并網(wǎng)垂直軸風力發(fā)電機組的大型化技術(shù)研究

寧德正 朱向東

(云南省電力設(shè)計院,云南昆明 650051)

并網(wǎng)垂直軸風力發(fā)電機組的大型化技術(shù)研究

寧德正 朱向東

(云南省電力設(shè)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(shù)的突破,并網(wǎng)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(jù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置,根據(jù)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(shù)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(shè)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(nèi)設(shè)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(jié)構(gòu)強度,風機基礎(chǔ)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(zhuǎn)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(wǎng)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(jié)構(gòu),設(shè)計、加工制造均比垂直軸葉片復雜。隨著3d打印技術(shù)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(chǎn)出可并網(wǎng)、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(jié)構(gòu)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(jīng)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(zhuǎn)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(nèi)。

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(jié)構(gòu)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(shù),捕捉有效的能量,設(shè)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(shù),如在線監(jiān)控、振動監(jiān)測、低電壓穿越等成熟的技術(shù),才能真真意義上實現(xiàn)并網(wǎng)垂直軸風力發(fā)電機的大型化。

4 結(jié)語

垂直軸風力發(fā)電機組大型化需要更多的理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)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(shù)的突破,并網(wǎng)型垂直軸風力發(fā)電機組大型化指日可待。

[1]TEMPLIN R J.Aerodynamic Performance Theory for the NRC Vertieal-Axis Wind Turbine [R]//N.A.E.Report LTRLA-160,1974:1-13.

[2]MULLER G,JENTSCH M F,STODDART E.Vertical axis resistance type wind turbines for use in buildings[J].Renewable Energy,2009,34:1407-1412.