新型垂直軸風力發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)探討

張立軍，孫明剛

(1.中國石油大學 (華東)機電工程學院，山東青島 266580; 2.青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)泰合海浪能研究中心，山東青島 266580)

新型垂直軸風力發(fā)電機的關(guān)鍵技術(shù)探討

張立軍1，孫明剛2

(1.中國石油大學 (華東)機電工程學院，山東青島 266580; 2.青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)泰合海浪能研究中心，山東青島 266580)

簡要敘述了目前垂直軸風力發(fā)電機的特點，并對目前常用垂直軸風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)中風輪、傳動機構(gòu)、塔架等重要部件的技術(shù)現(xiàn)狀進行了分析與介紹。在此基礎(chǔ)上，指出了目前垂直軸風力發(fā)電機存在的重要技術(shù)問題，并針對性地提出了相關(guān)建議。

風能;垂直軸風力發(fā)電機;傳動機構(gòu);塔架

風能作為綠色可再生能源的一種，在中國的儲藏量十分豐富。根據(jù)國家氣象局的資料，中國離地10 m高的風能資源總儲量約32.26億千瓦，其中可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量有2.53億千瓦，50 m高度的風能資源比10 m高度多一倍，大約有5億千瓦;近海可開發(fā)和利用的風能儲量有7.5億千瓦［1］。2012年全國風電裝機總量已達到400萬千瓦。

風能利用就是將風的動能轉(zhuǎn)換成機械能，再將其轉(zhuǎn)換成其他能量形式。風力發(fā)電裝置主要由風輪、傳動機構(gòu)、制動器、發(fā)電機、機座、塔架等組成。根據(jù)風輪及其在氣流中的位置，可將風力機分為兩大類:水平軸風力機和垂直軸風力機。目前，垂直軸風力發(fā)電機由于存在無須對風以及增速齒輪箱和發(fā)電機能安裝在地面上、運行維修方便等優(yōu)點而逐步被重視。

1 目前垂直軸風力發(fā)電機的特點

垂直軸風力發(fā)電機是指風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面或氣流方向，風輪圍繞一個垂直軸旋轉(zhuǎn)，作者設(shè)計的H型垂直軸風力機如圖1所示。與傳統(tǒng)的水平軸風力機相比，垂直軸風力機看上去像是“藏式轉(zhuǎn)經(jīng)筒”，體積雖小，但優(yōu)勢明顯:(1)高效利用風場，占地面積小;(2)結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量較輕，維修方便;(3)對風性好，可以接受360°方位任何方向來風，抗風能力大，可達50 m/s;(4)設(shè)備使用壽命長;(5)葉片的尖速比要比水平軸小，噪聲污染低;(6)不需尾翼和偏航系統(tǒng)來驅(qū)動槳葉;(7)增速齒輪箱和發(fā)電機能安裝在地面上。

圖1 H型垂直軸風力發(fā)電機

目前垂直軸風力發(fā)電機的缺點是:總體效率相對較低，自動啟動能力差，且過速時的速度控制相對困難。

2 垂直軸風力發(fā)電機的技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 風輪型式

風輪是風力發(fā)電機中最關(guān)鍵的部件，它比較大，承受風力載荷，又在地球引力場中運動，重力變化相當復雜。一臺轉(zhuǎn)速為60 r/min的風輪，在它的20年壽命期內(nèi)要轉(zhuǎn)動3～5億次，葉片由于自重而產(chǎn)生相同頻次的彎矩變化［2］。

垂直軸風力機主要有兩大類別:一類是利用空氣動力的阻力做功，典型的結(jié)構(gòu)是S型風輪。由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點是啟動力矩大，噪聲小，葉片設(shè)計簡單;缺點是由于圍繞著風輪產(chǎn)生不對稱氣流，易對它產(chǎn)生側(cè)向推力。對于較大型的風力機，受偏轉(zhuǎn)與安全極限應力的限制，采用這種結(jié)構(gòu)型式較困難。

另一類是利用翼形的升力做功，最典型的是達里厄型風力機，是由法國人DARRIEUS于1925年發(fā)明的，1931年取得專利權(quán)。現(xiàn)在這種風力機是水平軸風力機的主要競爭者，并具有H型、Δ型、菱形、Y型和Φ型等，其中以H型和Φ型風輪最為典型。

H型風輪結(jié)構(gòu)簡單，但這種結(jié)構(gòu)造成的離心力使葉片在其連接點處產(chǎn)生嚴重的彎曲應力。另外，直葉片需要采用橫桿或拉索支撐，這些支撐將產(chǎn)生氣動阻力。Φ型風輪所采用的彎葉片只承受張力，不承受離心力，從而使彎曲應力減至最小。由于材料可承受的張力比彎曲應力更強，所以對于相同的總強度，Φ型葉片比較輕，運行速度比直葉片高。但Φ型葉片不便采用變槳距方法實現(xiàn)自啟動和控制轉(zhuǎn)速。對于高度和直徑相同的風輪，Φ型轉(zhuǎn)子比H型轉(zhuǎn)子的掃描面積要小一些［2］。

2.2 傳動機構(gòu)

風輪將風的動能轉(zhuǎn)換成風輪軸上的機械能，然后再由高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。在轉(zhuǎn)換過程中，由于風輪旋轉(zhuǎn)速度較慢，一般大的風力機 (直徑大于100 m)，轉(zhuǎn)速在15 r/min或更低。為了使發(fā)電機不太重，且極對數(shù)少，對應的發(fā)電機轉(zhuǎn)速就很高 (1 500～3 000 r/min)，因此必須在風輪與發(fā)電機之間設(shè)置一個增速齒輪箱，將轉(zhuǎn)速提高到發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

在目前的風力發(fā)電機中，常采用機械式齒輪增速箱。齒輪箱前端低速軸由風輪驅(qū)動，輸出端與發(fā)電機軸連接，多采用單級或多級正齒輪或行星齒輪增速箱。風力機采用的齒輪箱一般分為兩類:定軸線齒輪傳動和行星齒輪傳動。定軸線齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，造價低廉。行星齒輪傳動傳動比大、體積小、質(zhì)量小、承載能力大、工作平穩(wěn)、在某些情況下效率高，缺點是結(jié)構(gòu)相對復雜、造價較高。

2.3 塔架

風電塔架是風電機組的重要組成部分，不但承載著整個主機、輪轂和葉片等的重力，還承受來自葉片的水平風力載荷、剪切風速、葉輪質(zhì)量偏心、疲勞載荷、設(shè)備運轉(zhuǎn)的動力載荷以及各種復雜的交變載荷等［3－4］。

目前常見風電塔架形式主要有3種:拉索式 (單柱拉索塔、桁架拉索塔)、斜傾式、單柱式 (包括桁架單柱塔)。拉索式塔架是最經(jīng)濟的塔架，能最有效地使用材料，并對安裝地點的要求比較靈活，對于較小的風電系統(tǒng)(＜10 kW)，易用專用的塔架安裝工具 (如起重桿等)對分段的塔架組件進行現(xiàn)場安裝。斜傾式塔架起吊方便，無需起重機，用絞車就能起吊，但必須有4根拉索;對地基的制作要求較高，尤其是在起落方向左右兩側(cè)地基的高度應一致;對臺風多發(fā)地區(qū)，斜傾式塔架是較好的選擇;但斜傾式塔架的造價比拉索式塔架貴約30%。單柱式塔架沒有拉索，具有美觀、占地少等優(yōu)點;在城市景觀、海島等受到安裝面積限制而不便于使用拉索式塔架的地區(qū)應用較多;單柱式塔架的造價比拉索式塔架貴1倍多［2］。

另外，風電塔架還有管塔式鋼制塔架、反向平衡法蘭塔架、錐形筒狀塔架、圓筒式塔架、混凝土－鋼混合塔架、預應力混凝土塔架等形式。

3 新型垂直軸風力發(fā)電機的技術(shù)分析與建議

3.1 目前垂直軸風力發(fā)電機存在的不足

(1)目前的H型垂直軸風力機風輪都是圍繞同一根軸旋轉(zhuǎn)的。但由于每一級風輪處于不同的高度，其所受的風速和扭矩不同，使同一根旋轉(zhuǎn)軸上下位置處的扭矩相差較大，造成旋轉(zhuǎn)軸的受力不平衡，影響風輪的作業(yè)效能。

(2)多級H型垂直軸風力機大多都是一個風輪帶動與之配套的一臺發(fā)電機工作，即“一對一”模式，這樣當風速較低時，最低一級風輪所對應的發(fā)電機可能不能正常工作;當風速較大時，最低一級的風輪所對應的發(fā)電機可能因超負荷而被迫停止運行，造成相關(guān)設(shè)備的過大浪費和風能資源的不合理利用。

3.2 建議及其實現(xiàn)措施

圖2 多層多軸塔架結(jié)構(gòu)示意圖

(1)采用多層多軸塔架式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，每個風輪對應著各自的中心旋轉(zhuǎn)軸，這些風輪全部安裝在同一個立式多層塔架上。

(2)垂直軸風力發(fā)電機傳動系統(tǒng)采用液壓裝置，其工作原理如圖3所示。液壓控制系統(tǒng)主要由低速大排量液壓馬達、電磁換向閥、液壓蓄能中心、比例閥、高速變量馬達等組成。H型垂直軸風力機風輪所驅(qū)動的各自的低速大排量液壓馬達輸出的液壓能全部送到同一個液壓蓄能中心，液壓蓄能中心再根據(jù)蓄能狀況通過比例閥控制進入不同型號的高速變量液壓馬達的流量，液壓馬達再帶動與其相匹配的發(fā)電機發(fā)電。這樣可以避免低級風輪產(chǎn)生能量過小、高一級風輪產(chǎn)生能量過大帶來的發(fā)電機工作不平衡的問題。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速反饋回路和電網(wǎng)電壓反饋回路主要是保證發(fā)電機發(fā)出的電的頻率不變。

圖3 風力發(fā)電機液壓控制系統(tǒng)原理圖

【1】杜志杰，馬麗娜.風力發(fā)電［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009.

【2】劉萬琨，張志英，李銀鳳，等.風能與風力發(fā)電技術(shù)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2007.

【3】李宗福，張有聞，白云飛.風力發(fā)電機塔架設(shè)計綜述［J］.低溫建筑技術(shù)，2007(4):79－80.

【4】賈銳.陸上風力發(fā)電機機組用塔架結(jié)構(gòu)綜述［J］.山西建筑，2012，38(24):212－214.

【5】葉杭冶.風力發(fā)電機組的控制技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

Technology Discuss of New Type Vertical-axis Wind-driven Generator

ZHANG Lijun1，SUN Minggang2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China; 2.Taihe Wave Energy Research Center，Qingdao Economic and Technological Development Zone，Qingdao Shandong 266580，China)

The characteristics of the vertical-axis wind-driven generator were briefly described.The technologies of wind wheel，drive gear and tower in the vertical-axis wind-driven generator were also analyzed.Based on this，the main problems，which existed in the present vertical-axis wind-driven generator，were pointed out，and some advices were proposed.

Wind energy;Vertical-axis wind-driven generator;Drive gear;Tower

TK83

A

1001－3881(2014)8－001－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.001

2013－03－15

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目 (14CX02069A)

張立軍 (1977—)，男，博士，副教授，研究方向為可再生能源發(fā)電。E－mail:zlj－2@163.com。