小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計

1、適用經(jīng)濟型小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計1.小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的分類(1)槳葉式風力機槳葉式風力機是一種阻力型風力機，因它的葉片形狀而得名。這種風力機的關(guān)鍵集中在如何減少逆風方向葉片的阻力，對此有許多設計方案。使用遮風板的，也有改變迎風角的，不過槳葉式風力機的效率很低，除了在日本局部地區(qū)曾經(jīng)使用過外，實際上幾乎沒有制造和使用的實例。一般來說，這種風力機歸類為垂直軸型，但是也有把它設計成水平軸的。(2)薩布紐斯式風力機薩布紐斯式風力機是20年代發(fā)明的垂直軸風力機，它以發(fā)明者薩布紐斯的名字命名(我國有時稱它為S型風力機)。這種風力機通常由兩枚半圓筒形的葉片所構(gòu)成，也有用三一四枚的。這種風力機往往

2、上下重疊多層。效率最大不超過10%,能產(chǎn)生很大的扭矩。在發(fā)展中國家有人用它來提水、發(fā)電等。(3)達里厄型風力機達里厄風力機是一種新開發(fā)的垂直軸式風力機，以法國發(fā)明者達里厄的名字命名，下圖為普通的形達里厄風力機和特殊的A形達里厄風力機。其葉片多為2-3枚。該風力機回轉(zhuǎn)時與風向無關(guān)，是升力型的。它裝置簡單，成本也比較便宜，但起動性能差，因此也有人把這種風力機和一部薩布紐斯風力機組合在一起使用。二時送型比式tsE麟達甲柜式達聚電式風力加(4)旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機垂直軸升力型旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機，這種風力杉L垂直安裝34枚對稱翼形的葉片。它有使葉片自動保持最佳攻角的機構(gòu)。因此結(jié)構(gòu)復雜價格也較高，但它能改變槳距

3、、起動性能好、能保持一定的轉(zhuǎn)速，效率極高。這種風機也有把同樣的葉片固定安裝的形式。(5)弗來納式風力機在氣流中回轉(zhuǎn)的圓筒或球，可以使該物體的周圍的壓力發(fā)生變化而產(chǎn)生升力。這種現(xiàn)象叫馬格努斯效應，利用這個效應的發(fā)電裝置叫弗來納式風力發(fā)電裝置。在大的圓形軌道上移動的小車上裝上回轉(zhuǎn)的圓筒，由風力驅(qū)動小車，用裝在小車軸上的發(fā)電機發(fā)電。這種裝置，是1931年由美國的J馬達拉斯發(fā)明的，并實際制造了重15噸、高27米的巨大模型進行了實驗。這個實驗的詳細情況不清，但時間很短便中止了?，F(xiàn)在弗來納式風力機裝置又受到重視，美國的笛頓大學在重新進行開發(fā)和試驗。(6)費特肖奈達式風力機這種風力機是由德國費特公司的工程師

4、肖奈達發(fā)明的，費特肖奈達螺旋槳垂直地安裝在船底下部作為船的推進器。推進器圓周的葉片，在刁；同的位置上能夠改變方向，因隨著葉片的角度和回轉(zhuǎn)速度不同，其升力的大小和方向也不同，所以可以不用舵。把這種費特，肖奈達葉片上下相對可制成風力機(如下圖)，其工作原理和旋轉(zhuǎn)渦輪式風力機相類似。費特肖奈達式風力機其中比較受關(guān)注的是達里厄風力發(fā)電裝置。我們選取開發(fā)的小型風力發(fā)電系統(tǒng)就是以達里厄風力發(fā)電系統(tǒng)為藍本開發(fā)。2.垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性現(xiàn)在，在全世界風力發(fā)電機組運行總數(shù)中，水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組占90姒上，在世界上約有100多家公司從事批量生產(chǎn)這種類型風力發(fā)電機組。垂直軸式風力發(fā)電機組開發(fā)不力的原因

5、是由多種因素造成的：發(fā)明垂直軸式風力發(fā)電機組比水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組較晚；以前曾錯誤地認為垂直軸風力發(fā)電機組的工作機構(gòu)(葉片)最大線速度對風速之比不可能大于1,而對水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組來說，這種比值可達到5:1以上。進人60-70年代問，首先是加拿大、然后是美國、英國的風電專家們經(jīng)過實驗指出，上述的結(jié)論對于利用葉片上升風力的達里厄轉(zhuǎn)子是不適用的.就達里厄轉(zhuǎn)子而論.工作機構(gòu)線速度對風速之比可達到5:1以上，且風能利用系數(shù)不比水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組低.此后，垂直軸式風力發(fā)電機組得到了大力開發(fā)，它的單機容量逐漸在增大.當今，所有發(fā)達國家，如加拿大、美國和荷蘭在實踐中使用了達里厄轉(zhuǎn)子的垂

6、直軸風力發(fā)電機組，且認為裝有曲線型葉片的傳統(tǒng)方案是比較可取的；而英國和羅馬尼亞采用與轉(zhuǎn)軸平行的等厚葉片作為主要方案。下面從幾方面對垂直軸式和水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組作一些對比評估，且以傳統(tǒng)的螺旋槳式和具有等厚葉片達里厄型風力發(fā)電饑組為例進行說明。2風力發(fā)電機組的效率與風向的關(guān)系水平螺旋槳式風力發(fā)電機組的最大效率只又在保證具有良好風速的條件下才能得到實現(xiàn).水平螺旋槳式風力發(fā)電機組上設有風輪定向系統(tǒng)將使風力機組本身復雜化并降低它的可靠性，根據(jù)此類型的國外風力發(fā)電裝置的運行經(jīng)驗數(shù)據(jù)，定向系統(tǒng)的故障率占總量的13%此外，在風向改變時由于定向機構(gòu)作用滯后，風輪的有效定向?qū)嶋H上是不可能的，對于具有直徑3

7、0-40mm以上風輪的中型和大型風力機組來說，風輪的定向效果將會降低.因為風的氣流速度在葉片范圍內(nèi)存在非共面性及其差異.從而導致風輪不可能定向在最佳位置上因此減少了發(fā)電量。風力發(fā)電機組的經(jīng)濟效益也就下降。風輪定向系統(tǒng)使水乎軸螺旋槳式風力發(fā)電機組的機艙和支承塔架之間的連接剛性變壞，因此造成出現(xiàn)自振現(xiàn)象.活動部件和固定部件在頻率特性上的差異，最終降低機組的可靠性和壽命.垂直軸式風力發(fā)電機組的工作效率原則上不取決于風向。因此不需要風輪定向機構(gòu)，上下氣流特性不均衡僅使葉片上受到的轉(zhuǎn)矩發(fā)生一些變化。3風能利用系數(shù)理論上證實，水平軸螺旋槳式和垂直軸式風力發(fā)電機組風輪的理想風能利用系數(shù)等于0.593,這是因

8、為兩種型式風力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子在翼型葉片受風氣流掃掠時產(chǎn)生的升力效果是一樣的?，F(xiàn)在，水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組風能利用系數(shù)達0.4以上；而俄羅斯生產(chǎn)的垂直軸式風力發(fā)電機組的實驗研究表明，其風能利用系數(shù)達到0.4-0.45是完全能實現(xiàn)的。因此，可以這樣說，水平軸螺旋槳式和垂直軸式風力發(fā)電機組的風能利用系數(shù)是十分接近的。4風力發(fā)電機組的起動有一種觀點認為.水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組的起動力不等于0,因此它們的起動不需要外部動力，但實際上水平軸螺旋槳風輪只有在正對來風的情況下才能自行起動.而在側(cè)風時，大型風輪可能不會自行起動，需要外部動力轉(zhuǎn)動機艙和風輪。以使風輪正對來風.垂直軸式風力發(fā)電機組的起動力矩

9、等于0.就是說，該裝置不能自行起動.但是在強大陣風時，垂直軸式風力發(fā)電機組可以自行起動，雖然保證垂直軸風力發(fā)電機組自行起動的方法是眾所周知的，例如通過改變其葉片幾何參數(shù)的方法等，但現(xiàn)在大多數(shù)處于運行的垂直軸式風力發(fā)電機組都設有外部動力以便起動和加速轉(zhuǎn)子.風力發(fā)屯機組的結(jié)構(gòu)復雜化將導致降低可靠性，而采用輔助裝置將使風力發(fā)電機組的功率降低。5風力發(fā)電機組動力系統(tǒng)的合理性水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組的葉片慣性載荷沿葉片徑向變化，就是說其分布對受力最有利.風輪的輪轂和支撐軸承部件結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸?。淮怪陛S風力發(fā)電機組葉片的慣性載荷沿著橫梁垂直葉片方向變化，輪轂和支撐軸承部件外形尺寸大，因此，垂直軸風力

10、發(fā)電機組在滿足動力系統(tǒng)的合理性上稍差。然而當風力發(fā)電機組容量達兆瓦級時則必須計算顯著變化的載荷特性.其一，水平軸風力發(fā)電機組葉片上的空氣動力載荷在上下位置上是不一樣的.因為在葉片長度范圍上存在風速差異，葉片以不同的比轉(zhuǎn)數(shù)運行且把波動扭矩傳給輪轂；其二，重力值無法計算.波動的風力和重力載荷將使葉片、輪轂和支承傳動系統(tǒng)的振動大大增加，在風力機轉(zhuǎn)動時科里奧利斯力也提高.6葉片的結(jié)構(gòu)由于葉片上圓周速度和迎風角度的不同，水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組的葉片全部截面都處在不同的動力狀態(tài)之中，這種差別由于葉片截面彼此扭變而大大減少，葉片的慣性載荷的特點導致型面向葉片端部縮小.因此，螺旋槳式葉片結(jié)構(gòu)比垂直軸式直角

11、形葉片復雜，垂直軸式風力發(fā)電機組的葉片表面對翼弦是對稱的。從另一方面看，垂直軸式風力發(fā)電機組采用單獨散件玻璃鋼葉片組裝，由于必須要有法蘭接頭，故安裝較困難.7葉片的變距機構(gòu)水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組的葉片變距機構(gòu)不僅具有使風輪制動的作用，而且還具有調(diào)整葉片最佳迎風角度的作用，以使風輪保持在極限轉(zhuǎn)數(shù)內(nèi)，防止風輪超速。但葉片的變距機構(gòu)將使風力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)顯著復雜化，因為在這種情況下，需要連續(xù)跟蹤轉(zhuǎn)數(shù)的系統(tǒng)和傳動每枚葉片的變距機構(gòu)，以及自動控制葉片轉(zhuǎn)動角度的系統(tǒng)。從防止風輪轉(zhuǎn)動出現(xiàn)緊急工況的危險性來看，水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組采用變距機構(gòu)是完全必要的。垂直軸風力機葉片若設置變距機構(gòu)不僅對制動而且對

12、葉片在旋轉(zhuǎn)圓周的所有位置上保持最佳的迎風角也是很有效的。但現(xiàn)在，采用這種工作原理的裝置無法按照以下的方案：繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈時整體的葉片對著風向應稍有擺動。這說明制造這種葉片變矩機構(gòu)和裝置的復雜性，葉片視風向而定，其結(jié)構(gòu)將復雜化.實踐表明，若無葉片變距機構(gòu)，垂直軸風力發(fā)電機組的效率將在水平軸螺旋槳風力發(fā)電機組相當效率的水平上08葉片掃驚面和從葉片單位長度上獲取的能量水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組的葉片掃掠面是由旋轉(zhuǎn)葉片的兩端部形成的圓周面積確定.對垂直軸風力發(fā)電機組來說，此掃掠面由矩形面積確定，其兩邊等于葉片長度和風輪的直徑。這樣一來，垂直軸風力發(fā)電機組的掃掠面由較有利的形狀組成，因為矩形面不僅隨葉片長

13、度而變化，而且隨葉片轉(zhuǎn)動的直徑而可以改變，這樣在設計和修整風力發(fā)電機組參數(shù)時增加了策略上變更的可能性。水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組盡管葉片扭轉(zhuǎn)，其葉片單位長度上獲得的能量，從根部至葉片端部變化很大，這主要由于比轉(zhuǎn)數(shù)增加從在葉片根部區(qū)域內(nèi)的0增大到葉片端部的最大值），而垂直軸風力發(fā)電機組，在葉片長度上獲取的能量的數(shù)值變化不大，且其變化只取決于風氣流能量的變化、是否存在陣風、沿風機高度上風速是否穩(wěn)定等。但是這里還有獲取能量的其他因素一葉片在轉(zhuǎn)動圓周中不同位置上的迎風角并非最、當葉片順氣流運動時風輪轉(zhuǎn)矩的降低、經(jīng)過塔架風力陰影的葉片轉(zhuǎn)矩的降低等。因此，可期望兩種型式風力發(fā)電機組的葉片獲取的風能的效率幾

14、乎是一樣的。9高速性系數(shù)（葉尖速度比）在水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組中，葉片數(shù)小于4枚的高速（葉尖速比達5-7）風力發(fā)電機組得到了最大的應用.這種高速風力發(fā)電機組保證有最高的風能利用系數(shù)、即效率最大。高速性系數(shù)高的風力發(fā)電機組要配有很復雜的特殊裝置和系統(tǒng)，以便在一定嚴格范圍內(nèi)限制轉(zhuǎn)速和防止風輪超速轉(zhuǎn)動。穩(wěn)定的很高工作轉(zhuǎn)速可使風輪與發(fā)電機的傳動連接簡化，它可獲得很高質(zhì)量的電能且變電系統(tǒng)也不復雜。風輪穩(wěn)定工作轉(zhuǎn)速要受葉片慣性荷載限制，因此，工作風速一般限制在12m/s范圍內(nèi).且風力發(fā)電機組只在一定風力下按最佳工況運行，這樣風力發(fā)電機組的效率在其它風速下自然會有所降低.對于裝有大直徑水平軸螺旋槳式風力

15、發(fā)電機組來說，則增大了上下風速非共面性和重力作用的影響，重力作用會引起葉片材料、支承傳動裝置和轉(zhuǎn)動部件上的波動荷載。高速性系數(shù)越高則這些影響和作用越大，高速性系數(shù)的大小確定了所有轉(zhuǎn)動部件的動力穩(wěn)定性，由此對結(jié)構(gòu)強度及其制造精度、零部件組裝質(zhì)量、潤滑和聯(lián)鎖等提出了較高的要求。從這種觀點來看，評價低速運行垂直軸式風力發(fā)電機組較困難.在所有的已知的實驗中，垂直軸式風力發(fā)電機組的高速性系數(shù)不超過2.5-2.8.如果垂直軸式風力發(fā)電機組的動力特性（包括風能利用系數(shù)）保持在水平軸螺旋槳風力發(fā)電機組的動力特性水平上，葉尖速比降低到1/2-1/3,就能顯著改善機組的運行條件。因為降低動力值，可簡化支承傳動部件

16、的要求，不需要保證穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的機構(gòu)和系統(tǒng).降低葉尖速比就可在所有風速值時以最佳的風能系數(shù)下進行運行，即在葉片結(jié)構(gòu)系統(tǒng)很簡單時提高風力發(fā)電機組的效率.低速風力發(fā)電機組的風速工作范圍可擴大到20-25m/s,但是在這種情況時，必須注意到在低轉(zhuǎn)速時會提高扭矩，這就會增加風力發(fā)電機組葉片的材料用量，因為橫梁長，會使輪轂外形尺寸增大和傳動裝置增大。還必須考慮到，由于風力機轉(zhuǎn)速的可變性需在電力系統(tǒng)中采用變換器，其目的是提高發(fā)電量的質(zhì)量并使其發(fā)電質(zhì)量與電網(wǎng)質(zhì)量相匹配。具有等厚葉片的垂直軸式風力發(fā)電機組可以高速運轉(zhuǎn)，但對葉片上橫向慣性荷載和振動荷載的強度應有一定的限制。目前正在研制越來越堅實的輕型和廉價的復合材

17、料將為建造達里厄型快速等厚葉片風力機開辟了前景.10發(fā)電機和增速器的配置發(fā)電機和增速器可配置在基座上和可取消扭矩的角傳動裝置是垂直軸式風力發(fā)電機組無可爭辨的優(yōu)點.這樣就減小了對安裝用設備的要求（外形尺寸和重量的限制）和對運行條件（有無振動）的要求。若設備配置在基座上時，它的安裝和運行條件得到了改善，簡化了電能的輸送.水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組避免采用角傳動是把發(fā)電裝置放置在旋轉(zhuǎn)的機艙中，此時，由于提高了對安裝設備及對運行條件的要求，將不可避免出現(xiàn)復雜性。與機艙一起轉(zhuǎn)動的發(fā)電機要輸出電力將會有不少困難.為了避免動力母線扭曲，必須限制機艙的回轉(zhuǎn)，采用集電輸送或者能脫離和拆開的母線.在所有這些情況下

18、，需在風力發(fā)電機組中添加使它復雜化的輔助裝置.必須指出，在基座水平上傳送扭矩與采用加長的傳動軸有關(guān)，但是由此造成結(jié)構(gòu)復雜化可用在基座上布置設備的優(yōu)越性來補償.若采用前傳動軸，即傳動長軸是低速轉(zhuǎn)動時，長軸不會引起結(jié)構(gòu)特別復雜化.11可靠性水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機成功地利用了航空技術(shù)的成就，特別是在設計裝置的葉片、控制系統(tǒng)和傳動方面。因此這些風力發(fā)電機組經(jīng)過充分修整后其可靠性的評估是不會低的.然而顯而易見，垂直軸式風力發(fā)電機組在修整之后，尤其是對大型機組預料會有較高的可靠性。這種判斷的根據(jù)是它的結(jié)構(gòu)大大簡化，降低了對制造傳動裝置提出的要求，簡化了安裝和維護條件等.這是由于垂直軸式風力發(fā)電機組下列特

19、點所決定的；沒有機艙轉(zhuǎn)動的機構(gòu)和系統(tǒng)，可在基座上設置發(fā)電機和增速器，沒有必要設置葉片的變距機構(gòu).不存在從發(fā)電機輸送電力的向題。必須指出，復雜結(jié)構(gòu)的高度可靠性，首先要由高水平工藝發(fā)展來保證.這一因素對制造單位是由生產(chǎn)各種零部件的不同企業(yè)的協(xié)作網(wǎng)成員尤為重要。12計算的風速正如前面所述，水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組的計算風速，根據(jù)葉片慣性荷載強度應限制在12-15m/s八范圍內(nèi)。當起動風速從4.5m/s改變到7.5m/s時，機組發(fā)電量將減少2%計算風速對發(fā)電量影響很大.例如，計算風速從10.4m/s增加到20m/s時將使發(fā)電量增加三倍。這證明了對風潛力大的地區(qū)來說，一般風力發(fā)電機組所采用的計算風速值

20、并不能充分利用當?shù)睾艽蟮娘L能資源。如前所述，低速垂直軸式風力發(fā)電機組的風速工作范圍可提高到20-25m/s,因此在風潛力大的地區(qū)，垂直軸風力發(fā)電機組無疑具有較大的優(yōu)越性.14生態(tài)上問題從對周圍環(huán)境作用的觀點來看，低速垂直軸式風力發(fā)電機組與高速水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組相比有多種優(yōu)點；空氣動力因素和次聲級較低，電視和無線電于擾較少，在風力發(fā)電機損壞時葉片碎片的分散半徑較小。葉片同鳥類碰撞的幾率小。,應該說.達里厄具有生命力.風力發(fā)電機組要求除了有更好的使用性能（可靠性、生態(tài)上清潔度，維護和修理方使、結(jié)構(gòu)簡單、使用周期長等），一還要考慮其它重要的因素如經(jīng)濟效益、造價、使用費用等.垂直軸式風力發(fā)電機

21、組可在最大程度上能滿足這些要求，在電力特性方面不遜于水平軸螺旋槳式風力發(fā)電機組，且其優(yōu)越性在風能潛力較高地區(qū)更明顯.我們研制的垂直軸活動葉片風力發(fā)電機系統(tǒng)的優(yōu)點：與現(xiàn)有風力發(fā)電機相比具備如下優(yōu)點：1,采用垂直軸風葉葉片，使風力發(fā)電機占地面積大大減小，風塔架由此可以用鋼索進行固定，因而制造成本大大減??；且由于風葉是活動的，它具有自己適應風力的特點，小風力時受風面自然變大，而大風力時受風面自然變小，因此，它適宜工作在四級到十級風力的地區(qū)。2,使用稀土彈性儲能永磁發(fā)電機，由于其機械慣性小，電磁感應速度快，所以其磁極數(shù)量很少，同樣使制造成本大大下降。3,電能逆變器，其體積小，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，不要有功調(diào)節(jié)系統(tǒng).他不像水平軸螺旋漿式風機那樣，如果不調(diào)漿葉節(jié)距，輸出功率與風速的關(guān)系是近似風速三次方的單調(diào)上升函數(shù).達里厄風機并網(wǎng)系統(tǒng)，依靠風機與電機自身特性的配合形成一條駝峰形，具有最大值的函數(shù)曲線.前半支隨風速增加而輸出功率增加，到達最大值后隨風速增加輸出電功率減小.不必擔心風速大時會燒壞發(fā)