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文档简介
离心变浆轮毂在小型风力发电机推广中的价值离心变浆轮毂给小风电发展带来希望章红涛长沙远广机电科技有限公司 湖南省长沙市410000 摘要:根据对我国中小型风力发电机现状的了解,由于目前已有的变浆系统复杂和价格高,定浆距型风力发电机占据绝大多数市场份额,其性能上的缺陷严重阻碍了中小型风力发电机的推广,由大型机推出变浆型机组后市场的迅速扩大,就充分说明了小型机发展道路上的障碍所在。为促进我国中小风力发电机的发展,专门开发设计了一种新型的离心变浆轮毂,是以独特的结构和离心控制方式组成,能自动依据转速变化来同步调整每个叶片的迎风角度,使得风力发电机在额定转速上稳定运行,极大减小风速和负荷变化对转速和输出电压的影响,保证输出电压能稳定在额定电压值附近,误差不超过10%。同时大幅减小了强风作用在叶片上的冲力,在强风中不需停机而能正常发电,较大幅度的提高了风能利用率,还能在设计塔架和叶片时适当减少材料消耗,降低成本和造价,给中小型风力发电机的推广和市场发展带来更好的前景。关键词:风力发电机;变浆轮毂;离心变浆中图分类号:TP文献标识码:B Centrifugal variable pitch wind turbine wheels in small in the expansion of value - Centrifugal variable pitch to small wind development hub brings hope ZHANG Hong TaoChangsha far wider mechanical and electrical technology Co., LTD Changsha in hunan 410000 Abstract: According to the present situation of Chinas small and medium-sized wind generators of understanding, because of the existing system complex variable pitch and the price is high, the wind generator set from type slurry occupy most of the market share, the performance of the flaws of the small and medium-sized seriously hindered the wind generator promotion, launched by mainframes type variable pitch after the rapid expansion of the market, is fully explain the obstacle of the development road of minicomputers lies. In order to promote the development of small and medium-sized wind generators, specially developed a novel design centrifugal variable pitch hub, is a unique structure and control of centrifugal way, it can automatic basis to adjust the speed change each blade wind of synchronous Angle, make the wind generator in the stable operation of the rated speed, greatly reduce wind speed and load change on speed and output voltage, the effects of the output voltage can guarantee stability in the rated voltage value near, error less than 10%. At the same time greatly reduced the strong breeze function on the leaf of the momentum, in a strong wind does not need to stop in to normal power generation, dramatic increase the utilization rate of wind power, still can be in design tower and blades reduced material consumption, lower the cost and cost, the wind generator to small and medium to promote and market development to bring better prospects.Key words: wind driven generator; variable pitch system; centrifugal variable pitch 引言近年来风力发电机在能源危机和环境保护力度加大后得到快速的发展,我国大型风力发电机从2000年累计装机总容量342.53MW到2005年累计装机总容量1267.01MW再到2010年累计装机总容量44722.29MW,后5年快速增长,而且几乎全是变浆风力发电机,变浆系统因其具有的优势在大型机中得到全面应用。反观中小型风力发电机,从2000年到2010年10年小风电只新增了约30万台共20万KW,这一方面是政府支持力度不足,二是小型风力发电机本身存在一些问题,这些问题长期没有解决,变浆技术是风力发电机的发展方向,目前,虽然有个别企业也开发了一些变浆技术,但还是因变浆机构复杂,成本过高在小型风力发电机上一直得不到推广。我们从07年开始围绕这专题进行论证攻关,经三年多的努力开发出结构紧凑,纯机械的自动离心变浆稳速装置,通过试验,以其结构简单,动作准确可靠,防护能力高,价格低,寿命长,安装简单,不仅能在新造小风电中获得全速推广,也能快速的给已投入运行的小风力发电机更新改造,并且有望成为中小型风力发电机的标准配置,给缺电和落后困难又有一定风能利用价值的地区推广小型风力发电机带来希望。1普通小风电的缺陷1.1 我国小风电的应用现状目前我国小风电的应用上为什么进展缓慢,1是限速功能差,2是缺少刹车停车手段,3是控制系统配置容量偏大。总的说技术上的限制造成小风电输出电压极不稳定,这就产生两个问题,一是要求整流充电系统有很好的电压适应能力,二是控制系统就必须应用单片机全面控制及时制动或是风叶尖扰流制动设计的准确度,在大风中进行适当的电磁制动,会消耗大量电磁能,使发电机输出功率减少,也使得电机因过载而急剧发热造成损毁。后者使转速不能可靠稳定,风叶振动加剧,风阻加大,输出电压波动很大。因此,为防止高压事故发生,在风速过大时只得机械刹车停机。为了解决这些问题,有些厂家也推出了一些带变浆系统的风力发电机,但量这些变浆系统存在几个问题:1、结构复杂,制造成本高,有变浆的比定浆距的价格高出一倍以上。2、现有变浆系统因采用负变浆,没有解决强风中继续发电的问题,10级风以上还是必须停车保护,停车后实际承受的风压不降反升了。1.2 小风电另一困境小风电另一困境就是投资回报的问题,主要是因蓄电的问题,这是小风力发电机厂家有意回避的关键问题,比如一套5KW的定浆距风力发电机,价格在2万左右,使用20年,配300AH铅蓄电池20个需2.8万元,3年一换更换7次的费用就达19万多,其它安装和全部维护费用2万,20年总投入大于23万,若用在风能较丰富区,按全年10%的时间能额定发电,发电价格每度电达2.7元。发电成本远高于国家供电价格,这就说明为什么小风电一直只能在特殊地方推广,一般用户安装小风电的热情下降了。这不是该论文要讨论的问题,我把这问题放到下编论文中解决。1.3 定浆距风力发电机成本由于定浆距风力发电机风叶的迎风面积基本不变,故在强风(如12级台风)时,风压可达额定风速时的10倍以上,尤其是强制停车后,这就严重考验风力发电机的结构强度,使设计制造叶片的强度要高出实际发电时需要强度的15倍以上,同样塔架的强度也要提高15倍以上。因此在风叶和塔架设计时就依据最大风速时的压力设计,必须增加材料的使用,材料的成本就增加了至少5倍,这实际上就增加了销售价格,更加增大了推广中小型风力发电机应用的难度,而为了压低销价就在产品材料和性能上打折扣,降低了用户的投资回报率,使得大量潜在的客户保持了观望的态度。2目前已有小风电的稳速方案目前小风力发电机稳速方案有几种:1、摆头,2、电动,3、风压直推变浆(实为电控)。4、离心逆变浆。许多厂家在降低成本方面想办法,效果都不理想,只好寄希望于国家政策资助。下面介绍一下这些系统。2.1风电机摆头方案为了使自己产品有较强竞争力,有厂家在试机头侧偏式,就是当风速超过一定限度时机头发生偏移,使风轮平面与风向形成一定角度,通过降低效率来达到减速的目的,但是机头侧偏式有转速不稳的毛病,在风速常变时,发电机随着摇摆,由于风浆旋转时的陀螺效应,风力发电机摆动生硬,效果不佳,如图1图1 Fig .12. 2电动式变浆方案电动式变浆因机构复杂成本太高,在中型机上偶有应用,基本没有在小型机上应用。2. 3风压直推变浆方案另一些厂家在用直推变浆技术,并向市场推出了部分产品,根据市场调查了解, 直推变浆技术“是一种通过风压对风轮的推动位移从而改变叶片桨距角,无转速要求”,最大发电风速限定低于25米/秒,实际还应该是电控变浆,否则,只靠风压变浆对转速不敏感将不能可靠的稳定转速。该产品为特殊结构与普通风力发电机不兼容,不利于标准化,价格比定浆式高出一倍以上。风压直推变浆,如图2图 2 Fig .22. 4 离心逆变浆系统这类变浆的原理是转速过高时,在离心力的作用下叶片的迎角变大,降低效率,使得转速下降,停机时变负。这类结构有专利 200820170480.6 介绍,剖面图见图3、外观见图4: 图 3 Fig .3 图 4 Fig .4叶片迎风角的变化见图5图 5 Fig .2这种方案的缺点是:转速稳定精度不高,风速越高受到的风压越大,要求叶片和塔架的强度更大,另外,该结构比较复杂,防锈问题没处理好,曾经发生锈蚀影响运行,机件掉落的事故。整机价格同样因结构复杂成本增加而大幅上升。3 新的变浆方案 3.1第一方案我们观察了以往的离心变浆系统,设计了第一个变浆轮毂方案,同时申请了专利(专利号: 200920151005.9),但是,我们着手投产时,发现价格上还是不能令人满意,其中还有一个重要问题,就是结构还是复杂了,成本偏高,尽管我在这个专利技术中尽力简化结构,设计成一体化的全密封离心变浆轮毂,但在制造时还是发现因结构复杂,加工费用偏高,同时因使用齿轮使用偏多,担心可靠性不高。于是暂停投产,大批量生产成本可大幅下降。见下图6图 6 Fig .6 虽然我们这个变浆系统目前没有投放市场,但比起前面几类变浆系统,价格已有大幅下降。3.2 新设计的变浆轮毂为了全面解决这难题,我们用模型做了大量的试验,通过构件位置的比较和认真的计算我们得到了一个全新的结构,这个变浆技术的实现,达到了我们的简化结构降低成本的目标。下面我们看看新开发并且投入生产的发明专利(申请号201210029960.1)和实用新型专利(申请号201120350092.8)的构成和原理。实物见下图7图 7 Fig .7内部结构见下图8图 8 Fig .2在这个设计中,变浆轮毂的直径与风力发电机直径相当,就像平常风力发电机上的风帽,体积很小,在变浆轮毂内部,见图9和图10: 图9 Fig .9 图10 Fig .10叶片轴4的轴线不与主轴轴线相交,面是偏置一定距离。我们将离心重锤7直接固定在叶片轴4上,由扭弹簧14将叶片轴复位,施加一定的预压力。该变浆轮毂采用全密封的方式,内部加注适当滑油,保证润滑和防锈。3.3 工作原理在这个设计中,扭弹簧14将风叶轴4以一定的扭力回到预定初始位置,在额定转速以下风叶都被扭簧压在初始角不变,当转速达到额定转速时,重锤7的离心力正好与扭弹簧14的预扭力平衡,当轮毂转速偏高时,重锤7给叶片轴4的转矩大于扭弹簧14给叶片轴4的转矩,叶片轴向外发生转动,固定在上的叶片2跟着转动,迎角变小,迎风面减小,浆角增加,风的作用效果降低,变浆轮毂转速下降。当风速减小或负载增大致轮毂转速下降时,重锤7离心力减小,扭弹簧14施加给风叶轴4的转矩大于重锤7给的转矩,使得叶片轴4往初始位回转,迎角变大,叶片2迎风面增加,风阻和升力增加,使得变浆轮毂转速在额定转速与不大于额定转速10%的范围内动态平衡。叶片迎风角的变化见图11:图 11 Fig .11为了保证各叶片2动作同步,我们设计了小齿轮10固定在轴4上,在主轴套上设计了一个同步滑动齿圈17,工作时,三个轴上的齿轮10同时与主轴上的齿圈17啮合,齿圈17在主轴套上滑动,保证各叶片轴4同步转动。调整重锤7与叶片轴4的距离,可在一定范围内改变额定转速。若将电机主轴制成中空,加入一根推杆,通过联接配件与同步滑动齿圈17相联,必要时主动变浆,使迎角为0度左右,能停止风力发电机运行,当然,这会使得成本有所提高。生产厂家可根据用户要求决定是否配置(在设计时已留有位置)。4 各参数的计算符号和单位:V通过风轮时的实际风速;Vl距离风力机一定距离的上游风速; V2离风轮远处的下游风速。Ur风轮在半径r处的线速度。 4. 1 风叶动作受力分析叶片受力情况见图12:图 12 Fig .12以风轮直径2/3处的情况作分析,一般这里的作用具有代表性,在负荷为零的情况下,攻角也为零,叶片在这直径的线速度Ur=V/tan= V/tan(+)= V/tan。有负荷时,叶片将消耗一些线速度,这时攻角增大Ur=V/tan= V/tan(+)。当变浆风轮设定了额定转速后,只要实际转速大于额定转速,安装角会随转速成正比快速增大,使得线速度Ur=V/tan= V/tan(+)下降(转速下降)。负荷变化使得攻角变化,风速V和攻角共同影响线速度(转速),变浆轮毂根据转速的变化调整安装角来消除风速和负荷变化对转速的影响。安装了变浆轮毂的风力发电机在负荷不变时,风速越大,安装角就越大,攻角就变小,叶片实际迎风面积越小,整机承受的风压增加很少。定浆距风力发电机安装角是固定不变的,在额定风速之上通过叶尖扰流和电磁刹车的限速作用,转速增加也受一定的限制,这时叶尖扰流会产生振动和噪音,电磁刹车会减少负荷能力增加发电机发热。同时由于安装角是固定不变,攻角就会变大,实际迎风面积将增大,所受风压迅速增大。F=0.5S(V12-V22)假设 额定风速是10米/秒,当风速增到30米/秒时,风压增大到8倍以上,在12级风时,风压增大到10倍以上,实际作用在叶片上的风力将增加20倍以上,这对风力发电机是一巨大的考验,为了安全设计上必须大幅提高其抗风能力,这就大大增加了材料消耗,增大了产品的制造成本。4. 2 风轮在设定的最大风速中承受的压力按目前各生产厂家报的风力发电机可承受的最大风力是:50米/秒,那么,风压就是:190公斤/平方米。额定风速10米/秒时,若平均迎角定为7度,叶片平均线速度为81米/秒,一般每千瓦需要5平方米的风轮面积。叶片面积约1.4平方米,当风速为50米/秒时:a. 先看定浆距风力发电机,这时风力发电机已强制停机,整个发电机可能承受的推力不小于250公斤/千瓦。b. 逆变浆风力发电机,由于最大风力时也已停机,叶片的迎角已调整为90度,迎风面积达到最大值,整个发电机可能承受的推力不小于260公斤/千瓦。c. 顺变浆风力发电机,转速基本不变,叶片平均线速度还是为81米/秒,这时风速与叶片平均线速度合成的来流角变为32度,迎角接近=32度-初始角7度-变角0。就是说变角趋于25度就能保持转速稳定了。根据设计这时转速增加0.6。承受的风压略高于额定风速时的风压,整个发电机(包括电机等其它迎风面)可能承受的推力不大于12公斤/千瓦。 所以顺变浆风力发电机在50米/秒的强风中承受的风压不到定浆距风力发电机的十分之一。这就为在设计叶片和塔架时适当减少材料降低成本提供了保证。4. 3变浆轮毂的直径确定变浆轮毂的直径,在设计时参考了所配电机的直径,略小于电机的直径,以减小风压。这就形成了一个基本的直径和功率系列,有利于与各厂的风力发电机配合。当然,如果风力发电机的叶片和塔架进行重新设计,则整机成本还可下降百分之十左右。5 变浆轮毂的实验数据2千瓦样品出来后我们进行了基本测试,验证其变浆的可靠性,是在一台调速车床上进行的。检测结果如表1所示:表1 转速与变角Tab .1 Speed and Angle changedn(rpm)n(rpm)4000430304202044040设定的转速为400 rpm,实测 400 rpm没变浆,继续加速重锤带动叶片轴开始偏转,随着速度增加偏转角度加大。偏转20度时的转速 420 rpm时重锤带动叶片轴偏转20度左右。偏转40度时的转速440 rpm时重锤带动叶片轴偏转40度左右,在实际运行时偏转角度不需要达到40度。分析:按55米/秒风速计算,风力发电机2000W,400rpm,r=1.4M线速度U1.4=2*3.14*1.4*400/60=29米/秒;tan=V/ U1.4 = 29/55,= 27.8度,就是说风的来流角为27.8度,这样在55米/秒风速时,零负载时,变动后的风叶安装角也不会大于27.8度,最大变角不必超过20度,说明该变浆轮毂的稳速精度在5%之内。我们生产了一批小试成品提供给部分风力发电机厂进行成品测试,除自己测试外,已经通过测试的厂家有:青岛德风风力发电机厂,淮安绿源风力发电机厂,测试结果正在整理中。6利用风速能量范围分析 当我们采用变浆轮毂后,就可分析风力发电机的额定风速定在多大效益最好,受影响的主要是叶片设计,加大叶片面积可降低额定风速,对定浆距来说风险较大,因为必须提高强度才不会在强风中损坏,对于应用了这种变浆轮毂的风力发电机,这没什么问题。6.1 低风速区的可利用风能很多文章强调低风速的利用,我们通过计算各风速中可提取的最大能量,得出每平方米风轮面积可提取的最大能量见下表2 表2每平方米可提取最大风能Tab .2 Every square metre can be used to extract the maximum wind powerU(m/s)N(W)U(m/s)N(W)U(m/s)N(W)21.639644.2410204.413.118104.912353.9从上表可看出如果额定风速从10米/秒降为8米/秒风轮面积必须增大1倍,就是说直径增大为1.416倍,但如果额定风速从10米/秒降为6米/秒风轮面积必须增大4.6倍,就是说直径增大为2倍以上,从风轮尺寸来看,额定风速不应低于8米/秒。4米/秒以下的风能利用价值小于投入的成本,实际意义不是很大,不应因此降低额定风速,尤其是定浆距小型风力发电机,遇强风时将严重考验叶片的强度。 如果采用变浆轮毂,就能很好的实现低风速的利用,可将风叶面积加大,额定风速定到8米/秒,在4米/秒的风速下还能得到额定电压,和额定值12.5%的功率。6.2 高风速区的可利用风能在风能较丰富区,额定风速定在10米/秒,按每平方米计算:定浆距风力发电机的发电范围从10米/秒到25米/秒(25米/秒以上停机),从年风速分布可知,可年发电约414660度,从4米/秒到10米/秒可发不稳定电压的电量220度。而变浆风力发电机从10米/秒到36米/秒可多发10%的电量,约455726度,冬天还可增加50%的负荷,多发约150度电,从4米/秒到10米/秒可发额定电压的电量220度。6.3
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