一種公自轉組合式風力發電系統的研究與設計

劉志亮，馬 成，朱文昌，李 佳，李 戩

(青海大學機械工程學院， 青海西寧810016)

風能，作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，近年來隨著環境、能源等問題日益凸顯而備受關注。我國地域遼闊，風能資源豐富，據估計，我國可開發的風能儲量約為10億千瓦，具有廣闊的發展空間[1- 2]。雖然我國在風力發電產業中起步較晚、相關的技術也被國外壟斷，但是隨著國家在能源和環境保護等方面戰略的轉型升級，風力發電的裝機容量增長迅猛。目前我國已躋身風力發電大國的行列之中，因而風力發電方面的技術創新和改進升級對我國的發展具有重要意義。

1 傳統風機的性能分析

目前，主要的風力發電系統分為兩類，一類是水平軸風力發電系統，該類系統設備占用空間大、啟動風速高，在高速運行的情況下，由于葉片切割氣流，將產生很大的氣動噪音。在實際運行過程中，風向是經常變化的，由于該類系統依托風舵進行對風，因而會存在“對風損失”，影響風能的利用率。另一類是垂直軸風力發電系統，該類系統因其具有氣動性能好、無需對風、受力穩定、風能利用率高等諸多優點而被廣泛關注[3- 5]。

由于特殊的地理環境和氣候條件等多種因素的影響，風力的方向往往不是水平的，而是呈一定的傾角，如圖1所示，當風力作用于葉片上時，將風力進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方向上的風力為有效風力；而Fy方向上的風力無論是水平軸還是垂直軸風力發電系統均不能對其進行有效利用。由于風力作用在葉片上是變荷載，使設備受到變應力的作用，易造成設備疲勞破壞，降低設備的使用壽命。為了能夠有效利用各個方向上的風力、提高系統的抗疲勞強度和抗風性能、增強風力發電系統的適應性，因而研發出一款公自轉組合式風力發電系統。

圖1 風力正交分解

2 系統設計及分析

2.1 風機主要相關參數

式(1)～(3)中，M為轉矩；ω為風機角速度；n為風輪的轉速；V葉為風葉速度；V風為上游風速；R為風輪半徑；ρ為空氣密度；S為風輪掃過的面積。

2.2 葉片的選擇

通過以上對水平軸和垂直軸風力發電系統的研究分析，綜合多方面因素考慮，最終選擇垂直軸風力發電系統進行設計[6- 7]。

目前，垂直軸風力發電系統類型多樣，但主要有阻力式的S型、升力式的φ型和H型，通過對相關數據的分析可得出表1結果。由表1可以看出，3種垂直軸風力發電類型各有優劣，但S型和H型具有氣動性能好、氣動噪音小、結構簡單等明顯優勢。S型與H型單位寬度的輸出功率分別為[10]

PH≈0.31ρRV風3

(4)

PS≈1.37ρRV風3

(5)

式(4)、(5)中，PH為H型單位寬度的輸出功率；PS為S型單位寬度的輸出功率；在相同情況下，S型的單位輸出功率大于H型的單位輸出功率，因而選擇垂直軸S型風力發電系統，如圖2所示。

葉片弦長C在設計中受到多方面的影響，可以由經驗公式(6)求得

表1 垂直軸風力發電S型、H型、φ型的分析比較[7- 9]

圖2 S型風力發電系統結構示意

(6)

在受到風力作用時，每個葉片所產生的阻力Fd可由公式(7)求得

Fd=ρ(V±U)2·Av·Cd/2

(7)

式(6)、(7)中，B為風輪的葉片數量；ρ為空氣密度；V為風速；U為葉片線速度；AV為葉片的最大投影面積；Cd為葉片阻力系數。

2.3 整體結構的設計

通過分解風力情況可知，水平方向上的風力能被各類垂直軸風力發電設備有效利用，而垂直方向上的風力則未能有效利用，因而在垂直軸風力發電系統的基礎上，安裝一個特殊的中心電機，同時在中心電機的上部水平成90°安放4個阻力式風力發電裝置，此4個受風電機不但能隨中心電機繞塔柱進行公轉，在風力作用下，每個獨立的受風電機也能自轉。最頂端的受風電機主要負責水平方向風力，而四周的受風電機主要負責垂直方向風力和部分水平方向上的風力，同時在水平方向上力的作用下，4個電機帶動中心電機轉動，整體結構如圖3所示。

圖3 公自轉組合式風力發電系統結構示意

通過以上的公自轉組合式設計，當風力作用時，5個受風電機將受到較大的水平方向上的風力，帶動中心電機的轉動，減小風力對設備產生的較大的矩，能有效的起到緩沖作用，從而提高了整個設備的抗風性；無論風向如何，均能將其分解到垂直和水平兩個方向進行有效利用，從而實現六面受風，有效的提高風能的利用率；5個受風電機在自轉的基礎上，具有繞軸的公轉，從而帶動中心電機轉動進行發電，進一步提高設備的發電量[11- 12]。

垂直軸風力發電機組有效功率Ne可以由式(8)求得

Ne=K·Ca·Ct·S·V3·η

(8)

式中，K為單位換算系數;Ca為空氣高度密度換算系數；Ct為空氣溫度密度換算系數；S為風輪葉片的掃略面積；V為風速；η為風力發電機組全效率。

2.4 電刷的設計

通過公自轉組合設計，有效提高風能利用率、提高設備的抗風性能、增加發電量，但也產生了一個問題：5個受風電機分布于中心電機之上，隨中心電機一起轉動，如何引出電流成為了一大難題。本文將電刷的原理運用于此設備中[13]，通過外置電刷如圖4，將正負兩極引出，從而有效的解決電流引出這一難題。

圖4 外置電刷結構示意

2.5 整流電路的設計

此系統有6個發電機組合而成，在實際運行過程中，由于風向的不確定性，因而每個電機的轉向也有可能不同，導致電極隨風葉轉向改變而出現兩種情況，所以不能將6個電機發的電進行簡單的串并聯，故此我們設計了如圖5的雙向整流電路[14]，無論電極出現的是情況1還是情況2，此電路均能將其進行換向，將每個電機都接上此電路，從而實現多路異向電流的匯集，減少蓄電池數量的使用。

圖5 雙向整流電路示意

3 結 語

本文介紹的組合式風力發電系統，實現了六面受風，有效的提高了風能的利用率；而公自轉結構設計，使受風電機在實現自轉的情況下帶動中心電機進行公轉，從而對強風起到一個有效的緩沖作用，增強了設備的抗風性和適應性，因而該設計具有一定的實用性和推廣價值。