并网垂直轴风力发电机组的大型化技术研究

宁德正 朱向东

(云南省电力设计院,云南昆明 650051)

并网垂直轴风力发电机组的大型化技术研究

宁德正 朱向东

(云南省电力设计院,云南昆明 650051)

本文分析了垂直轴风力发电机组发展缓慢的原因,介绍了垂直轴风电机组的优势,给出了垂直轴风力发电机组的分析与建议,伴随着现代计算流体力学的发展和3d打印技术的突破,并网型垂直轴风力发电机组大型化指日可待。

垂直轴风电机组 水平轴风电机组 大型化 H型风机

根据风力发电机传动轴的方向,风力发电机分为水平轴和垂直轴两类,特别自1980年起,水平轴风力发电机组的叶轮直径、额定功率以及塔筒高度随着对其气动性能理论和实验的研究以及结构材料的发展而快速增加,1．5MW～3MW水平轴风力发电机组已成为陆上风电场主流机型,2013年,维斯塔斯正在丹麦测试V164-8MW的风机。水平轴风力发电机组占到整个风力发电机组市场的98%以上。很长一段时间,由于对垂直轴风力发电机组的认识不够,认为垂直轴风能利用率低、叶尖速比小等特点,重视程度和发展速度较慢。随着计算流体力学的发展,垂直轴风电机组在三维空间的叶尖速比得到提高,伴随着3d打印技术的进步,垂直轴风能利用效率和成本造价上将越来越有优势。

1 垂直轴风力发电机组发展缓慢原因

早期对垂直轴风力发电机组研究理论,主要基于水平轴风力发电机组的叶素理论,参照该理论设计的垂直轴风力发电机组Cp值、叶尖速比均较小,无法准确计算出垂直轴风力发电机组的气动特性,不能满足风电机组大型化的需要。

垂直轴风力发电机组将风能转化为机械能的主要装置,由叶片、叶片连接件、风轮主轴三大部分组成,再通过电气系统转化为电能的发电装置,根据其叶片形态,主要分为S型,Darrieus型、H直翼、H旋翼型,见图1。

2 垂直轴风力发电机组发展优势

水平轴风力发电机组由于技术理论发展成熟,在市场上占有主要份额,然而,伴随着垂直轴风力发电机组研究理论的完善,垂直轴风力发电机组也具有很大的发展潜力,主要基于以下优势。

第一:垂直轴风力发电机组可以吸收任意风向上的来流,不需要像水平轴风机一样对风和偏航,省去了偏航传动装置,大大降低了风电机组制造成本,且不会因为无偏航而降低功率输出,可应用在风向变化较频繁,甚至在在湍流强度较大的地方也影响较小。

第二:垂直轴风电机组发电、控制系统均安装在地面或者塔架底部,而水平轴发电机组其发电设备需安装在高空,和主轴位于同一水平面上,为捕捉更高的能量,塔架高度都在70m以上,虽然塔筒在安装阶段可以通过多段组合的方式解决,但为后期的机舱内设备维护、检修带来较大困难。另外机舱位于塔筒顶端,静、动荷载较大,倾覆力矩较小,为安全需要,需要较高的塔筒结构强度,风机基础也要比垂直轴机组大得多。

第三:垂直轴风机运行时,其叶片与塔架较远,气流能够通畅的通过转子,不会因塔影效应影响风电机组,发电机组底部的安装也使得安装更方便,大幅降低安装费用。

图1 垂直轴风力发电机组主要叶片形态

第四,垂直轴风电机组运行时其各个方向的惯性力和重力基本保持不变,所受荷载相对恒定,不会像水平轴风电机组受湍流强度影响而受力发生周期性变化,延长使用寿命。

第五,在大型并网风电场中,水平轴风电场机组一般按垂直于主导风向上的行距6～10d,列距3～5d(d为叶轮直径)原则进行布置,单位场地可利用率较低,而垂直轴风机直径相对小的多,单位面积上能量密度可以提高3倍以上。

此外,垂直轴风电机组通常采用等截面叶片,而水平轴风机叶片采用立体扭曲变截面螺旋形结构,设计、加工制造均比垂直轴叶片复杂。随着3d打印技术的发展,垂直轴各种形式的将会出现更多的气动效率高的叶片翼型。

3 垂直轴风力发电机组的分析与建议

垂直轴风力发电机具有无需偏航、变桨简单、噪音低、塔架相对较低、适应极限风速的优点,但多年来仍没有生产出可并网、应用的大型垂直轴风力发电机,但存在气动效率、自启动、超速控制、结构稳定性、安全制动等一系列问题,而这些问题在水平轴风力发电机上都已经解决。

以H型垂直机分析为例,H型风机各级风轮都是围绕垂直轴传动,各层叶轮所受风速不同,对轴的作用力和扭矩也不同,同一根轴上、下受力差距较大,旋转受力不平衡,导致效率下降。建议采用多轴传动,可解决各层之间受力不均的问题,但增加相应的控制系统内。

对于多级H型垂直轴风力发电机组,当风速较低时,最低一级的风轮无法带动发电机组工作,即无法切入运行,当风速较大时,高一级的风速较大,会导致切出运行,造成风能资源的浪费。

此外,垂直轴风力发电机由于气动特性和主轴结构的不同于水平轴风机,不能将小型水平风力机按比例放大后成为大型风力机,需要采用实时可变攻角技术,捕捉有效的能量,设计出适合垂直轴风机的叶片翼型,并消化、吸收水平轴风电机组成熟的技术,如在线监控、振动监测、低电压穿越等成熟的技术,才能真真意义上实现并网垂直轴风力发电机的大型化。

4 结语

垂直轴风力发电机组大型化需要更多的理论基础和实践经验指导,伴随着现代计算流体力学的发展和3d打印技术的突破,并网型垂直轴风力发电机组大型化指日可待。

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