寧德正 朱向東

(云南省電力設計院,云南昆明 650051)

并網垂直軸風力發(fā)電機組的大型化技術研究

寧德正 朱向東

(云南省電力設計院,云南昆明 650051)

本文分析了垂直軸風力發(fā)電機組發(fā)展緩慢的原因,介紹了垂直軸風電機組的優(yōu)勢,給出了垂直軸風力發(fā)電機組的分析與建議,伴隨著現(xiàn)代計算流體力學的發(fā)展和3d打印技術的突破,并網型垂直軸風力發(fā)電機組大型化指日可待。

垂直軸風電機組 水平軸風電機組 大型化 H型風機

根據風力發(fā)電機傳動軸的方向,風力發(fā)電機分為水平軸和垂直軸兩類,特別自1980年起,水平軸風力發(fā)電機組的葉輪直徑、額定功率以及塔筒高度隨著對其氣動性能理論和實驗的研究以及結構材料的發(fā)展而快速增加,1．5MW～3MW水平軸風力發(fā)電機組已成為陸上風電場主流機型,2013年,維斯塔斯正在丹麥測試V164-8MW的風機。水平軸風力發(fā)電機組占到整個風力發(fā)電機組市場的98%以上。很長一段時間,由于對垂直軸風力發(fā)電機組的認識不夠,認為垂直軸風能利用率低、葉尖速比小等特點,重視程度和發(fā)展速度較慢。隨著計算流體力學的發(fā)展,垂直軸風電機組在三維空間的葉尖速比得到提高,伴隨著3d打印技術的進步,垂直軸風能利用效率和成本造價上將越來越有優(yōu)勢。

1 垂直軸風力發(fā)電機組發(fā)展緩慢原因

早期對垂直軸風力發(fā)電機組研究理論,主要基于水平軸風力發(fā)電機組的葉素理論,參照該理論設計的垂直軸風力發(fā)電機組Cp值、葉尖速比均較小,無法準確計算出垂直軸風力發(fā)電機組的氣動特性,不能滿足風電機組大型化的需要。

垂直軸風力發(fā)電機組將風能轉化為機械能的主要裝置,由葉片、葉片連接件、風輪主軸三大部分組成,再通過電氣系統(tǒng)轉化為電能的發(fā)電裝置,根據其葉片形態(tài),主要分為S型,Darrieus型、H直翼、H旋翼型,見圖1。

2 垂直軸風力發(fā)電機組發(fā)展優(yōu)勢

水平軸風力發(fā)電機組由于技術理論發(fā)展成熟,在市場上占有主要份額,然而,伴隨著垂直軸風力發(fā)電機組研究理論的完善,垂直軸風力發(fā)電機組也具有很大的發(fā)展?jié)摿?主要基于以下優(yōu)勢。

第一:垂直軸風力發(fā)電機組可以吸收任意風向上的來流,不需要像水平軸風機一樣對風和偏航,省去了偏航傳動裝置,大大降低了風電機組制造成本,且不會因為無偏航而降低功率輸出,可應用在風向變化較頻繁,甚至在在湍流強度較大的地方也影響較小。

第二:垂直軸風電機組發(fā)電、控制系統(tǒng)均安裝在地面或者塔架底部,而水平軸發(fā)電機組其發(fā)電設備需安裝在高空,和主軸位于同一水平面上,為捕捉更高的能量,塔架高度都在70m以上,雖然塔筒在安裝階段可以通過多段組合的方式解決,但為后期的機艙內設備維護、檢修帶來較大困難。另外機艙位于塔筒頂端,靜、動荷載較大,傾覆力矩較小,為安全需要,需要較高的塔筒結構強度,風機基礎也要比垂直軸機組大得多。

第三:垂直軸風機運行時,其葉片與塔架較遠,氣流能夠通暢的通過轉子,不會因塔影效應影響風電機組,發(fā)電機組底部的安裝也使得安裝更方便,大幅降低安裝費用。

圖1 垂直軸風力發(fā)電機組主要葉片形態(tài)

第四,垂直軸風電機組運行時其各個方向的慣性力和重力基本保持不變,所受荷載相對恒定,不會像水平軸風電機組受湍流強度影響而受力發(fā)生周期性變化,延長使用壽命。

第五,在大型并網風電場中,水平軸風電場機組一般按垂直于主導風向上的行距6～10d,列距3～5d(d為葉輪直徑)原則進行布置,單位場地可利用率較低,而垂直軸風機直徑相對小的多,單位面積上能量密度可以提高3倍以上。

此外,垂直軸風電機組通常采用等截面葉片,而水平軸風機葉片采用立體扭曲變截面螺旋形結構,設計、加工制造均比垂直軸葉片復雜。隨著3d打印技術的發(fā)展,垂直軸各種形式的將會出現(xiàn)更多的氣動效率高的葉片翼型。

3 垂直軸風力發(fā)電機組的分析與建議

垂直軸風力發(fā)電機具有無需偏航、變槳簡單、噪音低、塔架相對較低、適應極限風速的優(yōu)點,但多年來仍沒有生產出可并網、應用的大型垂直軸風力發(fā)電機,但存在氣動效率、自啟動、超速控制、結構穩(wěn)定性、安全制動等一系列問題,而這些問題在水平軸風力發(fā)電機上都已經解決。

以H型垂直機分析為例,H型風機各級風輪都是圍繞垂直軸傳動,各層葉輪所受風速不同,對軸的作用力和扭矩也不同,同一根軸上、下受力差距較大,旋轉受力不平衡,導致效率下降。建議采用多軸傳動,可解決各層之間受力不均的問題,但增加相應的控制系統(tǒng)內。

對于多級H型垂直軸風力發(fā)電機組,當風速較低時,最低一級的風輪無法帶動發(fā)電機組工作,即無法切入運行,當風速較大時,高一級的風速較大,會導致切出運行,造成風能資源的浪費。

此外,垂直軸風力發(fā)電機由于氣動特性和主軸結構的不同于水平軸風機,不能將小型水平風力機按比例放大后成為大型風力機,需要采用實時可變攻角技術,捕捉有效的能量,設計出適合垂直軸風機的葉片翼型,并消化、吸收水平軸風電機組成熟的技術,如在線監(jiān)控、振動監(jiān)測、低電壓穿越等成熟的技術,才能真真意義上實現(xiàn)并網垂直軸風力發(fā)電機的大型化。

4 結語

垂直軸風力發(fā)電機組大型化需要更多的理論基礎和實踐經驗指導,伴隨著現(xiàn)代計算流體力學的發(fā)展和3d打印技術的突破,并網型垂直軸風力發(fā)電機組大型化指日可待。

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