風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計

■ 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司 孫吾波

1 風(fēng)輪機等級

由于風(fēng)輪機功率與風(fēng)速的3次方成正比，在進(jìn)行風(fēng)輪機設(shè)計時，首先要考慮的是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備場址區(qū)域的風(fēng)情、風(fēng)速。根據(jù)IEC（國際電工委員會）的規(guī)定，風(fēng)輪機通常分為5個等級，前面4個等級的參照風(fēng)速分別為50、42.5、37.5、30 m/s ，年間平均風(fēng)速分別為10、8.5、7.5、6 m/s ，擾流強度都一樣，即0.18（A）類、 0.16（B）類。擾流強度表示平均風(fēng)速為15 m/s 時的特性值。此外還有第5級，它屬于特殊情況，超過了第一級，屬于強風(fēng)地帶，如海洋風(fēng)場，對風(fēng)輪機強度、耐久性都有很大影響。第 5 級風(fēng)輪機的參數(shù)由設(shè)計者根據(jù)風(fēng)情另行規(guī)定。

2 風(fēng)輪機效率

風(fēng)輪機功率（W）等于風(fēng)速（m/s ）、轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)圓面積（m2）、空氣密度（kg/m3）與輸出功率系數(shù)C之積。按照柏次（Bet ts）法則和運動量理論求得的輸出功率系數(shù)C的最大效率為0.593，近年來，由于較高效率葉片的開發(fā)、應(yīng)用，和旋轉(zhuǎn)裝置（如齒輪箱、軸承等）損耗的不斷減小，風(fēng)電機組的實際最高效率已經(jīng)達(dá)到0.45。輸出功率系數(shù)C主要取決于周速比 （即風(fēng)輪機葉片尖端周速與風(fēng)速之比值）。當(dāng)T 接近于6時,C 約為0.593。這是螺旋槳型風(fēng)輪機的理論效率，其0曲線呈漸開線形。T=6—12時的C趨于飽和，實際上各種風(fēng)輪機的效率曲線都呈拋物線狀。比如2個葉片的螺旋槳型高速風(fēng)輪機效率最高值為0.45，所對應(yīng)的T=11。當(dāng)T＜11或T＞11時，效率都將降低。3葉片的螺旋槳型C=0.47，此時T =5.5。4葉片時，C=0.16，T=2.5。多葉片時，C=0.26，T=6。大容量風(fēng)力發(fā)電設(shè)備常常采用群體型規(guī)?；L(fēng)場，單機功率較大、臺數(shù)較多。在評價效率時就要考慮到風(fēng)輪機本體后方（下游）風(fēng)流的擾流損失，這對后面的風(fēng)輪機效率有影響。此外還要考慮到與電力系統(tǒng)并網(wǎng)以前的輸電效率，以及設(shè)備內(nèi)部用電比例。

3 風(fēng)速的限制

尚未投運的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備在建設(shè)期間就被臺風(fēng)和強風(fēng)損壞的案例不少。在設(shè)計階段就要考慮到機組應(yīng)能承受多大風(fēng)速而不被損壞。通常根據(jù)氣象臺觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，也可向風(fēng)情預(yù)測預(yù)警中心咨詢。在選擇應(yīng)能承受的最大風(fēng)速時，必須留有安全余量。由于風(fēng)力與風(fēng)速的平方成正比，承受的風(fēng)速如果選得過高，勢必會使成本增加；如果選得過低，又不安全。所以要適當(dāng)?shù)卣壑锌紤]。根據(jù)IEC 的規(guī)定，風(fēng)電機組承受的最大風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)取決于前面提到的5個標(biāo)準(zhǔn)，即1級為70m/s(（50m/s)，2級為59.5m/s(42.50m/s)，3級為52.5m/s(37.5m/s)，4級為42m/s(30m/s)，5級不作規(guī)定。而是單獨協(xié)商解決(上述括號中數(shù)據(jù)指10min 內(nèi)的平均風(fēng)速).現(xiàn)代風(fēng)電機組通常由計算機控制自動巡行，一旦接近臺風(fēng)，將根據(jù)風(fēng)情自動做出判斷、停止運轉(zhuǎn)。此時的切斷 風(fēng)速為20m/s--25m/s，即臺風(fēng)的暴風(fēng)圈內(nèi)平均風(fēng)速。臺風(fēng)過后，機組恢復(fù)運行。盡管如此，仍有可能由于強風(fēng)使樹木或其它物品飛來而損壞機組或使電線、通信線中斷。所以必須檢查和確認(rèn)臺風(fēng)過后的設(shè)備狀態(tài)。

4 造價與電價

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備工程項目的建設(shè)費用與運輸?shù)缆贰⑴潆娋€路等有關(guān)。如果其他情況不變，單是增加單機容量或增加裝機數(shù)量從而使事業(yè)規(guī)模擴大、使風(fēng)場裝機總?cè)萘吭龃螅蜁档徒ㄔO(shè)成本。實踐證明：當(dāng)總裝機容量為250kW時，建設(shè)單價約為4萬元/kW ；如果增加裝機總?cè)萘康?000kW時，則造價降至1.6萬元；如再增至20000kW時，造價就降到1.2萬元。所以，風(fēng)電設(shè)備正在迅速向大容量化方向發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備工程的建設(shè)費用包括以下項目：（1）風(fēng)力發(fā)電機組（占78%）；（2）電氣設(shè)備（占12%）；（3）土建工程（占6%）；（4）電力消費（占2%）；（5）工程管理等（占2%）。在上述總費用中，風(fēng)輪機和發(fā)電機所占比重最大。千方百計降低其成本是減少工程造價的重要途徑，比如采用高強度玻璃纖維增強塑料、環(huán)氧樹脂等取代鋁合金來制造葉片、取消增速齒輪箱等。降低建設(shè)費用的最終目的是為了降低售電價格，以便競爭上網(wǎng)。造價的增加必然導(dǎo)致電價上升，但是還與所選風(fēng)速有關(guān)。當(dāng)造價相同時，風(fēng)速的增大可使電價降下來。比如評估的工程造價為12500元/kW, 就應(yīng)選擇風(fēng)速為6m/s 的地區(qū)作為風(fēng)力發(fā)電場地，以便使售電價格不超過7角/kWh ；如果工程造價為19000元/kW，就應(yīng)選擇風(fēng)速為7m/s 以上的地區(qū)作為風(fēng)力發(fā)電場地。

5 機型的對比

從結(jié)構(gòu)型式上看，風(fēng)輪機主要有水平軸和垂直軸2種。水平軸的有螺旋槳型、多翼型、船帆翼型等；垂直軸的有短而寬翼型、半圓筒型、燈籠型等。古老的荷蘭型風(fēng)輪機有4個大型葉片，多達(dá)1萬多臺，其葉片由木架和布面構(gòu)成，多數(shù)用于排水。陀螺翼型主要用于發(fā)電的大中型發(fā)電機組。多翼型用于美國中西部牧場揚水，有20枚葉片，轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低。船帆翼型用于地中海島區(qū)，布質(zhì)的葉片翼面，約有6—8枚，直徑約4m，用作揚水。短而寬翼型呈半球形，轉(zhuǎn)速和效率都低。半圓筒型有2枚葉片，效率低、轉(zhuǎn)矩大，發(fā)展中國家用于揚水和發(fā)電。燈籠型葉片呈圓括號形，大的美國應(yīng)用，小的中國應(yīng)用。陀螺翼型用于中國。

對于大型風(fēng)輪機組主要采用螺旋槳型，而且水平軸式多于垂直軸式。從空氣動力學(xué)角度看，垂直軸式的優(yōu)點是風(fēng)輪機性能與高度方向上的各大氣層的風(fēng)向變化無關(guān)，機組設(shè)置不受高度限制，便于實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化。缺點是塔架容易彎曲，需要加強、增加用料，所以機組高度通常不超過500 m 。加拿大早期投運的 1臺大型垂直軸式風(fēng)輪機組容量為4000kW的轉(zhuǎn)輪直徑64m，2個葉片。水平軸式風(fēng)輪機雖然應(yīng)用較多，但沿高度方向的風(fēng)速、風(fēng)向都不相同，空氣動力特性變壞，影響直徑的進(jìn)一步增大。

6 葉片的數(shù)目

世界上絕大多數(shù)風(fēng)電機組都采用2個或3個葉片的風(fēng)輪機。從空氣動力學(xué)角度來看，2葉片3葉片的風(fēng)輪機實際上沒有太大的區(qū)別。只是3葉片的性能要高出2%--3%。然而，3葉片只適用于較低的周速比（T=6），2葉片則適用于較高的周速比（T=11）。應(yīng)當(dāng)注意的是：2葉片方案時，相對于旋轉(zhuǎn)平面的各軸線的螺旋槳慣性矩并不相同，由此引起風(fēng)電機組、設(shè)備的附加動態(tài)負(fù)載，必須采取相宜的附加措施。德國曾經(jīng)制造并投運了一臺640kW的風(fēng)輪機組，其轉(zhuǎn)輪直徑56m，不尋常的采用了1個葉片，那是為了降低成本。因為葉片的造價約為風(fēng)輪機整機的1/5—1/3。如果將3個葉片的改為2個葉片的，可使成本降低10%--20%。

7 設(shè)計的創(chuàng)新

7.1 用戶需求。風(fēng)輪機組結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷追求的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)是：（1）成本低；（2）可靠性高；（3）壽命長；（4）自動化程度高；（5）維護(hù)方便；（6）噪聲低；（7）外觀美（滿足旅游觀光在景觀方面的要求）；（8）輸出功率穩(wěn)定。然而，當(dāng)今世界上市場競爭的焦點主要集中在以下2點上：即售電價格要低和運行安全可靠。

7.2 設(shè)計創(chuàng)新

近年來出現(xiàn)的一些新型設(shè)計很有啟發(fā)：①空心葉片---外殼是高強度玻璃絲強化塑料，內(nèi)部填充少量聚胺脂，整個葉片基本上是中空的，使其重量大為減小，而其強度卻可承受60m/s以上的強風(fēng)。②后捋槳葉---其槳葉并非總是與旋轉(zhuǎn)軸線相垂直，強風(fēng)時可后捋，使其與旋轉(zhuǎn)軸線之間的夾角＜90°。實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，自我保護(hù)。③柔性連接----槳葉與旋轉(zhuǎn)軸的連接類似直升機用的T 型接頭，采用柔性連接，可使強風(fēng)時的受力減少一半。④厚翼槳葉---采用新型厚翼槳葉系列，在風(fēng)速8時可改善性能70%。⑤取消集電環(huán)和電刷----采用分離的變壓器來取代事故多發(fā)的集電環(huán)和電刷裝置。⑥取消齒輪箱----采用多極結(jié)構(gòu)的低速發(fā)電機實現(xiàn)直接驅(qū)動，從而取消噪聲和磨損都很大的增速齒輪箱。⑦長壽葉片----采用木材和高強度碳素纖維-環(huán)氧樹脂 制造的葉片可以延長壽命。⑧自動程控----采用全序自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)完全自動化遠(yuǎn)行和遙控。⑨葉尖制動----在葉片尖端設(shè)置小型輔助葉片作為制動器，并采用電磁原理實現(xiàn)自動控制。強風(fēng)時自動打開發(fā)揮制動作用；強風(fēng)過后能夠自動折疊、恢復(fù)與主葉片重合、停止制動作用，風(fēng)輪機繼續(xù)運行。⑩擴散增速----普通風(fēng)輪機只能利用風(fēng)速的60%，而采用擴散式增速裝置，可使轉(zhuǎn)輪背面的低壓區(qū)產(chǎn)生空吸效應(yīng)，從而使風(fēng)速加倍。（11）含鐵水泥----對高強度的含鋁或含鐵的水泥進(jìn)行了評價，結(jié)果表明：含鐵時的抗彎強度是中碳鋼的3倍，可用來制作擴散式增速裝置。（12）取消連軸節(jié)---采用可使氣流通過輪轂的結(jié)構(gòu)，可以取消效率低、成本高的葉片根部連軸節(jié)，緩和了作用到葉片上的重力和離心力。（13）優(yōu)化翼型----普通風(fēng)輪機只能撲捉25%～40%的風(fēng)能，葉片翼型經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計以后，風(fēng)輪機的效率高達(dá)43%～45%，可多撲80%的風(fēng)能。（14）變頻調(diào)速---與普通風(fēng)輪機相比，實現(xiàn)變頻調(diào)速后的風(fēng)電機組，當(dāng)平均風(fēng)速為6 -7m/s時，其風(fēng)輪 機的撲風(fēng) 能力可提高20%。（15）化解冰雪---葉片表面涂以黑色來化解冰雪，以免降低工作效率。

8 結(jié)語

國內(nèi)外的經(jīng)驗教訓(xùn)表明：成功的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用必須重視實踐經(jīng)驗， “天有不測風(fēng)云”這個因素的影響很重大，要因地制宜地自主創(chuàng)新品牌，才能在市場競爭中取勝。