并網(wǎng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化技術(shù)研究

寧德正 朱向東

(云南省電力設(shè)計(jì)院,云南昆明 650051)

并網(wǎng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化技術(shù)研究

寧德正 朱向東

(云南省電力設(shè)計(jì)院,云南昆明 650051)

本文分析了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展緩慢的原因,介紹了垂直軸風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì),給出了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分析與建議,伴隨著現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和3d打印技術(shù)的突破,并網(wǎng)型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化指日可待。

垂直軸風(fēng)電機(jī)組 水平軸風(fēng)電機(jī)組 大型化 H型風(fēng)機(jī)

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)軸的方向,風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為水平軸和垂直軸兩類,特別自1980年起,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪直徑、額定功率以及塔筒高度隨著對(duì)其氣動(dòng)性能理論和實(shí)驗(yàn)的研究以及結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展而快速增加,1．5MW～3MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已成為陸上風(fēng)電場(chǎng)主流機(jī)型,2013年,維斯塔斯正在丹麥測(cè)試V164-8MW的風(fēng)機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組占到整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組市場(chǎng)的98%以上。很長(zhǎng)一段時(shí)間,由于對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的認(rèn)識(shí)不夠,認(rèn)為垂直軸風(fēng)能利用率低、葉尖速比小等特點(diǎn),重視程度和發(fā)展速度較慢。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展,垂直軸風(fēng)電機(jī)組在三維空間的葉尖速比得到提高,伴隨著3d打印技術(shù)的進(jìn)步,垂直軸風(fēng)能利用效率和成本造價(jià)上將越來(lái)越有優(yōu)勢(shì)。

1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展緩慢原因

早期對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究理論,主要基于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉素理論,參照該理論設(shè)計(jì)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組Cp值、葉尖速比均較小,無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的氣動(dòng)特性,不能滿足風(fēng)電機(jī)組大型化的需要。

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要裝置,由葉片、葉片連接件、風(fēng)輪主軸三大部分組成,再通過(guò)電氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,根據(jù)其葉片形態(tài),主要分為S型,Darrieus型、H直翼、H旋翼型,見(jiàn)圖1。

2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)展優(yōu)勢(shì)

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于技術(shù)理論發(fā)展成熟,在市場(chǎng)上占有主要份額,然而,伴隨著垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究理論的完善,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也具有很大的發(fā)展?jié)摿?主要基于以下優(yōu)勢(shì)。

第一:垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以吸收任意風(fēng)向上的來(lái)流,不需要像水平軸風(fēng)機(jī)一樣對(duì)風(fēng)和偏航,省去了偏航傳動(dòng)裝置,大大降低了風(fēng)電機(jī)組制造成本,且不會(huì)因?yàn)闊o(wú)偏航而降低功率輸出,可應(yīng)用在風(fēng)向變化較頻繁,甚至在在湍流強(qiáng)度較大的地方也影響較小。

第二:垂直軸風(fēng)電機(jī)組發(fā)電、控制系統(tǒng)均安裝在地面或者塔架底部,而水平軸發(fā)電機(jī)組其發(fā)電設(shè)備需安裝在高空,和主軸位于同一水平面上,為捕捉更高的能量,塔架高度都在70m以上,雖然塔筒在安裝階段可以通過(guò)多段組合的方式解決,但為后期的機(jī)艙內(nèi)設(shè)備維護(hù)、檢修帶來(lái)較大困難。另外機(jī)艙位于塔筒頂端,靜、動(dòng)荷載較大,傾覆力矩較小,為安全需要,需要較高的塔筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也要比垂直軸機(jī)組大得多。

第三:垂直軸風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),其葉片與塔架較遠(yuǎn),氣流能夠通暢的通過(guò)轉(zhuǎn)子,不會(huì)因塔影效應(yīng)影響風(fēng)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)組底部的安裝也使得安裝更方便,大幅降低安裝費(fèi)用。

圖1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要葉片形態(tài)

第四,垂直軸風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)其各個(gè)方向的慣性力和重力基本保持不變,所受荷載相對(duì)恒定,不會(huì)像水平軸風(fēng)電機(jī)組受湍流強(qiáng)度影響而受力發(fā)生周期性變化,延長(zhǎng)使用壽命。

第五,在大型并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)中,水平軸風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組一般按垂直于主導(dǎo)風(fēng)向上的行距6～10d,列距3～5d(d為葉輪直徑)原則進(jìn)行布置,單位場(chǎng)地可利用率較低,而垂直軸風(fēng)機(jī)直徑相對(duì)小的多,單位面積上能量密度可以提高3倍以上。

此外,垂直軸風(fēng)電機(jī)組通常采用等截面葉片,而水平軸風(fēng)機(jī)葉片采用立體扭曲變截面螺旋形結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)、加工制造均比垂直軸葉片復(fù)雜。隨著3d打印技術(shù)的發(fā)展,垂直軸各種形式的將會(huì)出現(xiàn)更多的氣動(dòng)效率高的葉片翼型。

3 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分析與建議

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有無(wú)需偏航、變槳簡(jiǎn)單、噪音低、塔架相對(duì)較低、適應(yīng)極限風(fēng)速的優(yōu)點(diǎn),但多年來(lái)仍沒(méi)有生產(chǎn)出可并網(wǎng)、應(yīng)用的大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),但存在氣動(dòng)效率、自啟動(dòng)、超速控制、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全制動(dòng)等一系列問(wèn)題,而這些問(wèn)題在水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)上都已經(jīng)解決。

以H型垂直機(jī)分析為例,H型風(fēng)機(jī)各級(jí)風(fēng)輪都是圍繞垂直軸傳動(dòng),各層葉輪所受風(fēng)速不同,對(duì)軸的作用力和扭矩也不同,同一根軸上、下受力差距較大,旋轉(zhuǎn)受力不平衡,導(dǎo)致效率下降。建議采用多軸傳動(dòng),可解決各層之間受力不均的問(wèn)題,但增加相應(yīng)的控制系統(tǒng)內(nèi)。

對(duì)于多級(jí)H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),最低一級(jí)的風(fēng)輪無(wú)法帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組工作,即無(wú)法切入運(yùn)行,當(dāng)風(fēng)速較大時(shí),高一級(jí)的風(fēng)速較大,會(huì)導(dǎo)致切出運(yùn)行,造成風(fēng)能資源的浪費(fèi)。

此外,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于氣動(dòng)特性和主軸結(jié)構(gòu)的不同于水平軸風(fēng)機(jī),不能將小型水平風(fēng)力機(jī)按比例放大后成為大型風(fēng)力機(jī),需要采用實(shí)時(shí)可變攻角技術(shù),捕捉有效的能量,設(shè)計(jì)出適合垂直軸風(fēng)機(jī)的葉片翼型,并消化、吸收水平軸風(fēng)電機(jī)組成熟的技術(shù),如在線監(jiān)控、振動(dòng)監(jiān)測(cè)、低電壓穿越等成熟的技術(shù),才能真真意義上實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的大型化。

4 結(jié)語(yǔ)

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化需要更多的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo),伴隨著現(xiàn)代計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和3d打印技術(shù)的突破,并網(wǎng)型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大型化指日可待。

[1]TEMPLIN R J.Aerodynamic Performance Theory for the NRC Vertieal-Axis Wind Turbine [R]//N.A.E.Report LTRLA-160,1974:1-13.

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