小型垂直轴风力发电系统的设计.doc

适用经济型小型垂直轴风力发电系统的设计1 小型垂直轴风力发电系统的分类 (1)桨叶式风力机 桨叶式风力机是一种阻力型风力机，因它的叶片形状而得名。这种风力机的关键集中在如何减少逆风方向叶片的阻力，对此有许多设计方案。使用遮风板的，也有改变迎风角的，不过桨叶式风力机的效率很低，除了在日本局部地区曾经使用过外，实际上几乎没有制造和使用的实例。一般来说，这种风力机归类为垂直轴型，但是也有把它设计成水平轴的。 (2)萨布纽斯式风力机 萨布纽斯式风力机是20年代发明的垂直轴风力机，它以发明者萨布纽斯的名字命名(我国有时称它为S型风力机)。这种风力机通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用三一四枚的。这种风力机往往上下重叠多层。效率最大不超过10，能产生很大的扭矩。在发展中国家有人用它来提水、发电等。(3)达里厄型风力机 达里厄风力机是一种新开发的垂直轴式风力机，以法国发明者达里厄的名字命名，下图为普通的形达里厄风力机和特殊的形达里厄风力机。其叶片多为23枚。该风力机回转时与风向无关，是升力型的。它装置简单，成本也比较便宜，但起动性能差，因此也有人把这种风力机和一部萨布纽斯风力机组合在一起使用。 (4)旋转涡轮式风力机 垂直轴升力型旋转涡轮式风力机，这种风力杉L垂直安装34枚对称翼形的叶片。它有使叶片自动保持最佳攻角的机构。因此结构复杂价格也较高，但它能改变桨距、起动性能好、能保持一定的转速，效率极高。这种风机也有把同样的叶片固定安装的形式。 (5)弗来纳式风力机 在气流中回转的圆筒或球，可以使该物体的周围的压力发生变化而产生升力。这种现象叫马格努斯效应，利用这个效应的发电装置叫弗来纳式风力发电装置。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电。这种装置，是1931年由美国的J马达拉斯发明的，并实际制造了重15吨、高27米的巨大模型进行了实验。这个实验的详细情况不清，但时间很短便中止了。现在弗来纳式风力机装置又受到重视，美国的笛顿大学在重新进行开发和试验。 (6)费特肖奈达式风力机 这种风力机是由德国费特公司的工程师肖奈达发明的，费特肖奈达螺旋桨垂直地安装在船底下部作为船的推进器。推进器圆周的叶片，在刁；同的位置上能够改变方向，因随着叶片的角度和回转速度不同，其升力的大小和方向也不同，所以可以不用舵。把这种费特，肖奈达叶片上下相对可制成风力机(如下图)，其工作原理和旋转涡轮式风力机相类似。其中比较受关注的是达里厄风力发电装置。我们选取开发的小型风力发电系统就是以达里厄风力发电系统为蓝本开发。2 垂直轴风力发电系统的优越性现在，在全世界风力发电机组运行总数中，水平轴螺旋桨式风力发电机组占90%以上，在世界上约有100多家公司从事批量生产这种类型风力发电机组。垂直轴式风力发电机组开发不力的原因是由多种因素造成的:发明垂直轴式风力发电机组比水平轴螺旋桨式风力发电机组较晚;以前曾错误地认为垂直轴风力发电机组的工作机构(叶片)最大线速度对风速之比不可能大于1，而对水平轴螺旋桨式风力发电机组来说，这种比值可达到5:1以上。进人60-70年代间，首先是加拿大、然后是美国、英国的风电专家们经过实验指出，上述的结论对于利用叶片上升风力的达里厄转子是不适用的.就达里厄转子而论.工作机构线速度对风速之比可达到5:1以上，且风能利用系数不比水平轴螺旋桨式风力发电机组低.此后，垂直轴式风力发电机组得到了大力开发，它的单机容量逐渐在增大.当今，所有发达国家，如加拿大、美国和荷兰在实践中使用了达里厄转子的垂直轴风力发电机组，且认为装有曲线型叶片的传统方案是比较可取的;而英国和罗马尼亚采用与转轴平行的等厚叶片作为主要方案。下面从几方面对垂直轴式和水平轴螺旋桨式风力发电机组作一些对比评估，且以传统的螺旋桨式和具有等厚叶片达里厄型风力发电饥组为例进行说明。2风力发电机组的效率与风向的关系水平螺旋桨式风力发电机组的最大效率只又在保证具有良好风速的条件下才能得到实现.水平螺旋桨式风力发电机组上设有风轮定向系统将使风力机组本身复杂化并降低它的可靠性，根据此类型的国外风力发电装置的运行经验数据，定向系统的故障率占总量的13%.此外，在风向改变时由于定向机构作用滞后，风轮的有效定向实际上是不可能的，对于具有直径30-40mm以上风轮的中型和大型风力机组来说，风轮的定向效果将会降低.因为风的气流速度在叶片范围内存在非共面性及其差异.从而导致风轮不可能定向在最佳位置上因此减少了发电量。风力发电机组的经济效益也就下降。风轮定向系统使水乎轴螺旋桨式风力发电机组的机舱和支承塔架之间的连接刚性变坏，因此造成出现自振现象.活动部件和固定部件在频率特性上的差异，最终降低机组的可靠性和寿命.垂直轴式风力发电机组的工作效率原则上不取决于风向。因此不需要风轮定向机构，上下气流特性不均衡仅使叶片上受到的转矩发生一些变化。3风能利用系数 理论上证实，水平轴螺旋桨式和垂直轴式风力发电机组风轮的理想风能利用系数等于0.593,这是因为两种型式风力发电机组的转子在翼型叶片受风气流扫掠时产生的升力效果是一样的。现在，水平轴螺旋桨式风力发电机组风能利用系数达0.4以上;而俄罗斯生产的垂直轴式风力发电机组的实验研究表明，其风能利用系数达到0.4-0.45是完全能实现的。因此，可以这样说，水平轴螺旋桨式和垂直轴式风力发电机组的风能利用系数是十分接近的。4风力发电机组的起动 有一种观点认为.水平轴螺旋桨式风力发电机组的起动力不等于0，因此它们的起动不需要外部动力，但实际上水平轴螺旋桨风轮只有在正对来风的情况下才能自行起动.而在侧风时,大型风轮可能不会自行起动,需要外部动力转动机舱和风轮。以使风轮正对来风.垂直轴式风力发电机组的起动力矩等于0.就是说，该装置不能自行起动.但是在强大阵风时，垂直轴式风力发电机组可以自行起动.虽然保证垂直轴风力发电机组自行起动的方法是众所局知的，例如通过改变其叶片几何参数的方法等，但现在大多数处于运行的垂直轴式风力发电机组都设有外部动力以便起动和加速转子.风力发屯机组的结构复杂化将导致降低可靠性，而采用辅助装置将使风力发电机组的功率降低。5风力发电机组动力系统的合理性水平轴螺旋桨式风力发电机组的叶片惯性载荷沿叶片径向变化，就是说其分布对受力最有利.风轮的轮毂和支撑轴承部件结构紧凑、外形尺寸小;垂直轴风力发电机组叶片的惯性载荷沿着横梁垂直叶片方向变化，轮毂和支撑轴承部件外形尺寸大，因此，垂直轴风力发电机组在满足动力系统的合理性上稍差。然而当风力发电机组容量达兆瓦级时则必须计算显著变化的载荷特性.其一，水平轴风力发电机组叶片上的空气动力载荷在上下位置上是不一样的.因为在叶片长度范围上存在风速差异，叶片以不同的比转数运行且把波动扭矩传给轮毂;其二，重力值无法计算.波动的风力和重力载荷将使叶片、轮毂和支承传动系统的振动大大增加，在风力机转动时科里奥利斯力也提高.6 叶片的结构由于叶片上圆周速度和迎风角度的不同，水平轴螺旋桨式风力发电机组的叶片全部截面都处在不同的动力状态之中，这种差别由于叶片截面彼此扭变而大大减少，叶片的惯性载菏的特点导致型面向叶片端部缩小.因此，螺旋桨式叶片结构比垂直轴式直角形叶片复杂，垂直轴式风力发电机组的叶片表面对翼弦是对称的。从另一方面看，垂直轴式风力发电机组采用单独散件玻璃钢叶片组装，由于必须要有法兰接头，故安装较困难.7叶片的变距机构水平轴螺旋桨式风力发电机组的叶片变距机构不仅具有使风轮制动的作用，而且还具有调整叶片最佳迎风角度的作用，以使风轮保持在极限转数内，防止风轮超速。但叶片的变距机构将使风力发电机组结构显著复杂化，因为在这种情况下，需要连续跟踪转数的系统和传动每枚叶片的变距机构，以及自动控制叶片转动角度的系统。从防止风轮转动出现紧急工况的危险性来看，水平轴螺旋桨式风力发电机组采用变距机构是完全必要的。垂直轴风力机叶片若设置变距机构不仅对制动而且对叶片在旋转圆周的所有位置上保持最佳的迎风角也是很有效的。但现在，采用这种工作原理的装置无法按照以下的方案:绕转轴转一圈时整体的叶片对着风向应稍有摆动。这说明制造这种叶片变矩机构和装置的复杂性，叶片视风向而定，其结构将复杂化.实践表明，若无叶片变距机构，垂直轴风力发电机组的效率将在水平轴螺旋桨风力发电机组相当效率的水平上。8叶片扫惊面和从叶片单位长度上获取的能量水平轴螺旋桨式风力发电机组的叶片扫掠面是由旋转叶片的两端部形成的圆周面积确定.对垂直轴风力发电机组来说，此扫掠面由矩形面积确定，其两边等于叶片长度和风轮的直径。这样一来，垂直轴风力发电机组的扫掠面由较有利的形状组成，因为矩形面不仅随叶片长度而变化，而且随叶片转动的直径而可以改变，这样在设计和修整风力发电机组参数时增加了策略上变更的可能性。水平轴螺旋桨式风力发电机组尽管叶片扭转，其叶片单位长度上获得的能量，从根部至叶片端部变化很大，这主要由于比转数增加从在叶片根部区域内的0增大到叶片端部的最大值)，而垂直轴风力发电机组，在叶片长度上获取的能量的数值变化不大，且其变化只取决于风气流能量的变化、是否存在阵风、沿风机高度上风速是否稳定等。但是这里还有获取能量的其他因素叶片在转动圆周中不同位置上的迎风角并非最、当叶片顺气流运动时风轮转矩的降低、经过塔架风力阴影的叶片转矩的降低等。因此，可期望两种型式风力发电机组的叶片获取的风能的效率几乎是一样的。9高速性系数(叶尖速度比)在水平轴螺旋桨式风力发电机组中，叶片数小于4枚的高速(叶尖速比达5-7)风力发电机组得到了最大的应用.这种高速风力发电机组保证有最高的风能利用系数、即效率最大。高速性系数高的风力发电机组要配有很复杂的特殊装置和系统，以便在一定严格范围内限制转速和防止风轮超速转动。稳定的很高工作转速可使风轮与发电机的传动连接简化，它可获得很高质量的电能且变电系统也不复杂。风轮稳定工作转速要受叶片惯性荷载限制，因此，工作风速一般限制在12m/s范围内.且风力发电机组只在一定风力下按最佳工况运行，这样风力发电机组的效率在其它风速下自然会有所降低.对于装有大直径水平轴螺旋桨式风力发电机组来说，则增大了上下风速非共面性和重力作用的影响，重力作用会引起叶片材料、支承传动装置和转动部件上的波动荷载。高速性系数越高则这些影响和作用越大，高速性系数的大小确定了所有转动部件的动力稳定性，由此对结构强度及其制造精度、零部件组装质量、润滑和联锁等提出了较高的要求。从这种观点来看，评价低速运行垂直轴式风力发电机组较困难.在所有的已知的实验中，垂直轴式风力发电机组的高速性系数不超过2. 5-2.8.如果垂直轴式风力发电机组的动力特性(包括风能利用系数)保持在水平轴螺旋桨风力发电机组的动力特性水平上，叶尖速比降低到1/2-1/3，就能显著改善机组的运行条件。因为降低动力值，可简化支承传动部件的要求，不需要保证稳定转速的机构和系统.降低叶尖速比就可在所有风速值时以最佳的风能系数下进行运行，即在叶片结构系统很简单时提高风力发电机组的效率.低速风力发电机组的风速工作范围可扩大到20-25m/s，但是在这种情况时，必须注意到在低转速时会提高扭矩，这就会增加风力发电机组叶片的材料用量，因为横梁长，会使轮毂外形尺寸增大和传动装置增大。还必须考虑到，由于风力机转速的可变性需在电力系统中采用变换器，其目的是提高发电量的质量并使其发电质量与电网质量相匹配。具有等厚叶片的垂直轴式风力发电机组可以高速运转，但对叶片上横向惯性荷载和振动荷载的强度应有一定的限制。目前正在研制越来越坚实的轻型和廉价的复合材料将为建造达里厄型快速等厚叶片风力机开辟了前景.10发电机和增速器的配置 发电机和增速器可配置在基座上和可取消扭矩的角传动装置是垂直轴式风力发电机组无可争辨的优点.这样就减小了对安装用设备的要求(外形尺寸和重量的限制)和对运行条件(有无振动)的要求。若设备配置在基座上时，它的安装和运行条件得到了改善，简化了电能的输送.水平轴螺旋桨式风力发电机组避免采用角传动是把发电装置放置在旋转的机舱中，此时，由于提高了对安装设备及对运行条件的要求，将不可避免出现复杂性。与机舱一起转动的发电机要输出电力将会有不少困难.为了避免动力母线扭曲，必须限制机舱的回转，采用集电输送或者能脱离和拆开的母线.在所有这些情况下，需在风力发电机组中添加使它复杂化的辅助装置.必须指出，在基座水平上传送扭矩与采用加长的传动轴有关，但是由此造成结构复杂化可用在基座上布置设备的优越性来补偿.若采用前传动轴，即传动长轴是低速转动时，长轴不会引起结构特别复杂化.11可靠性水平轴螺旋桨式风力发电机成功地利用了航空技术的成就，特别是在设计装置的叶片、控制系统和传动方面。因此这些风力发电机组经过充分修整后其可靠性的评估是不会低的.然而显而易见，垂直轴式风力发电机组在修整之后，尤其是对大型机组预料会有较高的可靠性。这种判断的根据是它的结构大大简化，降低了对制造传动装置提出的要求，简化了安装和维护条件等.这是由于垂直轴式风力发电机组下列特点所决定的;没有机舱转动的机构和系统，可在基座上设置发电机和增速器，没有必要设置叶片的变距机构.不存在从发电机输送电力的向题。必须指出，复杂结构的高度可靠性，首先要由高水平工艺发展来保证.这一因素对制造单位是由生产各种零部件的不同企业的协作网成员尤为重要。12计算的风速 正如前面所述，水平轴螺旋桨式风力发电机组的计算风速，根据叶片惯性荷载强度应限制在12-15m/s八范围内。当起动风速从4. 5m/s改变到7. 5m/s时，机组发电量将减少2%。计算风速对发电量影响很大.例如，计算风速从10. 4m/s增加到20m /s时将使发电量增加三倍。这证明了对风潜力大的地区来说，一般风力发电机组所采用的计算风速值并不能充分利用当地很大的风能资源。如前所述，低速垂直轴式风力发电机组的风速工作范围可提高到20-25m/s，因此在风潜力大的地区，垂直轴风力发电机组无疑具有较大的优越性.14生态上问题从对周围环境作用的观点来看，低速垂直轴式风力发电机组与高速水平轴螺旋桨式风力发电机组相比有多种优点;空气动力因素和次声级较低，电视和无线电于扰较少，在风力发电机损坏时叶片碎片的分散半径较小。叶片同鸟类碰撞的几率小。.应该说.达里厄具有生命力.风力发电机组要求除了有更好的使用性能(可靠性、生态上清洁度，维护和修理方使、结构简单、使用周期长等)，一还要考虑其它重要的因素如经济效益、造价、使用费用等.垂直轴式风力发电机组可在最大程度上能满足这些要求，在电力特性方面不逊于水平轴螺旋桨式风力发电机组，且其优越性在风能潜力较高地区更明显.我们研制的垂直轴活动叶片风力发电机系统的优点：与现有风力发电机相比具备如下优点：1， 采用垂直轴风叶叶片，使风力发电机占地面积大大减小，风塔架由此可以用钢索进行固定，因而制造成本大大减小；且由于风叶是活动的，它具有自己适应风力的特点，小风力时受风面自然变大，而大风力时受风面自然变小，因此，它适宜工作在四级到十级风力的地区。2， 使用稀土弹性储能永磁发电机，由于其机械惯性小，电磁感应速度快，所以其磁极数量很少，同样使制造成本大大下降。3， 电能逆变器，其体积小，转换效率高，寿命长，不要有功调节系统.他不像水平轴螺旋浆式风机那样,如果不调浆叶节距,输出功率与风速的关系是近似风速三次方的单调上升函数.达里厄风机并网系统,依靠风机与电机自身特性的配合形成一条驼峰形，具有最大值的函数曲线.前半支随风速增加而输出功率增加,到达最大值后随风速增加输出电功率减小.不必担