胡頡

摘 要：隨著“十三五規(guī)劃”的實(shí)施，我國(guó)加大了對(duì)清潔能源領(lǐng)域的投資力度，并已成為世界上規(guī)模最大，裝機(jī)容量增速最快的風(fēng)電的國(guó)家。雖然我國(guó)取得了舉世矚目的成就，但我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)還面臨諸多問(wèn)題，亟待解決。

目前，我國(guó)內(nèi)陸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選址、建設(shè)、制造、研發(fā)等環(huán)節(jié)已經(jīng)趨于成熟，風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但也暴露出我國(guó)風(fēng)電行業(yè)大而不強(qiáng)，優(yōu)質(zhì)風(fēng)場(chǎng)匱乏等突出矛盾。國(guó)內(nèi)風(fēng)電龍頭企業(yè)在此背景下，開始謀求向低風(fēng)速領(lǐng)域布局，并已經(jīng)將目光轉(zhuǎn)向中東部的低風(fēng)速資源區(qū)的開發(fā)。當(dāng)前，為了提高在低風(fēng)速發(fā)電效益，風(fēng)電主機(jī)廠的解決方案主要是增加塔架高度，增大葉片直徑，但此方案必然增加風(fēng)電發(fā)電機(jī)組的制造成本，因此本文討論從更改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到提高低風(fēng)速發(fā)電效益；

關(guān)鍵詞：風(fēng)能；風(fēng)力發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；同軸反轉(zhuǎn)葉片；同軸反轉(zhuǎn)齒輪箱；行星齒輪

引言

國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)已經(jīng)在大兆瓦、大直徑風(fēng)機(jī)上有了長(zhǎng)足的技術(shù)進(jìn)步，并攻克了百米以上柔性塔架技術(shù)和混泥土塔架技術(shù)，但制約中東部發(fā)達(dá)地區(qū)風(fēng)電建設(shè)的根本矛盾是當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源匱乏和高額的建造成本，低下的投資收益比澆滅了各大發(fā)電企業(yè)投資風(fēng)力發(fā)電的熱情，加之國(guó)家2020年去補(bǔ)貼的目標(biāo)，低風(fēng)速、高成本、低收益的中東部陸地風(fēng)場(chǎng)將面臨更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文將介紹同軸反轉(zhuǎn)葉片葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)，并探討同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組如何解決在“兩低一高”地區(qū)運(yùn)營(yíng)時(shí)經(jīng)濟(jì)效益低下的問(wèn)題。

一、我國(guó)中東部風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)權(quán)威部門發(fā)布的數(shù)據(jù)，中國(guó)10m高度層的風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32.26億kW，其中實(shí)際可開發(fā)利用的風(fēng)能資源儲(chǔ)量為2.53億kW。但云南、貴州、四川、甘肅、陜西南部、河南、湖南西部、福建、廣東、廣西的山區(qū)及新疆塔里木盆地和西藏的雅魯藏布江等地區(qū)，為風(fēng)能資源貧乏地區(qū)，有效風(fēng)能密度在50W/m2以下，風(fēng)能潛力低，屬于典型的低風(fēng)速區(qū)市場(chǎng)。

當(dāng)前，中國(guó)風(fēng)電發(fā)展重點(diǎn)均在“三北”地區(qū)，然三北地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展滯后，對(duì)新能源消納能力差，棄風(fēng)、棄光限電率居高不下，已經(jīng)成為制約我國(guó)可再生能源產(chǎn)業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的最大絆腳石。其中，2016年前三季度，僅全國(guó)棄風(fēng)電量就高達(dá)394.7億千瓦時(shí)，超過(guò)2015年全年的棄風(fēng)電量?！叭薄钡貐^(qū)的平均棄風(fēng)率逼近30%，其中甘肅為46%，新疆為41%，吉林為34%，發(fā)改委已于2016年出臺(tái)警戒政策，“三北”數(shù)省均已亮起紅燈。相比之下中東部各省的平均棄風(fēng)率還不足11%，建設(shè)使用還大有可為；

由此可見風(fēng)電建設(shè)“由西向東，由北向南，由陸向海”的趨勢(shì)已經(jīng)不可逆轉(zhuǎn)。

1.1同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)介紹

同軸反轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：塔架、機(jī)艙、葉片。而機(jī)艙又集成有三大系統(tǒng)：變槳系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。本文只討論結(jié)構(gòu)部分帶來(lái)的影響。

從外觀上看，同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用兩葉片輪轂，每個(gè)輪轂上安裝兩個(gè)葉片，兩輪轂同心旋轉(zhuǎn)，前后相鄰但相互獨(dú)立。同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，兩對(duì)葉片同軸對(duì)轉(zhuǎn)，即其中一對(duì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一對(duì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩組葉片角速度大小相等，方向相反。

機(jī)艙部分，同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)機(jī)采用兩套獨(dú)立變槳系統(tǒng)，每套系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一對(duì)葉片。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)機(jī)艙頂部測(cè)風(fēng)儀和其他傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合主控系統(tǒng)控制策略，調(diào)整葉片角度，使得葉片轉(zhuǎn)動(dòng)到最佳受風(fēng)面積，并提高發(fā)電效率。

傳統(tǒng)系統(tǒng)中軸承使用單軸設(shè)計(jì)，通過(guò)主軸連接法蘭與其中一個(gè)輪轂連接，另一個(gè)輪轂與行星齒輪連接，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輪轂運(yùn)動(dòng)方向相反的功能。齒輪箱與主軸另一頭連接，齒輪箱內(nèi)設(shè)計(jì)多級(jí)變速齒輪，將低速軸與高速軸連接，最后通過(guò)滑環(huán)與發(fā)電機(jī)主軸連接。

偏航系統(tǒng)與一般風(fēng)機(jī)相同，安裝與機(jī)艙與塔架之間的連接法蘭附近。

1.2同軸反轉(zhuǎn)葉片工作原理

在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片的葉尖會(huì)形成切向的空氣渦流，這種渦流會(huì)造成一定的能量損失。理論上，當(dāng)使用同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，兩組葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦流會(huì)互相抵消，將渦流造成的能量損失降到最低。

同時(shí)，同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)機(jī)兩組反向旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生的扭矩相互抵消，也大大降低了風(fēng)機(jī)的載荷，高效能由于消除了葉尖的空氣渦流，反而提高了風(fēng)機(jī)發(fā)電效能。

二、同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組優(yōu)勢(shì)

1.整體重量輕

一般風(fēng)機(jī)多采用三葉片的形式，部分風(fēng)機(jī)采用兩葉片的形式，所有葉片安裝在一個(gè)輪轂上，并通過(guò)主軸法蘭與風(fēng)機(jī)傳統(tǒng)系統(tǒng)連接，運(yùn)行時(shí)葉片朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槿~片運(yùn)行輪轂中心距離塔架圓筒中心有一定距離，因此根據(jù)受力分析，風(fēng)機(jī)塔架此時(shí)不僅僅受到機(jī)艙及葉片的重力，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的軸向偏轉(zhuǎn)力矩。

筆者有幸參與到一個(gè)項(xiàng)目，因?yàn)槿~片直徑更換，由135m更換至145m，其塔架增重13t。若采用同軸反轉(zhuǎn)形式，兩組葉片相互反向旋轉(zhuǎn)，塔架的軸向力相互抵消，可以有效降低塔架載荷，減少，如此建造成本可以得到有效控制。

2.效率高

目前國(guó)際上尚無(wú)類似風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，但可以從相關(guān)行業(yè)查到資料，如航空航天。目前航空領(lǐng)域采用同軸反轉(zhuǎn)葉片的主要是俄羅斯、美國(guó)、英國(guó)、烏克蘭等國(guó)，其中最著名的是俄羅斯Tu-95戰(zhàn)略轟炸機(jī)，Ka-52/50武裝直升機(jī)、Ka-27/28運(yùn)輸直升機(jī)等。其采用高速同軸反轉(zhuǎn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)俄羅斯公布資料，其效率比一般渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)效率高出6%-16%；

3.技術(shù)成熟

早在1947年，英國(guó)皇家海軍便設(shè)計(jì)了使用同軸反轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的海噴火47，并服役于皇家海軍航空兵部隊(duì)。從全球來(lái)看，同軸反轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)早已不是問(wèn)題，而且隨著70余年的發(fā)展成熟，同軸反轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)用于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)已不是問(wèn)題。中國(guó)海軍也與上世紀(jì)90年代引進(jìn)ka-27/28直升機(jī)，對(duì)其同軸反轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)也有充分了解，從技術(shù)角度，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、仿制低速同軸反轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)理應(yīng)是順理成章的事情。

4.抗臺(tái)風(fēng)能力強(qiáng)

眾所周知，國(guó)內(nèi)風(fēng)電發(fā)展趨勢(shì)“由陸向?！?，海上風(fēng)電是未來(lái)的國(guó)家發(fā)展的重點(diǎn)，東南沿海各省，因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，能源消耗量大，風(fēng)電等清潔能源消納能力強(qiáng)，已經(jīng)成為國(guó)家海上風(fēng)電項(xiàng)目的試驗(yàn)田。

同軸反轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在這種環(huán)境下具有先天優(yōu)勢(shì)。當(dāng)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)來(lái)襲，風(fēng)機(jī)輪轂鎖死，兩對(duì)葉片均指針在12點(diǎn)和6點(diǎn)方向，依靠塔架抵抗臺(tái)風(fēng)，因此四個(gè)葉片只有一個(gè)葉片面積受風(fēng)。與兩葉片風(fēng)機(jī)相比，受風(fēng)面積相同，但發(fā)電量卻高出后者一倍有余。與三葉片風(fēng)機(jī)相比，受風(fēng)面積卻只有其二分之一到三分之一。因此抗臺(tái)風(fēng)能力優(yōu)勢(shì)明顯。

同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在的問(wèn)題

5.傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜

雖然同軸反轉(zhuǎn)葉片傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成熟，但將其發(fā)揚(yáng)光大的只有前蘇聯(lián)及俄羅斯，而美國(guó)及英國(guó)均放棄這種設(shè)計(jì)，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是齒輪箱部分。在風(fēng)機(jī)機(jī)艙這種高集成、高密度的環(huán)境下，一旦傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則維修過(guò)程將變得異常困難，因此同軸反轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)還需優(yōu)化設(shè)計(jì)。

6.噪音大

根據(jù)國(guó)外查詢的資料，同軸反轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的噪音比一般發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪音要高出10-20分貝，而部分型號(hào)甚至要高出30分貝。曾經(jīng)有一個(gè)段子，Tu95戰(zhàn)略轟炸機(jī)飛過(guò)，潛航中的潛艇的聲吶都能監(jiān)聽到。由此可見，同軸反轉(zhuǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的需要注意噪聲和震動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)其他設(shè)備及維護(hù)人員的損害。

結(jié)語(yǔ)

本文討論了同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)及其設(shè)計(jì)上還存在的問(wèn)題，希望本文能給眾多風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)者們提供一個(gè)思考方向，使得各風(fēng)電廠商能夠設(shè)計(jì)出成本更低、性能更強(qiáng)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)品。當(dāng)然，同軸反轉(zhuǎn)葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將設(shè)計(jì)變?yōu)楫a(chǎn)品任重而道遠(yuǎn)。

（作者單位：明陽(yáng)智慧能源集團(tuán)股份公司）