青草沙水庫水面用小型風力發(fā)電機選型及思考

趙一帆 陳凱威

摘要：水質(zhì)在線儀器要求24小時不間斷實時檢測提供數(shù)據(jù)，其能源一直是人們考慮的問題。小型風力發(fā)電機及蓄電池的組合能夠有效增加這類儀器的運行時間。如何在水面等特殊工作環(huán)境下選用合適的風力發(fā)電機是一個問題，本文從風機的種類，工作環(huán)境及安裝位置三個角度出發(fā)，決定合適選型，增加其工作時間。

關(guān)鍵詞：小型風力發(fā)電機；水質(zhì)在線儀器；青草沙水庫；垂直式風力機；防護等級；振動強度

1背景

青草沙水庫是世界上最大的邊灘水庫，也是上海是最大的飲用水水源地[1]。水庫總面積為66.15km2，有效庫容為4.35億m3[2]，面對如此大的體量，僅靠每日人工化驗部分關(guān)鍵點位水質(zhì)是遠遠不夠的。所以青草沙水庫在其水域內(nèi)選定了13個點位并安裝大型浮筒，在其上配備了多參數(shù)在線水質(zhì)監(jiān)測設備、信號發(fā)射裝置以實時監(jiān)控水質(zhì)。整套在線設備由蓄電池，充電系統(tǒng)以及負載組成。其中充電系統(tǒng)由風光互補裝置即小型風力發(fā)電機以及太陽能板組成。但在之前數(shù)年的使用中，由于青草沙水庫相關(guān)環(huán)境比較惡劣，第一代風機使用情況并不理想，會發(fā)生葉片斷裂，失控，乃至整個風機被吹走的情況。

針對以上情形，我們從嘗試風機種類，工作環(huán)境及安裝位置三個方面考慮，以期在項目大修中更換更適合水庫工作的小型風力發(fā)電機，從而優(yōu)化其在整套在線設備中的使用能力。

1.1風力發(fā)電機的種類

目前，風力發(fā)電機主要按照風機葉輪旋轉(zhuǎn)軸的角度分為兩類，水平軸風機和垂直軸風機[3]。其中當其旋轉(zhuǎn)軸平行于或近乎平行于地面的稱之為水平軸風機，目前的大型風力發(fā)電機都以水平軸為主，如沿海的大型風機等；當其旋轉(zhuǎn)軸垂直于地面時，則稱之為垂直軸風機，這是一種較之于水平風機研究起步較晚的產(chǎn)品，但已經(jīng)證明該類風機并不遜色于傳統(tǒng)水平軸式風機[4]，目前主要以小型風力發(fā)電機的身份應用于生活場景，如綠色能源路燈等。

青草沙水庫在水面使用的第一代風機是水平軸式風機。但使用狀況不是很理想。我們通過查閱資料發(fā)現(xiàn)，水平軸風力機在工作過程中，其受到離心力，水平方向慣性力，風機主體與受風板重力等合力作用，其中慣性力隨風向改變而改變，這個突變載荷對葉片的疲勞強度是非常不利的[5]；相反地，垂直軸風力機無論哪個方向來風都能以同一種工況應對，并且風輪葉片只受到延展向的張力，相同材料下，其疲勞壽命比水平軸風機要長。通過查閱歷史氣象資料發(fā)現(xiàn)，青草沙水庫的風具有風力偏大，風向轉(zhuǎn)換快的特點，綜合考慮更適合使用垂直軸式風機。

1.2環(huán)境的影響

青草沙水庫位于長江入海口，其濕度常年極高，且鹽度在秋冬季節(jié)也會階段性上升，在夏季，還有強光照射以及大量臺風侵襲的問題。資料顯示，強烈的日光照射、高濃度的鹽霧環(huán)境、高濕度及水分侵蝕等因素都會對風力機及葉片表面造成損害[6]。因為以上的原因，還需要考慮到相關(guān)小型風力發(fā)電機葉片的材質(zhì)，以及防護等級要求。我們最后對葉片材質(zhì)要求為高等級不銹鋼，而風機整體防護等級也必須達到IP57的要求，中高等級防水性能。

1.3安裝位置的影響

目前所考慮的小型風力發(fā)電機將主要搭載于青草沙水庫水面的大型浮筒上，其穩(wěn)定性肯定會低于搭載于平地的同類型產(chǎn)品。已經(jīng)有相關(guān)研究證明，在風浪條件下，漂浮特性對于風力發(fā)電機的振動影響很大[7]，這意味著其壽命較正常工況下將下降很多。為了盡可能減少水面漂浮特性對風力發(fā)電機壽命的損耗，建議將風力發(fā)電機都安裝于每一個浮筒的重心上，而非原來比較偏移的一側(cè)；并且將風機立桿焊在浮筒槽鋼之上，增加其機械強度；同時，還建議適當降低立桿的長度以抵抗較強的風力等級。

2、結(jié)論

通過以上的思考，青草沙水庫在新的水面浮筒用風力發(fā)電機將選用垂直軸風力發(fā)電機，并且對葉片材質(zhì)要求為高等級不銹鋼，防護等級IP57以上，安裝位置于浮筒重心的槽鋼之上盡可能保持穩(wěn)定。

參考文獻

[1]陳立，陳蓓蓓，張淑敏.青草沙水庫運行管理優(yōu)化探索[J].凈水技術(shù)，2013 32（3）：85-88

[2]李嘉海，王紹祥，朱宜平，等.青草沙水庫下游排水閘口內(nèi)浮游藻類群落變化調(diào)查[J].凈水技術(shù)，2014，33（s1）：30-34

[3]蔣超奇，嚴強.水平軸風力發(fā)電機的比較研究[J].上海電力，2007（2）：163-165

[4]蔣崇文，振勛，唐金龍，等.垂直軸與水平軸風機的氣動性能對比[R].北京：中國能源學會，2011

[5]莫曉聃，李濤.垂直軸風力機概述及發(fā)展優(yōu)勢剖析[J].節(jié)能技術(shù)，2010（5）：450-453

[6]劉燕.濕空氣對風力機翼型及葉片氣動性能影響的數(shù)值研究[D].北京：華北電力大學，2017

[7]金鑫，鐘翔，何玉林，等.漂浮特性對風力發(fā)電機振動影響[J].振動與沖擊，2013（15）：26-31

作者簡介：趙一帆（1992-7）；男；漢；上海市；管理員；助理工程師；大學本科。

（作者單位：上海城投原水有限公司青草沙水庫管理分公司）