風(fēng)速下的發(fā)電功率。

1 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組理論分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理是借助風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速器提升轉(zhuǎn)速來(lái)促使發(fā)電機(jī)運(yùn)行發(fā)電。圖1所示為風(fēng)力發(fā)電原理系統(tǒng)示意圖，風(fēng)驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過增速器后作用于發(fā)電機(jī)上，進(jìn)而產(chǎn)生電能，發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能通過晶閘管和主繼電器對(duì)電流實(shí)現(xiàn)濾波，將輸出功率傳遞到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的電能再反饋到葉片的轉(zhuǎn)速控制上，實(shí)現(xiàn)對(duì)葉片轉(zhuǎn)速的控制。

圖1 風(fēng)力發(fā)電原理系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of wind power generation system

風(fēng)力發(fā)電機(jī)所需要的能源主要來(lái)源于風(fēng)中存儲(chǔ)的動(dòng)能，其功率值為

(1)

式中：ρ為空氣的密度，kg/m3；A為過流面積，m2；v為空氣的流速，m/s。

根據(jù)貝茲理論，風(fēng)力發(fā)電機(jī)所能利用的最大功率為

(2)

式中：Cp(λ,β)為風(fēng)能利用系數(shù)，按照貝茲極限最大值為0.593。

(3)

其中,

(4)

為了獲取風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)常需要引入葉尖速比λ和節(jié)距角β，該值表達(dá)式為

(5)

式中：r為葉片的半徑，m；ω為葉片的角速度，rad/s。

其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)Cp(λ,β)與葉尖速比λ的對(duì)應(yīng)關(guān)系可參考文獻(xiàn)[9]。

2 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組僅能利用風(fēng)中存儲(chǔ)的能量產(chǎn)生電能，發(fā)電效率不高。為了適應(yīng)新形勢(shì)下清潔能源的高效開發(fā)利用，本文對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)其發(fā)電功率和發(fā)電效率進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)分析新結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)速下所能產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。

2.1 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理及結(jié)構(gòu)

綜合分析傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性，在其葉片后端增設(shè)永磁體裝置，并將原風(fēng)葉材料替換成銅質(zhì)材料，利用銅質(zhì)材料在切割磁感線時(shí)能產(chǎn)生電渦流現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)二次生電。新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)見圖2。

1—整流罩；2—旋轉(zhuǎn)軸；3—永磁體；4—葉輪轂；5—銅葉片；6—永磁體盤圖2 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Geometry diagram of a new wind turbine

新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理：通過風(fēng)能帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，將葉片旋轉(zhuǎn)所得的機(jī)械能通過增速器傳遞到發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)換為電能，再通過晶閘管等濾波裝置，對(duì)產(chǎn)生的電流進(jìn)行濾波，最后,通過控制系統(tǒng)傳遞到主網(wǎng)中；旋轉(zhuǎn)的葉片與后端固定的永磁體裝置間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生切割磁感線現(xiàn)象進(jìn)而產(chǎn)生電流，將產(chǎn)生的電流通過導(dǎo)線傳輸，并對(duì)其進(jìn)行濾波、并網(wǎng)處理，最終與原生電能匯合進(jìn)行傳輸。

2.2 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能主要區(qū)別在于：因前者存在磁生電環(huán)節(jié)而產(chǎn)生更多的電能，采用磁路法對(duì)該環(huán)節(jié)的磁感應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行分析。根據(jù)圖2所示結(jié)構(gòu)，該磁路包括主磁路、氣隙磁路、磁極磁路以及漏磁路。1對(duì)N,S極形成1個(gè)閉合回路，相鄰2個(gè)永磁體可構(gòu)成1個(gè)大小相等、方向相反的磁動(dòng)勢(shì)，其簡(jiǎn)化磁路圖見圖3。

圖3 磁路簡(jiǎn)化示意圖Fig.3 Diagram of simplified magnetic circuit

基本假設(shè)：1)當(dāng)永磁體與銅葉片間的氣隙很小時(shí)，忽略永磁體的漏磁；2)永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在氣隙中均勻分布；3)永磁體發(fā)出的磁力線切割銅葉片的有效面積為銅葉片每極的計(jì)算面積；4)不考慮磁路飽和[8]。

φ=BAmcosωt

(6)

式中：ω為葉片的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；Am為永磁體表面有效面積，m2；t為變化時(shí)間，s；B為氣隙內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；T為永磁體磁場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)耦合的矢量和。故感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(7)

由文獻(xiàn)[10]所知，氣隙內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度為

(8)

式中：HCh為磁動(dòng)勢(shì)；HC為永磁體矯頑力，A/m；h為極化反向長(zhǎng)度，m；ke為折算系數(shù)，一般取1.2～2.5；ie為感應(yīng)電流有效值，A；R為磁場(chǎng)中總磁阻，H。

忽略其漏磁磁阻，則

(9)

式中：R1為銅葉片的磁阻，H；R2為永磁體磁阻，H；R3為氣隙磁阻，H；hcu為銅葉片的厚度，m；hm為永磁體厚度，m；δ為氣隙厚度，m；μ0為磁導(dǎo)率，H/m。

參考文獻(xiàn)[10]電流為

(10)

永磁體對(duì)銅質(zhì)葉片所產(chǎn)生的瞬時(shí)功率為

(11)

據(jù)此，可計(jì)算出永磁體對(duì)銅質(zhì)葉片所產(chǎn)生的有效功率為

(12)

式中：T=π/ω。

3 兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組比較

3.1 模型參數(shù)及傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率分析

為了便于對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行比較，進(jìn)行如下假設(shè)：1)所提供的風(fēng)能恒定；2)系統(tǒng)的控制部分可以控制風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)為恒定的轉(zhuǎn)速；3)忽略電磁場(chǎng)的漏磁作用；4)空氣密度不隨風(fēng)速的變化而變化；5)忽略銅葉片的厚度不均勻和寬度不均勻的影響。

為了方便計(jì)算，將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝置簡(jiǎn)化處理，即對(duì)該裝置采用相似模擬等比例縮小處理，其模型基本參數(shù)見表1。

表1 模型基本參數(shù)Table 1 Model specifications

根據(jù)上述分析，并結(jié)合模型基本參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下的發(fā)電功率按式(2)進(jìn)行計(jì)算，其發(fā)電功率與風(fēng)速的關(guān)系見圖4。

圖4 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率與風(fēng)速關(guān)系圖Fig.4 Trace of relationship between power and wind speed of traditional wind turbine

3.2 新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電功率分析

3.2.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度分析

新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最大的區(qū)別在于前者利用銅質(zhì)風(fēng)葉的旋轉(zhuǎn)可產(chǎn)生二次發(fā)電，為了方便計(jì)算二次發(fā)電的發(fā)電功率，需要對(duì)永磁體作用在銅葉片上所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析。

為了清晰的看出永磁體對(duì)銅葉片的作用，采用Maxwell軟件分析該模型中永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度。首先，對(duì)銅葉片與磁鐵塊部分的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過SolidWorks軟件建立簡(jiǎn)化模型，保存為.igs格式。再將其導(dǎo)入Maxwell軟件中，選擇瞬態(tài)分析，按照要求設(shè)置材料屬性，對(duì)于磁鐵塊來(lái)說(shuō)，因其呈間隔形式排布，故充磁方式按照1和-1的數(shù)值設(shè)置。之后對(duì)模型設(shè)置邊界條件，設(shè)置band域，依次設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速差，劃分網(wǎng)格。最后，建立analysis setup，對(duì)模型進(jìn)行磁場(chǎng)分析。

根據(jù)Maxwell軟件求解出的銅葉片磁感應(yīng)強(qiáng)度呈不均勻變化，當(dāng)葉片始終處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈周期性變化，為了對(duì)新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的二次發(fā)電功率進(jìn)行計(jì)算，需要對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行量化處理。取最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效值，參考文獻(xiàn)[11]中的風(fēng)速與轉(zhuǎn)速關(guān)系以及Maxwell分析轉(zhuǎn)速與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，仿真結(jié)果見表2。新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速下最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線見圖5。圖6所示為其在不同風(fēng)速下銅葉片的磁場(chǎng)云圖。

表2 磁感應(yīng)強(qiáng)度與風(fēng)速的關(guān)系Table 2 Table of relationship between magnetic induction intensity and wind speed

分析圖6(a)～(e)可知：隨著風(fēng)速的增加，所能產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度隨之下降，且最大磁場(chǎng)強(qiáng)度總是處于葉片的邊緣處。由公式(8)可知，感應(yīng)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，故在風(fēng)速增大的情況下，銅葉片切割所產(chǎn)生的感應(yīng)電流亦會(huì)減小。由圖5可知，在風(fēng)速?gòu)? m/s上升至7 m/s的過程中，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度下降的程度較為劇烈，但在后續(xù)風(fēng)速持續(xù)增加的情況下，下降的速度有所減緩，從整個(gè)變化過程中可以看出磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)隨著風(fēng)速的增加而持續(xù)降低。

圖5 不同風(fēng)速下最大磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig.5 Trace curve of maximum magnetic induction intensity under different wind speeds

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的銅葉片磁場(chǎng)云圖Fig.6 Magnetic field contours of copper blades at different speeds

3.2.2 兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較分析

根據(jù)所得磁感應(yīng)強(qiáng)度以及式(12)可計(jì)算出新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率，分別在不同速度下對(duì)2種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率進(jìn)行計(jì)算，相應(yīng)的功率見圖7。

圖7 不同風(fēng)速下兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率比較Fig.7 Comparison of power generation power of two wind turbines at different wind speeds

從圖7可以看出，2種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率都會(huì)隨著風(fēng)速的增加而明顯上升，兩者發(fā)電功率上升的速率十分相似。其主要原因在于新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并未改動(dòng)傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，且新型發(fā)電機(jī)存在二次發(fā)電現(xiàn)象，故在不同風(fēng)速下，其發(fā)電功率始終高于傳統(tǒng)發(fā)電功率。

4 結(jié)論

1)改進(jìn)后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于其可發(fā)生二次生電現(xiàn)象，故提高了該新型裝置的發(fā)電功率，同時(shí)，改進(jìn)前后的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率都會(huì)隨著風(fēng)速的增加而增加，風(fēng)速是影響發(fā)電功率的關(guān)鍵因素。

2)新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在氣隙一定的情況下，隨著風(fēng)速的增大，銅葉片的磁感應(yīng)強(qiáng)度越來(lái)越小，但發(fā)電功率隨之增加。新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為5 m/s時(shí)，發(fā)電功率為0.020 4 W；在風(fēng)速為12.5 m/s時(shí)，發(fā)電功率為0.237 1 W。然而，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速為5 m/s時(shí)，其發(fā)電功率為0.014 W；在風(fēng)速為12.5 m/s時(shí)，發(fā)電功率為0.218 7 W。

3)新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過增設(shè)永磁體結(jié)構(gòu)提高了單機(jī)的發(fā)電功率，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)為后續(xù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)化提供了方向。