李志
(西藏自然科學(xué)博物館,西藏 拉薩 850000)
化石能源的不斷損耗和其不可再生的特點已經(jīng)對人類的未來可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略產(chǎn)生了不可估量的影響?,F(xiàn)在,很多發(fā)達(dá)國家和我國都對能源資源的利用實施有效的規(guī)劃,都在向可再生能源領(lǐng)域進軍。我國在2005 年頒布《中國可再生能源法》中明確規(guī)定了國內(nèi)的可再生能源資源的重要戰(zhàn)略地位,為國內(nèi)的可再生能源的發(fā)展提供有效并且具有強有力的法律保障。
在許多國家,由于風(fēng)力資源十分豐富,所以得到了充分的發(fā)展研究和開發(fā)利用。對風(fēng)能資源的利用主要表現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電方面,到2008 年底的時候,全球的風(fēng)電機組的總裝機容量早就超過了1×108kW。而在我國對風(fēng)能的利用即風(fēng)電機組總裝機容量只達(dá)到了1200 萬kW。在2009 年底時,全球的風(fēng)力發(fā)電機裝機總量達(dá)到了3.75 萬兆瓦。全球風(fēng)電平均每年都增加7×107kW,風(fēng)電技術(shù)在電力市場中十分受歡迎[1]。風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在新能源和可再生能源在世界范圍內(nèi)得到了密切的關(guān)注,同時,也得到了最快的發(fā)展。風(fēng)能不像其他可再生能源一樣需要比較尖端的科研技術(shù)水平,風(fēng)能其利用起來也比較方便簡單。我國的風(fēng)能資源極其豐富,對風(fēng)能的規(guī)?;l(fā)展必將成為我國不可缺少的一部分。
風(fēng)力機,也就是風(fēng)力發(fā)電機組,是一種能夠?qū)L(fēng)能有效的轉(zhuǎn)化成為電能的機電裝置。風(fēng)電設(shè)備若要作為公共電網(wǎng)的電源進行使用,采用的是并網(wǎng)發(fā)電的工作方式,這是對風(fēng)能規(guī)模化利用的一個例子。若是要在偏遠(yuǎn)的局部地區(qū),由于電網(wǎng)的范圍有限,通常采用的是可以獨立運行的小型的風(fēng)力發(fā)電的供電系統(tǒng),一般用10kW 以下的小型風(fēng)電機。在德國,風(fēng)電機所產(chǎn)生的電量達(dá)到發(fā)電總量的百分之三;在英國,海上風(fēng)電發(fā)電量約占可再生能源發(fā)電量的百分之二十一,陸上風(fēng)電提供了大約32%的可再生能源發(fā)電量,所有的風(fēng)力發(fā)電占英國發(fā)電總量的7.9%;在丹麥,風(fēng)力發(fā)電量占電力消費總量的39%,創(chuàng)歷史記錄。丹風(fēng)電行業(yè)協(xié)會首席執(zhí)行官Jan Hylleberg表示,數(shù)據(jù)讓人振奮,毫無疑問,丹麥大部分風(fēng)電企業(yè)已走出經(jīng)濟危機的陰霾,這是業(yè)界努力工作、積極參與全球風(fēng)電市場的結(jié)果。過去4 年,丹麥的西門子風(fēng)能和維斯塔斯不斷擴大了除中國外的全球風(fēng)電市場,并網(wǎng)裝機容量占比由2011年的33.1%增長至2014年的37%,帶動了風(fēng)電價值鏈上的各個行業(yè)。歐洲的風(fēng)能協(xié)會(EWEA)與綠色和平組織(Green-peace International)在2002 年的時候共同發(fā)表一份“風(fēng)力12”的報告,勾畫了風(fēng)電事業(yè)在2020年達(dá)到世界電量百分之十二的藍(lán)圖[2]。
風(fēng)力機,也就是風(fēng)力發(fā)電機組,是一種能夠?qū)L(fēng)能有效的轉(zhuǎn)化成為電能的機電裝置。決定風(fēng)力機效率的關(guān)鍵因素是風(fēng)力機的葉片設(shè)計和動力學(xué)的性能。研究風(fēng)力發(fā)電機組的性能是目前提高風(fēng)力機發(fā)電效率的有效方法。目前,風(fēng)力機的種類十分多,風(fēng)力機已經(jīng)得到了很好的發(fā)展,根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組的用途、容量、葉片個數(shù)和風(fēng)輪與塔架的相對位置進行了分類。按照風(fēng)力機風(fēng)輪主軸的位置分為:垂直軸風(fēng)力機和水平軸風(fēng)力機。按照風(fēng)力機葉片的工作原理分為:升力型風(fēng)力機和阻力型風(fēng)力機。
1.1.1 垂直軸風(fēng)力機。垂直軸風(fēng)力機是一種葉輪圍繞一個垂直軸進行旋轉(zhuǎn)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備,葉輪能夠利用來自各個方向的風(fēng)而轉(zhuǎn)動起來,通過風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能。變速箱及發(fā)電機放在靠近地面的地方。
垂直軸風(fēng)力機可以根據(jù)通過風(fēng)力機葉片的工作分類:
1.1.1.1 升力型風(fēng)力機。升力型垂直軸風(fēng)力機是利用風(fēng)力發(fā)電機組的翼型的升力來做工,這里通過比較典型的Darrieus 型風(fēng)力機(達(dá)里厄模型)來進行說明,Darrieus 型風(fēng)力機的模型有許多類型,Darrieus 型風(fēng)力機可以大致分為5種:Φ型;Y型;H型;菱形;三角形。
圖1 Darrieus風(fēng)力機的分類
D 式風(fēng)力機基本上使用直葉片和彎葉片兩種?,F(xiàn)在的達(dá)里厄風(fēng)力機多采用直形風(fēng)葉,也有人稱之為H 型風(fēng)力機。H 型風(fēng)力機的葉片數(shù)一般為2 至6 個。對于Φ 型風(fēng)力機而言,其采用的彎葉片不承受離心力的負(fù)載,只要承受張力,因此能夠使彎曲應(yīng)力減到最小,而有更好的發(fā)電效率。Φ 型風(fēng)力機葉片和H 型葉片比較,要承受相同的強度的風(fēng)力,因為Φ 型葉片承受的張力比彎曲應(yīng)力強,所以會更加輕便。但是Φ 型風(fēng)力機也有缺陷,它的自啟動性能比較差。H 型風(fēng)力機其結(jié)構(gòu)簡單,但是需要利用橫桿或者是拉索來克服高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力對葉片的負(fù)擔(dān),這就明顯的降低了發(fā)電的效率。
圖2 H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機
達(dá)里厄風(fēng)力機的優(yōu)點有:達(dá)里厄風(fēng)力機的葉片通過兩端或中部固定在轉(zhuǎn)軸上,更好地加大機械強度,可做得很輕巧;達(dá)里厄風(fēng)力機不存在頭重腳輕的狀況,對塔架要求較低,適合用拉索固定,安裝容易,檢修也方便。但是達(dá)里厄風(fēng)力機也存在不少的缺點:對風(fēng)速的變化與負(fù)荷變化有著非??量痰囊螅灰3制椒€(wěn)高效的運行十分困難;還不能夠自動起動等。
1.1.1.2 阻力型風(fēng)力機。阻力型垂直風(fēng)力機是利用空氣動力的阻力進行做工的設(shè)備。阻力型風(fēng)力機還可以分為薩渥紐斯型、渦輪型、平板型、風(fēng)杯型、馬達(dá)拉斯型等。比較典型的薩渥紐斯(Savonius)型。Savonius阻力型垂直軸風(fēng)力機如圖3所示。
圖3 Savonius阻力型垂直軸風(fēng)力機
以下對薩渥紐斯型風(fēng)力機進行簡單的介紹:如圖3 所示,薩渥紐斯型阻力型垂直風(fēng)力機由兩個對半圓柱組成,半圓柱的軸線是平行的,其有利有弊。有利的方面是這種風(fēng)力發(fā)電機組的起動轉(zhuǎn)矩比較大,弊端是由于葉輪周圍產(chǎn)生不對稱的氣流,從而會產(chǎn)生一種側(cè)向的推力。在理想的狀態(tài)下,垂直軸二葉輪的S 型風(fēng)力機的風(fēng)能利用率可以達(dá)到百分之十五[3]。若是大型的風(fēng)力機,受到了偏轉(zhuǎn)力和極限應(yīng)力的影響,很難利用薩渥紐斯型風(fēng)力機。
隨著近年來對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組的不斷深入研究,垂直軸風(fēng)力機已經(jīng)得到了很大的進展。垂直軸風(fēng)力機的優(yōu)秀的方面也漸漸被關(guān)注起來,垂直軸風(fēng)力機的葉片在風(fēng)力的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時所受的慣性力和重力的方向是恒定不變的,所以垂直軸風(fēng)力機的使用壽命會比較長。垂直軸風(fēng)力機雖然在我國還處在起步的階段,但是我國也正在努力追趕著爭取能夠達(dá)到世界的領(lǐng)先水平,為了能夠盡可能的提高風(fēng)能資源的利用轉(zhuǎn)化效率,我國在垂直軸風(fēng)力機的啟動和調(diào)控方面做了很好的研究。垂直軸風(fēng)力機的機械結(jié)構(gòu)十分緊湊,活動部件少,其可靠性比水平軸風(fēng)力機更好。垂直軸風(fēng)力機的發(fā)電機無需水平軸風(fēng)力機的偏航系統(tǒng),其啟動風(fēng)速十分小,產(chǎn)生的噪聲也小,其發(fā)電機和變速箱可以直接放在葉輪下或者是地面上,有利于工作人員對垂直軸風(fēng)力機的日常維護[4]。垂直軸風(fēng)力機的成本大大降低,風(fēng)能利用率較高和綠色低噪聲環(huán)保,垂直軸風(fēng)力機具有比較大的發(fā)展空間。
水平軸風(fēng)力機的風(fēng)輪是圍繞水平的軸線進行旋轉(zhuǎn)的,葉輪旋轉(zhuǎn)平面大致上與風(fēng)的入流方向保持著垂直,大型的水平軸風(fēng)輪的葉片數(shù)一般上是3 片或者是2片,風(fēng)輪的葉片要與旋轉(zhuǎn)的平面形成一定的角度,葉輪、變速箱和發(fā)電機都裝置在塔架的頂端。通過葉片數(shù)的多少來分為高速風(fēng)力機(葉片數(shù)少)和低速風(fēng)力機(葉片數(shù)多)。水平軸風(fēng)力機如圖4所示。
圖4 水平軸風(fēng)力機
雖然垂直軸風(fēng)力機的應(yīng)用要比水平軸風(fēng)力機要早,早在中國利用風(fēng)力發(fā)電采用的是阻力型垂直軸風(fēng)車。但是,水平軸風(fēng)力機的發(fā)展卻要比垂直軸風(fēng)力機成熟很多。水平軸風(fēng)力機在國內(nèi)外研究比垂直軸風(fēng)力機要多得多,目前世界上各國應(yīng)用比較廣泛的風(fēng)力機是水平軸風(fēng)力機。之前,人們普遍認(rèn)為水平軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率要比垂直軸風(fēng)力機高,也由于垂直軸風(fēng)力機自身在較低的風(fēng)速下是很難進行自啟動的。所以,對水平軸風(fēng)力機的認(rèn)識要比垂直軸風(fēng)力機的認(rèn)識要深入很多。
1.2.1 水平軸風(fēng)力機的發(fā)展現(xiàn)狀。水平軸風(fēng)力機由于其技術(shù)特點尤其突出,風(fēng)能的利用率高、機械結(jié)構(gòu)緊湊等,是世界大型發(fā)電機的主要采取的技術(shù),水平軸風(fēng)力機已經(jīng)占世界風(fēng)電設(shè)備市場的百分之九十五。在對風(fēng)力機的理論技術(shù)方面,水平軸風(fēng)力機已經(jīng)相當(dāng)完善,技術(shù)水平也相對來說比較高。在大型的風(fēng)電設(shè)備中,水平軸風(fēng)力機是相當(dāng)可觀的,其可以利用的風(fēng)能資源更加廣泛,功率的輸出也更穩(wěn)當(dāng)。
1.2.2 水平軸風(fēng)力機的分類。水平軸風(fēng)力機由于風(fēng)輪與塔架的相對位置關(guān)系和風(fēng)輪與風(fēng)向的關(guān)系可以分為兩類:上風(fēng)向風(fēng)力機和下風(fēng)向風(fēng)力機。風(fēng)輪安裝在塔架的上風(fēng)位置(風(fēng)首先通過風(fēng)輪再穿過塔架)即風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪是面對風(fēng)的方向,風(fēng)輪在塔架“前面”,叫做上風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機。風(fēng)輪安裝在塔架的下風(fēng)位置(風(fēng)首先通過塔架再穿過風(fēng)輪)即風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子與風(fēng)向相反,風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)輪再塔架“后面”則稱為下風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機。通常情況下,風(fēng)向風(fēng)力機為了保證風(fēng)輪能夠迎風(fēng),需要采用相應(yīng)的對風(fēng)裝置,但是下風(fēng)向風(fēng)力機比較不同,下風(fēng)向風(fēng)力機可以自己自動對風(fēng),很好的把風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)進行了簡化。可是下風(fēng)向風(fēng)力機并不是能夠全部進行利用,吹向風(fēng)力機的一小部分氣流會繞過塔架而到達(dá)風(fēng)輪,這樣就增加了氣流的不均勻性,這就是“塔影效應(yīng)”,使得塔影效應(yīng)明顯,由于塔影效應(yīng),葉片等零部件的使用壽命和風(fēng)力機的正常運行的安全性存在著較大的影響。由于下風(fēng)向風(fēng)力機存在“塔影效應(yīng)”這種弊端,現(xiàn)在大型的風(fēng)力機都是采用上風(fēng)向的設(shè)計方式,減少了塔影效應(yīng)。
上風(fēng)向風(fēng)力發(fā)電機必須有某種調(diào)向裝置來保持風(fēng)輪迎風(fēng),下風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機則能夠自動對準(zhǔn)風(fēng)向,從而免除了調(diào)向裝置。但對于下風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機,由于一部分空氣通過塔架后再吹向風(fēng)輪,塔架干擾了流經(jīng)葉片的氣流,形成所謂塔影效應(yīng),使風(fēng)力發(fā)電機性能有所降低。上風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機在偏航系統(tǒng)(機構(gòu))失效時可能會轉(zhuǎn)化為下風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機組。上風(fēng)向風(fēng)力機的優(yōu)點是在風(fēng)吹來的時候不會受到風(fēng)機其他零部件的影響,風(fēng)能的利用效率更加高。下風(fēng)向風(fēng)力機雖然會受到塔影效應(yīng)的影響,對機組會有不利的影響,但是,目前有的小型風(fēng)力機采用的是下風(fēng)向風(fēng)力機,因為下風(fēng)向風(fēng)力機可以自動進行偏航調(diào)整對風(fēng),大大降低了成本,而且,塔影效應(yīng)對小風(fēng)機的影響是不大的。
1.2.3 水平軸風(fēng)力機的發(fā)展前景。
1.2.3.1 風(fēng)力機的容量會增加。風(fēng)力機的利用效率和單機容量正在隨著科研的進步而逐漸提高。在1980年開始的時候,風(fēng)力機的一般容量在30kW,風(fēng)輪的葉輪的半徑在7.5m。如今,最大的風(fēng)力機的單機容量已經(jīng)可以到達(dá)了6MW,風(fēng)輪的半徑已經(jīng)超過了60m。在這短短的20年之間,風(fēng)力機已經(jīng)得到了十分快速的發(fā)展,風(fēng)力機技術(shù)的成熟讓大型風(fēng)力機可以更加高效地利用風(fēng)能資源。
1.2.3.2 定槳距和變槳距功率調(diào)節(jié)方式。(1)定槳距風(fēng)力發(fā)電。定槳距是指當(dāng)風(fēng)速有變化的時候,槳距角是固定不變的。定槳距變速模式多采用在小型的風(fēng)力發(fā)電機組,其槳葉是固定在轉(zhuǎn)軸上的,風(fēng)小轉(zhuǎn)速低、風(fēng)大轉(zhuǎn)速高,當(dāng)風(fēng)速高的時候可以通過失速來遏制轉(zhuǎn)速的快速升高來保護發(fā)電機組,也可以是定槳變速加上失速模式,這種模式在中型的風(fēng)力機中也有應(yīng)用。(2)變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)力發(fā)電。變槳距是指可以通過葉片來控制槳距角的大小。近些年來,變槳距調(diào)節(jié)方式在大型的風(fēng)力機設(shè)計中被廣泛應(yīng)用,其優(yōu)點是載荷控制平穩(wěn)、效率高和安全系數(shù)較高等特點。
1.2.3.3 風(fēng)力發(fā)電不再限制在陸地。陸地上的風(fēng)力發(fā)電受到土地限制、噪聲污染、電網(wǎng)規(guī)?;扔绊?,風(fēng)電機在陸地上的發(fā)展已經(jīng)有很大的限制條件了,不能夠很好地開發(fā)利用風(fēng)能資源。為了解決這個問題,陸上風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)逐漸向海上發(fā)展。海上的風(fēng)能資源極其豐富,而且分布范圍十分的廣泛,是風(fēng)力機應(yīng)用的絕佳場所。在今后的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展進程中,海上風(fēng)電事業(yè)的發(fā)展將是世界各國關(guān)注的方向。海上的風(fēng)速要比陸地上的風(fēng)速高很多,而且由于風(fēng)湍流強度比較小,減少了風(fēng)力機部件的負(fù)荷程度,能夠很好的延長其使用壽命。歐盟的許多國家已經(jīng)對海上的風(fēng)能資源進行了比較規(guī)模的開發(fā)利用了。海上風(fēng)能的開發(fā)技術(shù)雖然相對于陸地上風(fēng)能資源的開發(fā)而言,其技術(shù)條件還不夠成熟,但是,海上風(fēng)能資源的開發(fā)卻是具有巨大的現(xiàn)實意義和社會效益的。
漂浮式風(fēng)電機組是一種新概念風(fēng)力發(fā)電機。這種新型的風(fēng)力發(fā)電機將幾乎可以在任何地方工作?!捌∈斤L(fēng)力發(fā)電機”將充滿氦氣,升到距離地面300m 的空中捕捉強風(fēng),帶動附在水平軸兩端的發(fā)電機發(fā)電?!捌∈斤L(fēng)力發(fā)電機”停留在空中的動力由氦氣裝置提供,并且轉(zhuǎn)子在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)也可以提供一部分動力。發(fā)電機產(chǎn)生的電將通過連接在發(fā)電機上的電纜輸送到地面?!捌∈斤L(fēng)力發(fā)電機”最初的市場目標(biāo)為偏遠(yuǎn)的社區(qū),據(jù)稱,使用這種風(fēng)機產(chǎn)生的電,電價較便宜。
風(fēng)輪的葉片是風(fēng)力機的核心,風(fēng)輪的轉(zhuǎn)換效率與葉片翼型有著直接的關(guān)系,氣流流過葉片時候產(chǎn)生的升力轉(zhuǎn)換為所需的電能。過去風(fēng)輪葉片的多是采用航空翼型[6]?,F(xiàn)代風(fēng)電技術(shù)的研究已經(jīng)得到了相當(dāng)大的發(fā)展,許多的國外機構(gòu)已經(jīng)為風(fēng)電機開發(fā)出品種繁多的翼型。比較廣泛得到應(yīng)用的是NACA 翼型、SERI翼型、NREL翼型和FFA-W翼型。
NACA 翼型是風(fēng)輪葉片采用較多的翼型,這種翼型是由國家航空咨詢委員會(NACA)提出的,得到了較好的應(yīng)用。NACA翼型系列是由其厚度和中弧線疊加而形成的,其翼型的系列十分豐富[7]。
SERI 翼型針對不同葉片長度提供了三組翼型,SERI 翼型的優(yōu)點是具有較高的升阻比和升力系數(shù),而且在失速的時候?qū)σ硇捅砻娴拇植诔潭鹊囊蟊容^低。
NREL 翼型主要用于大中型的葉片,NREL 翼型通過美國的國家可再生能源實驗室(NREL)研制出來,因此成為NREL 翼型,其包括薄翼型族和厚翼型族。
FFA-W 翼型則是由瑞典航空研究所研制而成的,其包含了3 個翼型的系列,F(xiàn)FA-W1/FFA-W2/FFA-W3.這種翼型在失速的情況下具有良好的氣動性能,具有較高的最大升力系數(shù)和升阻比。
李巖和田川公太郎[8]等制作了一臺具有3 枚NACA0018 翼型葉片的直線翼垂直軸風(fēng)力機模型,主要為了研究直線翼垂直軸風(fēng)力機自起動性能與風(fēng)力機葉片迎風(fēng)角度的關(guān)系,采用了煙線法對風(fēng)力機的靜態(tài)流場進行可視化的實驗進行研究,這提供了一種全新的實驗方法,目的是探索垂直軸風(fēng)力機的空氣動力學(xué)特性。
隨著科研技術(shù)的不斷進步,垂直軸風(fēng)力機也得到了十分快速的發(fā)展,雖然垂直軸風(fēng)力機的起步比較晚,但是取得的成就是有目共睹的。為了更好的研究風(fēng)能,科研人員及相關(guān)工作人員有待進一步開發(fā)和利用風(fēng)能的特性。
對于目前能源緊缺和環(huán)境保護的意識逐漸增強,風(fēng)能資源已經(jīng)成為了世界共同關(guān)注的資源,由于風(fēng)能資源是可再生能源和低污染的特性,風(fēng)電事業(yè)正在以前所未有的速度進行發(fā)展,風(fēng)力機的市場需求也正在增加,其價值意義是不可估量的。風(fēng)電設(shè)備制造行業(yè)對于市場面臨的需求,不但需要有高水平的科研技術(shù)作為基礎(chǔ),還需要有創(chuàng)新的能力,如何在舊有的風(fēng)力機技術(shù)上進行提升,改進風(fēng)力機的對風(fēng)能的利用效率,和如何高效得把風(fēng)力資源轉(zhuǎn)化為電能,這都需要科研人員的艱辛努力,和不懈奮斗。
垂直軸風(fēng)力機將是以后市場的主要研究方向,而目前垂直軸風(fēng)力機卻在風(fēng)電市場中所占比重比較小,原因是:(1)人們對水平軸風(fēng)力機的認(rèn)知要比垂直軸風(fēng)力機要深,普遍認(rèn)為水平軸風(fēng)力機的風(fēng)能利用率要比垂直軸風(fēng)力機高。(2)垂直軸風(fēng)力機在低風(fēng)速下是很難自啟動的,翼型設(shè)計和構(gòu)造設(shè)計等很多的方面都相當(dāng)?shù)牟怀墒?。但是垂直軸風(fēng)力機卻相對比水平軸風(fēng)力機要好很多。水平軸風(fēng)力機的葉片受力情況相當(dāng)復(fù)雜,而且需要偏航系統(tǒng)來完成對風(fēng),維護等后續(xù)工程也很難。而垂直軸風(fēng)力機不但壽命比水平軸風(fēng)力機長,而且垂直軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)上緊湊可靠,發(fā)電機和變速箱等在葉輪下或地面十分便于維護。解決垂直軸風(fēng)力機技術(shù)上的問題將成為國內(nèi)外風(fēng)電研究的方向。風(fēng)力機的發(fā)展對現(xiàn)在的社會,和環(huán)境等方面將具有十分重要的社會效益和現(xiàn)實意義。