青草沙水庫水面用小型風力發電機選型及思考

趙一帆 陳凱威

摘要：水質在線儀器要求24小時不間斷實時檢測提供數據，其能源一直是人們考慮的問題。小型風力發電機及蓄電池的組合能夠有效增加這類儀器的運行時間。如何在水面等特殊工作環境下選用合適的風力發電機是一個問題，本文從風機的種類，工作環境及安裝位置三個角度出發，決定合適選型，增加其工作時間。

關鍵詞：小型風力發電機；水質在線儀器；青草沙水庫；垂直式風力機；防護等級；振動強度

1背景

青草沙水庫是世界上最大的邊灘水庫，也是上海是最大的飲用水水源地[1]。水庫總面積為66.15km2，有效庫容為4.35億m3[2]，面對如此大的體量，僅靠每日人工化驗部分關鍵點位水質是遠遠不夠的。所以青草沙水庫在其水域內選定了13個點位并安裝大型浮筒，在其上配備了多參數在線水質監測設備、信號發射裝置以實時監控水質。整套在線設備由蓄電池，充電系統以及負載組成。其中充電系統由風光互補裝置即小型風力發電機以及太陽能板組成。但在之前數年的使用中，由于青草沙水庫相關環境比較惡劣，第一代風機使用情況并不理想，會發生葉片斷裂，失控，乃至整個風機被吹走的情況。

針對以上情形，我們從嘗試風機種類，工作環境及安裝位置三個方面考慮，以期在項目大修中更換更適合水庫工作的小型風力發電機，從而優化其在整套在線設備中的使用能力。

1.1風力發電機的種類

目前，風力發電機主要按照風機葉輪旋轉軸的角度分為兩類，水平軸風機和垂直軸風機[3]。其中當其旋轉軸平行于或近乎平行于地面的稱之為水平軸風機，目前的大型風力發電機都以水平軸為主，如沿海的大型風機等；當其旋轉軸垂直于地面時，則稱之為垂直軸風機，這是一種較之于水平風機研究起步較晚的產品，但已經證明該類風機并不遜色于傳統水平軸式風機[4]，目前主要以小型風力發電機的身份應用于生活場景，如綠色能源路燈等。

青草沙水庫在水面使用的第一代風機是水平軸式風機。但使用狀況不是很理想。我們通過查閱資料發現，水平軸風力機在工作過程中，其受到離心力，水平方向慣性力，風機主體與受風板重力等合力作用，其中慣性力隨風向改變而改變，這個突變載荷對葉片的疲勞強度是非常不利的[5]；相反地，垂直軸風力機無論哪個方向來風都能以同一種工況應對，并且風輪葉片只受到延展向的張力，相同材料下，其疲勞壽命比水平軸風機要長。通過查閱歷史氣象資料發現，青草沙水庫的風具有風力偏大，風向轉換快的特點，綜合考慮更適合使用垂直軸式風機。

1.2環境的影響

青草沙水庫位于長江入海口，其濕度常年極高，且鹽度在秋冬季節也會階段性上升，在夏季，還有強光照射以及大量臺風侵襲的問題。資料顯示，強烈的日光照射、高濃度的鹽霧環境、高濕度及水分侵蝕等因素都會對風力機及葉片表面造成損害[6]。因為以上的原因，還需要考慮到相關小型風力發電機葉片的材質，以及防護等級要求。我們最后對葉片材質要求為高等級不銹鋼，而風機整體防護等級也必須達到IP57的要求，中高等級防水性能。

1.3安裝位置的影響

目前所考慮的小型風力發電機將主要搭載于青草沙水庫水面的大型浮筒上，其穩定性肯定會低于搭載于平地的同類型產品。已經有相關研究證明，在風浪條件下，漂浮特性對于風力發電機的振動影響很大[7]，這意味著其壽命較正常工況下將下降很多。為了盡可能減少水面漂浮特性對風力發電機壽命的損耗，建議將風力發電機都安裝于每一個浮筒的重心上，而非原來比較偏移的一側；并且將風機立桿焊在浮筒槽鋼之上，增加其機械強度；同時，還建議適當降低立桿的長度以抵抗較強的風力等級。

2、結論

通過以上的思考，青草沙水庫在新的水面浮筒用風力發電機將選用垂直軸風力發電機，并且對葉片材質要求為高等級不銹鋼，防護等級IP57以上，安裝位置于浮筒重心的槽鋼之上盡可能保持穩定。

參考文獻

[1]陳立，陳蓓蓓，張淑敏.青草沙水庫運行管理優化探索[J].凈水技術，2013 32（3）：85-88

[2]李嘉海，王紹祥，朱宜平，等.青草沙水庫下游排水閘口內浮游藻類群落變化調查[J].凈水技術，2014，33（s1）：30-34

[3]蔣超奇，嚴強.水平軸風力發電機的比較研究[J].上海電力，2007（2）：163-165

[4]蔣崇文，振勛，唐金龍，等.垂直軸與水平軸風機的氣動性能對比[R].北京：中國能源學會，2011

[5]莫曉聃，李濤.垂直軸風力機概述及發展優勢剖析[J].節能技術，2010（5）：450-453

[6]劉燕.濕空氣對風力機翼型及葉片氣動性能影響的數值研究[D].北京：華北電力大學，2017

[7]金鑫，鐘翔，何玉林，等.漂浮特性對風力發電機振動影響[J].振動與沖擊，2013（15）：26-31

作者簡介：趙一帆（1992-7）；男；漢；上海市；管理員；助理工程師；大學本科。

（作者單位：上海城投原水有限公司青草沙水庫管理分公司）