風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)性能評(píng)估與載荷計(jì)算的探究

李勇鋒

摘 要：20世紀(jì)70年代初期，由于“石油危機(jī)”，出現(xiàn)了能源緊張的問(wèn)題，人們認(rèn)識(shí)到常規(guī)礦物能源供應(yīng)的不穩(wěn)定性和有限性，于是尋求清潔的可再生能源成為現(xiàn)代世界的一個(gè)重要課題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能發(fā)電機(jī)；整機(jī)性能評(píng)估；載荷計(jì)算；靜態(tài)載荷

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.051

風(fēng)能作為可再生的、無(wú)污染的自然能源又重新引起了人們的重視，所以對(duì)風(fēng)能發(fā)電機(jī)的研究的重要性不言而喻。本文通過(guò)對(duì)風(fēng)能發(fā)電機(jī)整機(jī)主要結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)而分別對(duì)性能進(jìn)行評(píng)估，并展開(kāi)荷載計(jì)算方法等方面的探究。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)主要結(jié)構(gòu)

1.1 對(duì)風(fēng)裝置

對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，為了得到最高的風(fēng)能利用率，應(yīng)使風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)常對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。為此，需要用到對(duì)風(fēng)裝置。典型的對(duì)風(fēng)裝置有以下3種：①用尾舵控制對(duì)風(fēng)是最簡(jiǎn)單的方法，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)多采用這種方式；②在風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩側(cè)裝有控制方向的舵輪，多用于中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；③用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器與伺服電機(jī)相結(jié)合的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)，多用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。相對(duì)于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（horizantal axis wind turbine）需要對(duì)風(fēng)裝置，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（verical axis wind turbine）由于旋轉(zhuǎn)軸垂直于風(fēng)向，所以就不需要對(duì)風(fēng)裝置了。這是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)。

1.2 塔架和機(jī)艙

為了讓風(fēng)輪在地面上較高的風(fēng)速中運(yùn)行，需要用塔架把風(fēng)輪支撐起來(lái)。這時(shí)，塔架承受2個(gè)主要載荷：①風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重力，向下壓在塔架上；②風(fēng)力發(fā)電機(jī)和塔架產(chǎn)生的風(fēng)阻力，使塔架向風(fēng)的下方彎曲。塔架有張線支撐式和懸臂梁式2種基本形式。塔架所用的材料可以是木桿、鐵管或是其他圓柱結(jié)構(gòu)，也可以是鋼材做成的桁架結(jié)構(gòu)。不論選擇什么塔架，使用的目的是使風(fēng)輪獲得較大的風(fēng)速。在選擇塔架時(shí)，必須考慮塔架的成本，引起塔架破壞的載荷主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重力和塔架所受的阻力，特別是塔架受力的頻率與自身的振動(dòng)頻率接近時(shí)，會(huì)造成塔架共振。這是塔架遭到破壞的主要原因。因此，塔架的選擇要根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際情況來(lái)確定。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架基本上是錐形圓柱鋼塔架。

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)包括主軸、齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)。輪轂與主軸固定連接，將風(fēng)輪的扭矩傳遞給齒輪箱。有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將主軸與齒輪箱的輸入軸合為一體。大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速一般在10～30 r/min范圍內(nèi)，通過(guò)齒輪箱增速到發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min（或1 000 r/min），通過(guò)高速軸、聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

1.4 控制系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)主要分為空氣動(dòng)力制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)2部分，有的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組只有機(jī)械制動(dòng)。定槳距風(fēng)輪的葉尖擾流器旋轉(zhuǎn)約90°，或變槳距風(fēng)輪處于順槳位置均利用空氣阻力使風(fēng)輪減速或停止，屬于空氣動(dòng)力制動(dòng)；在主軸或齒輪箱的高速輸出軸上設(shè)置的盤(pán)式制動(dòng)器屬于機(jī)械制動(dòng)。通常在運(yùn)行時(shí)要讓機(jī)組停機(jī)，首先采用空氣制動(dòng)，使風(fēng)輪減速，再采用機(jī)械制動(dòng)使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功的動(dòng)力機(jī)械，又稱“風(fēng)車(chē)”。從廣義來(lái)說(shuō)，它是一種以太陽(yáng)為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用發(fā)動(dòng)機(jī)。風(fēng)力發(fā)電利用的是自然能源，相比柴油發(fā)電要好得多。但是如果當(dāng)應(yīng)急來(lái)用，還是不如柴油發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電不可視為備用電源，但是卻可以長(zhǎng)期利用。風(fēng)力發(fā)電的原理是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車(chē)葉片旋轉(zhuǎn)，再透過(guò)增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，以促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能評(píng)估

在不同來(lái)流風(fēng)速下，將風(fēng)輪功率曲線的最優(yōu)工作點(diǎn)連接起來(lái)，即可獲得風(fēng)輪的最優(yōu)輸出功率曲線。如果能通過(guò)試驗(yàn)方法獲得發(fā)電機(jī)的功率曲線，就可對(duì)風(fēng)輪和電機(jī)的匹配特性進(jìn)行分析。只要發(fā)電機(jī)的功率曲線與風(fēng)輪的最優(yōu)功率曲線重合，發(fā)電機(jī)和風(fēng)輪組成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)就可獲得最優(yōu)匹配特性。圖1為風(fēng)輪的最佳功率曲線。當(dāng)選用的永磁電機(jī)功率曲線和最佳功率曲線重合時(shí)，風(fēng)輪獲得的風(fēng)能才可能被最大限度地利用。但實(shí)際工作中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的負(fù)載通常是變化的，負(fù)載的變化會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出功率發(fā)生變化，從而使發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率曲線與最優(yōu)功率曲線發(fā)生偏移，風(fēng)能得不到有效利用。

圖2為不同來(lái)流風(fēng)速下風(fēng)輪的輸出功率與發(fā)電機(jī)的匹配曲線，其中，曲線a，b，c分別為不同負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的功率曲線。發(fā)電機(jī)功率曲線與風(fēng)輪功率曲線的交點(diǎn)即為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作點(diǎn)。從圖中可以看出，3種負(fù)載曲線與風(fēng)輪的功率曲線的交點(diǎn)不同，對(duì)應(yīng)的功率和轉(zhuǎn)速也不同，通過(guò)對(duì)負(fù)載的調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率和工作轉(zhuǎn)速。負(fù)載曲線c和負(fù)載曲線a的輸出功率基本相同，但是曲線a對(duì)應(yīng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速明顯要低于曲線c對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性會(huì)明顯降低，因此可以在保證輸出功率不變的情況下，改變發(fā)電機(jī)的負(fù)載大小，從而使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)負(fù)載功率曲線為a和c時(shí)，同樣可調(diào)節(jié)改變發(fā)電機(jī)的負(fù)載大小，使風(fēng)輪發(fā)電機(jī)工作在最佳轉(zhuǎn)速下，從而保證最大的輸出功率。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)載荷計(jì)算

4.1 風(fēng)力機(jī)主要載荷的確定

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行在復(fù)雜的外界環(huán)境下，所承受的載荷情況也非常多，根據(jù)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)間的變化，可以將載荷情況劃分為靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷和隨機(jī)載荷。動(dòng)態(tài)載荷和隨機(jī)載荷具有時(shí)間和空間上的多變性和隨機(jī)性，要想準(zhǔn)確計(jì)算比較困難。而靜態(tài)載荷基本上不考慮風(fēng)力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變，僅考慮環(huán)境條件改變的情況。本文就風(fēng)力機(jī)的這種靜態(tài)載荷計(jì)算作簡(jiǎn)要的討論。風(fēng)力機(jī)依靠葉輪將風(fēng)中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，因此葉輪是風(fēng)力機(jī)最主要的承載部件。作用在葉輪上的空氣動(dòng)力是風(fēng)力機(jī)最主要的動(dòng)力來(lái)源，也是各個(gè)零部件主要的載荷來(lái)源。要計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的載荷，就必須先計(jì)算出空氣在葉片上的作用力。目前，計(jì)算作用在葉片翼型上的空氣動(dòng)力的主要理論依據(jù)是葉素理論。

4.2 風(fēng)輪載荷計(jì)算理論依據(jù)

目前，計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)載荷有動(dòng)量—葉素理論、CFD等方法。動(dòng)量—葉素理論是將風(fēng)輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為“葉素”，在每個(gè)葉素上的流動(dòng)相互之間沒(méi)有干擾，葉素可以認(rèn)為是二元翼型，在這些微段上運(yùn)用動(dòng)量理論求出作用在每個(gè)葉素上的力和力矩，然后沿葉片展向積分，進(jìn)而求得作用在整個(gè)風(fēng)輪上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。動(dòng)量—葉素理論形式比較簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，便于工程應(yīng)用，估算機(jī)組初始設(shè)計(jì)時(shí)整機(jī)的氣動(dòng)性能，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算中，而且還用來(lái)確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)載荷，不斷地被進(jìn)一步改進(jìn)和完善。CFD數(shù)值計(jì)算不需要對(duì)數(shù)學(xué)模型作近似處理，直接對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。從物理意義上說(shuō)，數(shù)值求解N-S方程的CFD方法應(yīng)該是計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)特性最全面、準(zhǔn)確的方法。但是，由于極大的計(jì)算工作量、數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性等原因，目前CFD求解N-S方程方法還遠(yuǎn)不能作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)和研究的日常工具，作為解決工程問(wèn)題的工具還不太實(shí)際。為此，在計(jì)算中應(yīng)用動(dòng)量—葉素理論方法來(lái)計(jì)算機(jī)組的氣動(dòng)載荷。

5 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，主要由葉片、發(fā)電機(jī)、機(jī)械部件和電氣部件組成。根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸的不同，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)2類(lèi)。本文通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)的描述，分析了其主要結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)整體性能與荷載計(jì)算進(jìn)行了初步探究。

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〔編輯：劉曉芳〕