“風(fēng)光秀”電池船風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

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(武漢理工大學(xué) a.高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室；b.能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

為緩解能源問題及滿足越來越嚴(yán)格的排放規(guī)范要求，國內(nèi)外越來越多的研究機(jī)構(gòu)開始著力于新能源的開發(fā)利用，不論是在汽車領(lǐng)域還是船舶領(lǐng)域，能源與動力形式都從最開始的柴油機(jī)、汽油機(jī)、機(jī)械傳動逐漸過渡為混合動力，直至純電動[1]。電池船由于應(yīng)用的特殊性，目前還沒有定型的型號出現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，鋰電池、超級電容等高能量密度、高功率密度儲能單元的問世，電池船具備條件。本文在以鋰電池、超級電容為動力的電池船上設(shè)計一套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，考慮采用垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能給輔助設(shè)備供電或儲存于儲能單元中備用。武漢理工大學(xué)自主研發(fā)的電池船“風(fēng)光秀”號見圖1。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)選型及安裝

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪捕獲到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再經(jīng)過傳動裝置將機(jī)械能傳遞給永磁無刷三相同步發(fā)電機(jī)(permanent magnet synchronous generator, PMSG)，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[2]。輸出的三相交流電通過控制器轉(zhuǎn)化為直流電，既可以給儲能單元充電也可以直接向負(fù)載供電。其能量傳遞原理見圖2。

安裝在實驗艇上用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)在選型時需要考慮：風(fēng)力機(jī)的類型、體積、重量、額定功率、額定風(fēng)速、啟動風(fēng)速等[3-5]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)有水平軸(葉片圍繞水平軸選擇)與垂直軸(風(fēng)輪圍繞鉛垂線旋轉(zhuǎn))，見圖3。主要區(qū)別如下。

1)設(shè)計方法。水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用動量—葉素理論，垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般運(yùn)用CFD(computational fluid dynamics，計算流體動力學(xué))技術(shù)。動量-葉素理論會忽略葉素之間的流動干擾和葉片翼型的阻力，這種簡化直接導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確性，對風(fēng)輪的風(fēng)能利用率影響較大；而CFD技術(shù)可以計算復(fù)雜的流動方程。從設(shè)計方法上來說，垂直軸優(yōu)于水平軸。

2)風(fēng)能利用率。水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對垂直軸有“對風(fēng)損失”會影響風(fēng)能利用率。在實際環(huán)境中風(fēng)向是經(jīng)常變化的，水平軸風(fēng)輪的迎風(fēng)面不會始終對著風(fēng)，只有與迎風(fēng)面垂直角度的風(fēng)能才會被有效利用，這就引起了“對風(fēng)損失”，而垂直軸風(fēng)輪可以利用平面上任意角度的風(fēng)速，因此在考慮了“對風(fēng)損失”之后，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率可超過水平軸風(fēng)輪。

3)啟動風(fēng)速。小型水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動風(fēng)速一般在4～5 m/s，最大可達(dá)5.9 m/s，這樣的啟動風(fēng)速不能滿足大部分需求。垂直軸風(fēng)輪如達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)的H型風(fēng)輪，只要翼型和安裝角選擇合適，啟動風(fēng)速可減小到2 m/s，相比與水平軸啟動功能更優(yōu)[6]。

4)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中都受到重力和慣性力的綜合作用，不同的是，水平軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時慣性力的方向是隨時變化的，而垂直軸慣性力與重力始終不變，這樣水平軸風(fēng)輪的葉片受到的是交變載荷，垂直軸風(fēng)輪受到的是恒定載荷。因此垂直軸葉片抗疲勞強(qiáng)度優(yōu)于水平軸，壽命也比水平軸長。此外，垂直軸便于安裝維護(hù)。

5)噪聲。水平軸的尖速比比垂直軸大很多，直接導(dǎo)致水平軸噪聲較大，垂直軸尖速比一般在1.5～2.0之間，基本沒有噪聲。低尖速比不僅在降噪上有優(yōu)勢，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體性能也是有利的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在戶外受污染不可避免，這些污染會改變?nèi)~片外形，雖然這種變化很小，但對水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率影響很大；垂直軸因為轉(zhuǎn)速低，外形的改變對其影響不大。

綜合考慮本次應(yīng)用具體情況，優(yōu)先考慮垂直軸。風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率超過300 W后，其風(fēng)輪直徑過大，不利于實船安裝且影響整體穩(wěn)性[6-7]。實驗船所選風(fēng)力機(jī)型號為垂直軸NE-W200，參數(shù)如表1。

表1 NE-W200風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)

在選擇風(fēng)機(jī)安放位置時需考慮船體的平衡性和風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面積，根據(jù)風(fēng)機(jī)重量將風(fēng)機(jī)安裝在船體右舷后部，在船體左舷對稱位置安裝重量相當(dāng)?shù)匿囯姵?，以保持船體平衡。實船安裝時，因需開孔接線，考慮到船體安放位置玻璃鋼板的強(qiáng)度不足，故在船體表面附加一層鋼板，以滿足強(qiáng)度要求。接線時首先必須將電池與控制器連接，然后連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)，應(yīng)盡量在無風(fēng)或者微風(fēng)的狀況下接線，最后連接負(fù)載。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型

風(fēng)產(chǎn)生的力作用在風(fēng)力機(jī)的葉輪上使其轉(zhuǎn)動，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)是系統(tǒng)的能量來源。風(fēng)能的大小與氣流通過的面積和氣流的密度成正比，與氣流速度的立方成正比[8-10]。德國學(xué)者Betz基于理想狀態(tài)認(rèn)為：風(fēng)輪不含輪轂，具有無窮多的葉片數(shù)，并且沒有空氣阻力，氣流通過風(fēng)輪前后方向不變，氣流連續(xù)均勻地通過風(fēng)輪掃掠面。滿足以上條件，推算出風(fēng)力機(jī)理論極限值，即理論風(fēng)輪利用系數(shù)為0.593。該系數(shù)在實際中會因為各種能量損耗達(dá)不到0.593。風(fēng)力機(jī)實際得到的有功功率為

(1)

式中：Pm為有用功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；R為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑，m；v為風(fēng)速，m/s；cp為風(fēng)能利用系數(shù)；β為槳距角，rad；ω為風(fēng)輪角頻率，rad/s；λ為葉尖速比

(2)

風(fēng)輪獲得的氣動轉(zhuǎn)矩Tm為

(3)

風(fēng)能利用率cp與λ、β具有非線性關(guān)系，近似表達(dá)為

(4)

發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)中的作用是將風(fēng)力機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，是整個系統(tǒng)的核心部分。發(fā)電機(jī)的高效可靠和控制性能非常重要，“風(fēng)光秀”電池采用的是三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)，可以高效進(jìn)行機(jī)電轉(zhuǎn)換。

PMSG的傳動方程為

(5)

式中：Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；f為轉(zhuǎn)動粘滯系數(shù)；Jg為等效轉(zhuǎn)動慣量。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)式(1)～(5)，在Matlab/Simulink中搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型(見圖4)及風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型(見圖5)。

2.3 仿真實驗

設(shè)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)初始風(fēng)速為10 m/s，過1 s后風(fēng)速變?yōu)? m/s，在第2 s時風(fēng)速變回10 m/s，系統(tǒng)運(yùn)行后得到仿真結(jié)果見圖6～7。

從實驗結(jié)果可以看出，隨風(fēng)速變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變化，實驗曲線近似為二次方曲線，經(jīng)過一定時間將會達(dá)到穩(wěn)定的恒定值。負(fù)載電流和電壓隨風(fēng)速變化波動明顯，如果風(fēng)速低于啟動風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將無輸出至負(fù)載。

3 實船實驗

實船安裝調(diào)試完畢后完成下水實驗。通過控制器監(jiān)控軟件對航行數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集并存儲，見圖8～9。

對比圖8、9可知，航速越大風(fēng)速越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，其輸出電壓相應(yīng)增大。風(fēng)機(jī)電壓與風(fēng)機(jī)實測轉(zhuǎn)速變化趨勢基本相同，由于風(fēng)能通過風(fēng)輪轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能通過永磁無刷三相同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能存在時間上的滯后，故風(fēng)機(jī)電壓相比風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在相位上的延遲，但兩者變化趨勢整體保持一致。

4 結(jié)論

“風(fēng)光秀”號電池船航行實驗在露天水池中進(jìn)行，由于空間限制，實驗船無法長時間直線航行與加速，而是繞著水池轉(zhuǎn)圈，導(dǎo)致風(fēng)速波動較大，而且無法得到較高的風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能有效工作，輸出持續(xù)穩(wěn)定的有效高電壓。但通過實驗結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，通過在小型船舶上加裝垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)完全可以有效利用一部分能量，這對于電池船的推廣應(yīng)用有著一定的現(xiàn)實意義及推廣價值。后續(xù)研究可考慮圍繞風(fēng)光互補(bǔ)及最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)展開，使微小的風(fēng)能在電池船上也可以被有效地回收利用或儲存在船舶配備的儲能單元模塊中。