同步變槳距式風(fēng)力機(jī)的變槳原理及應(yīng)用

同步變槳距式風(fēng)力機(jī)的變槳原理及應(yīng)用

1防止風(fēng)輪葉片改變的設(shè)計(jì)條件目前，主要的風(fēng)力機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)形式為可變莖的距離。風(fēng)力機(jī)可根據(jù)風(fēng)速變化調(diào)整葉片的間距，并將風(fēng)力機(jī)在特定風(fēng)速范圍內(nèi)的風(fēng)利用率計(jì)算為合理的值。常規(guī)變槳距式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)所考慮的是在一定風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片所要實(shí)現(xiàn)的槳距變化,進(jìn)而改變?nèi)~片的攻角。風(fēng)輪葉片的改變是各葉片同步的,即各葉片無(wú)論在何時(shí)的安裝角都相同。設(shè)計(jì)的假定前提是在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面內(nèi)風(fēng)速是相同的。但實(shí)際上由于風(fēng)速存在高度的切變,葉片處在最頂端和最底端風(fēng)速是不同的,這樣設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)各風(fēng)輪葉片在實(shí)際運(yùn)行中的上、下位置時(shí)所得到的升力是不同的,即葉輪運(yùn)行中存在額外阻力,影響風(fēng)力機(jī)的輸出功率和減少風(fēng)力機(jī)的使用壽命。要解決這個(gè)問(wèn)題需要改變風(fēng)力機(jī)變槳距控制系統(tǒng)對(duì)葉片的同步控制現(xiàn)狀,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)對(duì)葉片的異步控制。2分析和解決2.1同時(shí)，變距法的輸送中的輸送分析(1)工作下的狀態(tài)同步變槳距式風(fēng)力機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)風(fēng)速在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面內(nèi)都是相同的,按照經(jīng)典葉素理論分析風(fēng)力機(jī)葉片在工作下的狀態(tài)見(jiàn)圖1。圖1中,β為安裝角或節(jié)距角,是半徑r處回轉(zhuǎn)平面與槳葉截面翼弦的夾角;I為傾角,是長(zhǎng)度為dr的葉素所受氣流方向與回轉(zhuǎn)平面的夾角;i為攻角,i=I-β。對(duì)于每個(gè)r值的風(fēng)力機(jī)葉片的傾角可以由cotI=32λ=32λ0rR得出。式中:λ為半徑r處所對(duì)應(yīng)的尖速比;R為葉片長(zhǎng)度。(2)空氣動(dòng)力系數(shù)cv對(duì)長(zhǎng)度為dr的葉素進(jìn)行分析如下:F=1/2ρCvSV2(1)式中:ρ—空氣密度;S—葉片面積,葉片長(zhǎng)×翼弦;CV—總的空氣動(dòng)力系數(shù)。其中CV可分為兩個(gè)分力:平行與空氣速度的阻力Fd;垂直于空氣速度的升力Fl。這樣式(1)可寫(xiě)為:Fl=1/2ρClSV2(2)Fd=1/2ρCdSV2(3)其中Cl和Cd分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù),它們只與葉片的攻角有關(guān),屬于葉片翼型的物理特性。對(duì)葉片整體受力分析時(shí),葉片總的受力可根據(jù)積分法則,對(duì)葉片進(jìn)行積分求得。2.2聯(lián)合測(cè)距式風(fēng)機(jī)的缺點(diǎn)分析(1)風(fēng)輪掃階段內(nèi)的風(fēng)速變化同步變槳距式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的前提假定條件是風(fēng)速在整個(gè)風(fēng)輪掃掠面內(nèi)是相同的。但這個(gè)條件在本質(zhì)上是不成立的,因?yàn)轱L(fēng)速在高度上存在與高度相關(guān)的切變。風(fēng)速會(huì)隨高度的增加而增加,增加的程度是由風(fēng)的切變現(xiàn)象決定的。(2)最佳升力比和阻力同步變槳距式風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮風(fēng)速在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)的高度切變,按給定尖速比以及葉片翼型的最佳升阻比的攻角計(jì)算出葉片的安裝角,變槳時(shí)各葉片同步變化安裝角。升力系數(shù)與阻力系數(shù)和攻角的關(guān)系見(jiàn)圖3、4。每種翼型的升力系數(shù)與阻力系數(shù)都有固定的關(guān)系,升阻比為Cl/Cd。反映升阻比關(guān)系的曲線稱(chēng)為埃菲爾極曲線(Eiffelpolar),見(jiàn)圖5。曲線上每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)攻角狀態(tài),當(dāng)取M0點(diǎn)時(shí),從O點(diǎn)與之連線與曲線相切,此點(diǎn)為最佳升阻比點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的攻角為該翼型的最佳攻角。因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)風(fēng)輪掃掠面內(nèi)風(fēng)速是不同的,所以風(fēng)力機(jī)的各個(gè)葉片在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)各個(gè)位置的尖速比也應(yīng)該是不同的。根據(jù)尖速比與風(fēng)力機(jī)攻角的關(guān)系可知,風(fēng)力機(jī)葉片在整個(gè)掃掠面內(nèi)的攻角隨高度發(fā)生一個(gè)周期性的變化。目前,同步變槳距式風(fēng)力機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中的各個(gè)葉片在掃掠面內(nèi)的任意時(shí)刻的尖速比是相同的。如圖6所示,假設(shè)風(fēng)輪葉片只有在某一高度如a點(diǎn)和c點(diǎn)位置時(shí)達(dá)到最佳升阻比的攻角,但風(fēng)輪葉片在其他點(diǎn)如b點(diǎn)和d點(diǎn)不能達(dá)到最佳升阻比的攻角,即偏離O-M0線所對(duì)應(yīng)的位置。按照升力系數(shù)和攻角、阻力系數(shù)和攻角的關(guān)系圖,可以知道各葉片在任意時(shí)刻得到的升力和阻力是不同的。這樣同步變槳距式風(fēng)力機(jī)最大的問(wèn)題就是——風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中就存在額外的阻力。風(fēng)力機(jī)葉輪要承受由于葉片的受力不同導(dǎo)致的額外內(nèi)應(yīng)力,縮短風(fēng)力機(jī)的葉輪使用壽命,進(jìn)而使風(fēng)力機(jī)的使用年限降低,影響風(fēng)電場(chǎng)的整體經(jīng)濟(jì)效益。2.3解決方法要解決上述問(wèn)題,需改變風(fēng)力機(jī)對(duì)各葉片變槳控制的同步性,實(shí)現(xiàn)風(fēng)力機(jī)各葉片的異步變槳,使葉片無(wú)論在任何位置都處于最佳升阻比狀態(tài)。(1)風(fēng)輪直徑取值的計(jì)算在計(jì)算風(fēng)速的高度切變時(shí)一般采用統(tǒng)計(jì)公式VV0=(HH0)n。式中:V0是距地面H0觀測(cè)到的風(fēng)速,一般H0的值為10m;V是高度H的風(fēng)速。統(tǒng)計(jì)公式的不足是未考慮地面粗糙度長(zhǎng)度因素?？紤]地表面粗糙長(zhǎng)度z0后,上式變?yōu)橐詫?duì)數(shù)法表示如下:VV0=ln(H/z0)ln(H0/z0)(此式適用范圍為30～50m高度)。H和H0不應(yīng)看成距地面的高度,而是距零風(fēng)速平面的高度。對(duì)n取值計(jì)算時(shí)可按下式:n=0.04lnz0+0.003(lnz0)2+0.24目前風(fēng)力機(jī)一般輪轂高度都大于50m,風(fēng)輪直徑與之相似。計(jì)算時(shí)應(yīng)注意各式的前提條件。當(dāng)葉片在輪轂下方時(shí)可利用風(fēng)速切變對(duì)數(shù)公式,葉片在輪轂上方時(shí)可利用風(fēng)速切變統(tǒng)計(jì)公式。計(jì)算出風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪掃掠面內(nèi)各點(diǎn)的風(fēng)速后,用數(shù)值方法擬合出在風(fēng)輪掃掠面內(nèi)的風(fēng)速的變化方程。(2)原尖速比的計(jì)算風(fēng)力機(jī)葉片在整個(gè)掃掠面內(nèi)的尖速比是不相同的,引入修正尖速比的概念。即把λ0變?yōu)棣诵拚?。原尖速比的?jì)算公式為:λ0=nπr/V0(4)cotI0=32λ0(5)式中:n—風(fēng)輪轉(zhuǎn)速,rad/s;V0—基準(zhǔn)風(fēng)速,m/s。把葉片各位置的實(shí)際尖速比代入,解出風(fēng)力機(jī)葉片掃掠面內(nèi)各葉片的實(shí)際傾角I修正。計(jì)算葉片最佳安裝角:β修正=I修正-i(3)最佳升阻比位置上述計(jì)算得出的一系列方程均為風(fēng)速的函數(shù),異步變槳機(jī)構(gòu)所要實(shí)現(xiàn)的功能是在正常運(yùn)行中使各葉片安裝角β一直處于由風(fēng)速值確定的β修正位置,即風(fēng)輪各葉片始終處于最佳升阻比位置。異步變槳是根據(jù)輪轂高度上任一風(fēng)速值為基本風(fēng)速,折算出風(fēng)輪掃掠面內(nèi)葉片的最佳安裝角,再由異步變槳機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。2.4個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)在最基本組織非線性遞增安裝角β修正與β原始差值的變化規(guī)律是:在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)(在瞬時(shí)風(fēng)速可認(rèn)為是定值),從葉片在最項(xiàng)端開(kāi)始到葉片在最底端的非線性遞增過(guò)程;再由葉片最底端到葉片在最頂端的相反過(guò)程。(1)槳距控制器求取葉片在最底端變槳距機(jī)構(gòu)由一個(gè)微處理單元控制,對(duì)其要求是:實(shí)現(xiàn)在任意一個(gè)葉片運(yùn)動(dòng)周期內(nèi),從葉片最頂端開(kāi)始以某一加速度改變槳距,直到葉片到達(dá)最底端;而后又執(zhí)行相反的操作。(2)機(jī)風(fēng)輪葉片始終保持最佳升阻比狀態(tài)異步變槳根據(jù)風(fēng)速的大小調(diào)節(jié)變槳速度,在有效風(fēng)速范圍內(nèi)使風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片始終保持在最佳升阻比的狀態(tài)。在風(fēng)力機(jī)工作時(shí),可以減少風(fēng)力機(jī)阻力、減少風(fēng)力機(jī)葉輪葉片的內(nèi)部應(yīng)力、提高風(fēng)力機(jī)的輸出功率,從而延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)葉片的使用壽命,加長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)的使用年限。(3)提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益雖然每臺(tái)風(fēng)力機(jī)加裝了異步變槳機(jī)構(gòu)使單臺(tái)風(fēng)力機(jī)成本會(huì)有一些增加,但是整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電能力有一定程度提高,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用年限也有增加,這將會(huì)使風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益得到很大程度的提高。3風(fēng)力機(jī)變槳距控制原理異步變槳的風(fēng)力機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),可調(diào)節(jié)葉片使其一直處于最佳升阻比狀態(tài),使變槳距式風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)獲得較好的功率輸出,在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)減少風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的內(nèi)