一种公自转组合式风力发电系统的研究与设计

2018-08-17刘志亮朱文昌

水力发电 2018年5期

刘志亮，马成，朱文昌，李佳，李戬

(青海大学机械工程学院，青海西宁810016)

风能，作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，近年来随着环境、能源等问题日益凸显而备受关注。我国地域辽阔，风能资源丰富，据估计，我国可开发的风能储量约为10亿千瓦，具有广阔的发展空间[1- 2]。虽然我国在风力发电产业中起步较晚、相关的技术也被国外垄断，但是随着国家在能源和环境保护等方面战略的转型升级，风力发电的装机容量增长迅猛。目前我国已跻身风力发电大国的行列之中，因而风力发电方面的技术创新和改进升级对我国的发展具有重要意义。

1 传统风机的性能分析

目前，主要的风力发电系统分为两类，一类是水平轴风力发电系统，该类系统设备占用空间大、启动风速高，在高速运行的情况下，由于叶片切割气流，将产生很大的气动噪音。在实际运行过程中，风向是经常变化的，由于该类系统依托风舵进行对风，因而会存在“对风损失”，影响风能的利用率。另一类是垂直轴风力发电系统，该类系统因其具有气动性能好、无需对风、受力稳定、风能利用率高等诸多优点而被广泛关注[3- 5]。

由于特殊的地理环境和气候条件等多种因素的影响，风力的方向往往不是水平的，而是呈一定的倾角，如图1所示，当风力作用于叶片上时，将风力进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方向上的风力为有效风力；而Fy方向上的风力无论是水平轴还是垂直轴风力发电系统均不能对其进行有效利用。由于风力作用在叶片上是变荷载，使设备受到变应力的作用，易造成设备疲劳破坏，降低设备的使用寿命。为了能够有效利用各个方向上的风力、提高系统的抗疲劳强度和抗风性能、增强风力发电系统的适应性，因而研发出一款公自转组合式风力发电系统。

图1 风力正交分解

2 系统设计及分析

2.1 风机主要相关参数

式(1)～(3)中，M为转矩；ω为风机角速度；n为风轮的转速；V叶为风叶速度；V风为上游风速；R为风轮半径；ρ为空气密度；S为风轮扫过的面积。

2.2 叶片的选择

通过以上对水平轴和垂直轴风力发电系统的研究分析，综合多方面因素考虑，最终选择垂直轴风力发电系统进行设计[6- 7]。

目前，垂直轴风力发电系统类型多样，但主要有阻力式的S型、升力式的φ型和H型，通过对相关数据的分析可得出表1结果。由表1可以看出，3种垂直轴风力发电类型各有优劣，但S型和H型具有气动性能好、气动噪音小、结构简单等明显优势。S型与H型单位宽度的输出功率分别为[10]

PH≈0.31ρRV风3

(4)

PS≈1.37ρRV风3

(5)

式(4)、(5)中，PH为H型单位宽度的输出功率；PS为S型单位宽度的输出功率；在相同情况下，S型的单位输出功率大于H型的单位输出功率，因而选择垂直轴S型风力发电系统，如图2所示。

叶片弦长C在设计中受到多方面的影响，可以由经验公式(6)求得

表1 垂直轴风力发电S型、H型、φ型的分析比较[7- 9]

图2 S型风力发电系统结构示意

(6)

在受到风力作用时，每个叶片所产生的阻力Fd可由公式(7)求得

Fd=ρ(V±U)2·Av·Cd/2

(7)

式(6)、(7)中，B为风轮的叶片数量；ρ为空气密度；V为风速；U为叶片线速度；AV为叶片的最大投影面积；Cd为叶片阻力系数。

2.3 整体结构的设计

通过分解风力情况可知，水平方向上的风力能被各类垂直轴风力发电设备有效利用，而垂直方向上的风力则未能有效利用，因而在垂直轴风力发电系统的基础上，安装一个特殊的中心电机，同时在中心电机的上部水平成90°安放4个阻力式风力发电装置，此4个受风电机不但能随中心电机绕塔柱进行公转，在风力作用下，每个独立的受风电机也能自转。最顶端的受风电机主要负责水平方向风力，而四周的受风电机主要负责垂直方向风力和部分水平方向上的风力，同时在水平方向上力的作用下，4个电机带动中心电机转动，整体结构如图3所示。

图3 公自转组合式风力发电系统结构示意

通过以上的公自转组合式设计，当风力作用时，5个受风电机将受到较大的水平方向上的风力，带动中心电机的转动，减小风力对设备产生的较大的矩，能有效的起到缓冲作用，从而提高了整个设备的抗风性；无论风向如何，均能将其分解到垂直和水平两个方向进行有效利用，从而实现六面受风，有效的提高风能的利用率；5个受风电机在自转的基础上，具有绕轴的公转，从而带动中心电机转动进行发电，进一步提高设备的发电量[11- 12]。

垂直轴风力发电机组有效功率Ne可以由式(8)求得

Ne=K·Ca·Ct·S·V3·η

(8)

式中，K为单位换算系数;Ca为空气高度密度换算系数；Ct为空气温度密度换算系数；S为风轮叶片的扫略面积；V为风速；η为风力发电机组全效率。

2.4 电刷的设计

通过公自转组合设计，有效提高风能利用率、提高设备的抗风性能、增加发电量，但也产生了一个问题：5个受风电机分布于中心电机之上，随中心电机一起转动，如何引出电流成为了一大难题。本文将电刷的原理运用于此设备中[13]，通过外置电刷如图4，将正负两极引出，从而有效的解决电流引出这一难题。

图4 外置电刷结构示意

2.5 整流电路的设计

此系统有6个发电机组合而成，在实际运行过程中，由于风向的不确定性，因而每个电机的转向也有可能不同，导致电极随风叶转向改变而出现两种情况，所以不能将6个电机发的电进行简单的串并联，故此我们设计了如图5的双向整流电路[14]，无论电极出现的是情况1还是情况2，此电路均能将其进行换向，将每个电机都接上此电路，从而实现多路异向电流的汇集，减少蓄电池数量的使用。