高效垂直轴风力发电与风光互补能源技术发展

1、1、高效垂直轴风力发电及风光互补能源技术发展产学研合作计划简介国立中央大学电气工程系林教授、国立台湾科技大学电气工程系黄副教授、国立中央大学机械工程系黄教授、国立联合大学电气工程系勇副教授、电子有限公司蒋教授、 项目背景和目标：项目组织和分工技术关联图；项目内容描述；时间进度计划和预期结果；资金使用计划；资金分配计划主持人和协办人；个人数据计划主持人和协办人；近三年实施或申请的能源相关研究项目； 3.项目背景和目的：项目背景下的风力发电是一种几乎取之不尽、用之不竭、无污染的能源。台湾地处冬季东季风强、夏季西南风丰富的地区，风向稳定，风速低，风能开发潜力巨大。由于台湾地域狭小，人口密集，有必要为

2、城市和郊区或不太适合安装大型风力发电机或中小型水平轴风力发电机的地方开发中小型垂直轴风力发电系统。为了确保安装现场的电力供应不会因天气条件而不足，有必要开发一种具有互补风能和太阳能光伏能量以及能量存储功能的发电系统，该发电系统可以与商用电源并联或独立供电。目前，台湾制造商主要开发10kW以下的小型垂直轴风力涡轮机。由于产能小，国内市场发展困难，缺乏国际竞争力。项目目标本项目主要与红瑞电子有限公司合作开发中小型垂直轴风力发电机组的整机设计和系统集成，能够接受各种风向，效率高、噪音低、部件少、易于维护，从而实现风力发电系统技术国产化的目标。在第一年和第二年，将开发一套50kW垂直轴风力涡轮机，其将

3、补充20kW太阳能模块，形成具有微电网并联功能的风光发电系统。第三年，垂直轴风力涡轮机和发电机的容量将扩大到150千瓦。4、计划组织和分工、5、技术关联图、50kW和150kW风光互补系统的功率转换结合了不间断电源、电源、商用电源并联技术、风力发电控制技术、大功率转换技术、风力发电机塔架和叶片的设计和制造。中国缺少的是大功率变流器、风力涡轮机塔架和叶片的设计和制造。此外，风光互补系统需要整合所列技术，门槛相当高。目前，世界上没有类似的产品。图1，技术关联图，6，本方案的工作重点：1。电源控制系统：700伏DC总线是架构的主干，可提供独立的三相交流电源输出和市电并联输出。交流到DC和DC到DC转

4、换器和DC到交流逆变器都是模块化设计。2.市电并联输出：具有孤岛检测和微网并联功能。3.风光互补：将风力发电和太阳能发电与MPPT相结合，提高发电效率和稳定性。4.低噪音：选择低噪音静音风扇叶片和风力涡轮机。5.优化效率：根据各个地方的风场和日照特点，选择和调整组件的优化效率，使效率最大化。6.风能转换效率高：当风速为12米/秒时，风力发电机的功率系数可达到0.35，在固定功率区运行，当风速达到每20米/秒时，风力发电机自动停止运行。7.全自动制动系统：考虑到发电性能保证和安全要求，有必要在中等风速范围内自动防止过度旋转，并启动提升辅助叶片以抑制叶片转数。10.塔架设计：考虑强风或强地震下塔架

5、结构的振动和安全性，加强抗风和抗腐蚀分析，研究材料加工和处理方法，防止空气中的盐害和化学粉尘侵蚀。11.太阳能光伏组件：采用光电转换效率高的硅太阳能光伏组件。12.电池储能：在独立系统中工作时，当太阳能和风力发电的输出功率大于负载所能吸收的功率时，为了保持DC电压的稳定，电池将执行充电控制模式，并将多余的可再生能源储存在电池中；当负载需要时，执行排放控制模式。计划内容说明，7，计划内容说明，图2，垂直轴风力发电机输出功率对发电机转速的特性曲线，图4，50kw/150kw垂直轴发电机及风光互补发电系统框图，图3，电子公司4 kW风机叶片，图1，提升辅助叶片，图2，扭转主叶片，8，计划内容说明，子

6、项目1:风力发电用高效发电机的分析与设计(黄副教授)。多极永磁发电机与风车直接耦合，无需额外的齿轮机构，从而达到低噪音、低扭矩、低惯性、高效率的特点。在新发电机结构的设计中，采用了轴向磁场的无铁芯绕组结构和径向磁场的永磁发电机相结合的方式，同一机构有两台发电机，如图6所示，可以提高功率密度，减少惯性。在第一年，一个10kW的模块化混合发电机将建成，五个10kW的模块化机构将串联起来，形成一个50kW的容量。绕组可分为两组三相连接，即轴向发电机和径向发电机。第二年，模块使用25kW，50kW的容量也由两个模块串联而成。在第三年，将使用50kW模块，并将串联三个模块，以实现150kW的容量。图5

7、(a)径向永磁电机示意图；轴向永磁电机示意图；(c)结合径向和轴向的永磁发电机示意图，9。项目内容简述，子项目2:垂直轴风力发电机组塔架的动力分析与设计(黄教授)第一部分重点介绍风力发电机组塔架和叶片的结构强度和振动分析；第二部分将讨论风振引起的叶片(包括辅助叶片)噪声。目的是寻求一种更好的塔架设计，使塔架的位移更小，设计更简单，安全性更高，达到系统运行更安静的目的。在本方案中，风机叶片长度大于10m，塔架高度至少为15m。因此，在塔架设计之初，需要进行动态力学分析，以实现安全性、稳定性和耐久性。垂直轴风力发电机组50kW塔架的设计实例如图7所示。在方案实施的第一年，采用有限元方法对原设计塔架

8、的固有频率进行了分析，从而确定了可以避免风机叶片旋转的频带，并引入子项目3中得到的风机叶片的受力分布来分析塔架的动力力学，从而预测风机运行情况下塔架的位移。第二年，判断塔架的薄弱强度，加固修改设计，设计塔架固定座。第三年，进行了叶片结构、噪声分析和形状修正，进行了系统集成试验和技术转让。图6垂直轴风力发电机组50kW塔架设计，10。计划内容说明，子项目3:垂直轴风力机叶片的气动分析与设计(吴军副教授)第一年，我们对红瑞电子有限公司现有的4kW小型垂直轴风力机叶片进行了分析，如图4所示，构建了一套气动和风力机扭矩/功率设计方法，为红瑞公司提供工程设计。第二年和第三年将开展先进的叶片气动分析，并将

9、利用计算流体力学对中小型垂直轴风力发电机(50kW和150kW)的叶片进行气动分析和设计，包括：(1)叶片气动特性如图8(a)和图8(b)所示，红瑞公司为新开发的50kW风力涡轮机叶片形状设计了两个原型。通过计算流动力，分析了这两种叶片的气动特性，为修改叶片原型设计提供参考。叶片设计完成后，下一步工作是叶片制造，程序分为两个步骤：(1)数控加工制作模具，(2)叶片制造。11，项目内容说明，子项目4:风光互补交流/DC和DC/DC变换器及储能系统的设计(蒋教授)光伏组件必须随阳光改变其工作电压，使其在最大工作点持续工作，以发挥其最大效果。风力发电机组的功率-速度-特性曲线受风速的影响。对于中小型

10、风力涡轮机而言，风速的变化比光伏电池更快、更频繁。因此，输出功率将通过感测直流侧电压和电来计算，并且WTG速度将通过改变直流电压来间接调节以实现MPPT。再生制动期间，能量储存在蓄电池中。在独立系统中工作时，当太阳能和风力发电的输出功率大于负载所能吸收的功率时，为了保持DC电压的稳定，蓄电池将执行充电控制模式，并将多余的可再生能源储存在蓄电池中。当太阳能和风力发电的输出功率小于负载需求时，将再次执行放电控制模式。图10示出了由子项目4开发的三相多功能混合发电系统。图8三相多功能风光互补混合发电系统架构，12。子项目5:风光互补DC/交流变换器与微电网并联功能的设计(林教授)项目内容描述该系统与

11、微电网并联时，具有良好的穿越能力。当微电网发生短期故障且电压下降时，该系统可以承受一段时间的低电压。设计了主动孤岛检测功能，在提供本地负载时，可以在孤岛运行和并联运行之间平滑切换。用于电压骤降、故障、电源故障等。风光互补发电系统可以利用本地信息自动切换到独立运行模式，根据负荷需求快速控制发电系统的输出，并在孤岛运行模式和并联运行模式之间平滑切换。图9子项目5的系统架构图。13.项目主持人的个人资料。林，项目主持人：现任中央大学电机工程系教授。近期的研究成果主要集中在先进电机驱动与控制、非线性与智能控制理论的发展与应用、电力电子与机电一体化等方面，并取得了许多研究成果。多年来，研究成果已在SCI

12、国际期刊上发表近150篇论文，其中包括IEEE和IEEE(现更名为IET)期刊上发表的120篇论文，并获得多项专利。林教授实施了为期三年的“智能控制风力感应发电系统研发”综合研究计划和电气工程研发计划。黄副教授，现任教于台湾科技大学电机工程系。近年来，研究成果主要集中在可再生能源发电系统、永磁同步电机和发电机设计、驱动系统和开关电源等电力电子相关研究上。黄教授：他目前在中央大学机械工程系工作。他近年来的研究成果主要是将主动压电吸振器应用于结构减振降噪、受移动声源影响的穿孔板的振动和声场分析、旋转梁的动态响应和换热器列管的流动冲击振动。副教授吴军：他目前在中央大学机械工程系工作。近年来，他的研究

13、成果主要集中在开发太阳能跟踪器和太阳能跟踪技术以集成高浓度太阳能发电(HCPV)系统，以及将计算流体动力学应用于单相14、近三年由项目主持人执行或应用的能源相关研究项目，15、项目关键技术、新型发电机结构设计、带轴向磁场的无铁芯绕组结构与带径向磁场的永磁发电机相结合，同一个机构有类似的两台发电机，如图6所示，可提高功率密度，减少惯性。径向永磁电机示意图；轴向永磁电机示意图；(3)结合径向和轴向永磁发电机的原理图，新开发的50kW风力发电机的叶片型线设计采用玻璃纤维，叶片表面粗糙度低于普通铝叶片，叶片型线设计为混合双翼，因此风力发电机的效率可达到0.35以上。16、本方案的关键技术，具有微电网并联功能的风光互补DC/交流变流器的设计该系统与微电网电路并联时，具有UL1741标准的优良穿越能力。当微电网电路发生短路故障并导致电压下降时，该系统可以承受一段时间的低电压同步跳闸，从而避免了由于发电与用电之间的严重平衡而导致整个微电网系统崩溃。设计了主动孤岛检测功能，当提供本地负载时，可以在孤岛运行和并联运行之间平滑切换。用于电压骤降、故障、电源故障等。风光互补发电系统可以利用本地信息自动切换到独立运行模式，根据负荷需求快速控制发电系统的输出，在孤岛运行模式和并联运行模式之间平滑切换，具有微网点对点和即插即用的特点