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    H型垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳機(jī)理研究進(jìn)展

    2019-11-14 07:16:58張立軍馬東辰胡闊亮米玉霞朱懷寶顧嘉偉劉靜嚴(yán)強
    關(guān)鍵詞:垂直軸距角變槳

    張立軍,馬東辰,胡闊亮,米玉霞,朱懷寶,顧嘉偉,劉靜,嚴(yán)強

    (1.中國石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島,266580;2.上海麟風(fēng)風(fēng)能科技有限公司,上海,201508)

    由于能源危機(jī)的日益嚴(yán)重,人們越來越傾向于對可再生能源進(jìn)行研究。其中,風(fēng)能以其綠色、無污染、可再生等特點已受到廣泛關(guān)注。我國風(fēng)能資源豐富,根據(jù)國家氣象局的資料,近海70 m高度的年平均風(fēng)功率密度可達(dá)300 W/m2以上,其中臺灣海峽和東海南部風(fēng)能資源甚為豐富,風(fēng)速大于6 m/s 時的累計小時數(shù)可達(dá)5 000 h[1]。目前對風(fēng)能利用的主要形式為風(fēng)力發(fā)電。根據(jù)其風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸相對地面的安裝角度可以分為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(VAWT)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)(HAWT),與水平軸風(fēng)力機(jī)相比,垂直軸風(fēng)力機(jī)有無需對風(fēng)裝置、易于安裝且便于維修等優(yōu)點,尤其對于H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)來說,其葉片采用等截面結(jié)構(gòu),更適用于采用計算流體力學(xué)方法得到更精確的結(jié)論;同時,H型垂直軸風(fēng)力機(jī)噪聲小,比水平軸風(fēng)力機(jī)擁有更廣的應(yīng)用范圍,具有更高的商業(yè)使用價值。然而,現(xiàn)有的商業(yè)化H 型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率僅在30%~35%之間,遠(yuǎn)未達(dá)到其理論最大風(fēng)能利用率64%[2],且存在自啟動能力弱等不足,在很大程度上限制了其規(guī)模化應(yīng)用。為解決垂直軸風(fēng)力機(jī)的低風(fēng)能利用率問題,人們研究了多種提高其性能的方法,這些方法主要歸納為3種:一是風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,包括葉片翼型和主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化、葉片傾角改變、升阻互補等;二是翼型區(qū)域流場控制,例如利用導(dǎo)流片產(chǎn)生干擾氣流,加裝葉頂端板、襟翼、圓臺型聚風(fēng)罩等;三是葉片攻角改變,即通過改變?nèi)~片槳距角來實現(xiàn)對攻角的改變。其中,改變?nèi)~片槳距角以其調(diào)節(jié)方式簡便、高效、直接等優(yōu)點逐步受到人們的青睞。

    1 變槳技術(shù)原理

    現(xiàn)有的垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中,葉片攻角隨方位角不斷變化,沒有維持在最佳攻角處,是其風(fēng)能利用率低的重要原因[3]。在槳距角調(diào)節(jié)過程中,主要角度是槳距角、攻角和方位角,這3個角度之間的關(guān)系如圖1所示。圖1中,W為誘導(dǎo)速度v和切向速度Rω的合成風(fēng)速,ω為風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)角速度;θ為葉片方位角,當(dāng)方位角θ位于0°~180°時,該區(qū)域稱為風(fēng)輪的上風(fēng)區(qū);當(dāng)θ位于180°~360°時,稱為風(fēng)輪的下風(fēng)區(qū);α為葉片攻角,是合成風(fēng)速方向與葉片弦線方向之間的夾角;β為葉片槳距角,是切向速度方向與葉片弦線方向之間的夾角。分析圖1中的速度關(guān)系,可以得出垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片攻角的表達(dá)式為

    式中:λ為風(fēng)輪的葉尖速比,

    圖1 翼型角度關(guān)系圖Fig.1 Airfoil angle diagram

    變槳技術(shù)的主要思路是通過調(diào)節(jié)槳距角使葉片攻角始終在重點旋轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)處于最佳攻角處,即在一定葉尖速比下切向力系數(shù)達(dá)到最大時所對應(yīng)的攻角,切向力系數(shù)與攻角的關(guān)系如圖2所示。圖2中,CL和CD分別代表翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù),其值可由NACA 系列翼型空氣動力學(xué)特性數(shù)據(jù)庫查得。CT為切向力系數(shù),是CL和CD在弦長方向的合成值。由圖2中的幾何關(guān)系,得到CT的計算式為

    圖2 葉片翼型氣動力系數(shù)Fig.2 Aerodynamic coefficient of blade profile

    隨著風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn),葉片的合成風(fēng)速方向時刻變化,攻角也隨之變化,不易直接進(jìn)行調(diào)節(jié),而槳距角可通過調(diào)節(jié)葉片與旋轉(zhuǎn)切向方向之間的夾角來調(diào)節(jié)。同時,由于槳距角與攻角之間有關(guān),槳距角的改變也會使攻角發(fā)生變化,因此,變槳技術(shù)的核心是通過合理調(diào)節(jié)槳距角來間接控制對應(yīng)攻角的變化,以實現(xiàn)對風(fēng)力機(jī)氣動性能的改善。

    2 變槳規(guī)律研究

    垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳距的研究重點在于變槳規(guī)律的可行性分析,目前國內(nèi)外學(xué)者運用的主要研究方法有動量模型法、數(shù)值計算法和測試試驗法等。

    2.1 動量模型法

    動量模型法利用流體力學(xué)(含空氣動力學(xué))的相關(guān)理論如動量理論、葉素理論、流管理論,借助水平軸風(fēng)力機(jī)的分析方法,通過提出假定,建立模型的方法來計算。隨著垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動特性研究及空氣動力學(xué)的不斷完善,上述理論在風(fēng)力機(jī)的設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)過程中起到了越來越重要的作用。其中,對于變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)的理論研究,大部分學(xué)者運用的主要是葉素理論和雙制動盤多流管理論。

    2.1.1 基于葉素理論分析

    垂直軸風(fēng)力機(jī)在不同葉尖速比下運行時,葉片攻角的變化范圍不同。應(yīng)用葉素理論便于得到翼型在不同葉尖速比下的攻角變化范圍,因此,在研究特定葉尖速比下風(fēng)力機(jī)變槳規(guī)律時,通常選用葉素理論來進(jìn)行分析。

    顧華朋等[4]基于葉素理論,得到了NACA0012翼型在不同葉尖速比下攻角隨方位角的變化關(guān)系,如圖3所示。通過進(jìn)一步結(jié)合翼型的升阻力系數(shù)隨攻角變化關(guān)系,提出了一種以葉尖速比為分區(qū)的變槳方案,翼型的升阻力系數(shù)曲線如圖4所示,其變槳方案如式(4)所示。該變槳規(guī)律的合理性主要在于:在低葉尖速比、大攻角工況下,通過調(diào)節(jié)槳距角使葉片攻角在60°~140°之間,此時垂直軸風(fēng)力機(jī)主要靠葉片的阻力做功獲得較大啟動力矩;在較高葉尖速比下,葉片攻角變化范圍較大,利用變槳方法控制葉片攻角在失速點±15°附近,使得葉片可以依靠升力做功從而獲得較大且穩(wěn)定的扭矩。通過建立風(fēng)輪扭矩系數(shù)模型,分析了該變槳運行規(guī)律的有效性。

    吳祥輝等[5]基于葉素理論,進(jìn)一步對葉尖速比λ<1.0 情況下的變槳規(guī)律進(jìn)行了討論,主要是通過求解不同的方位角和槳距角時所對應(yīng)的扭矩力,比較了各個方位角下最大扭矩力對應(yīng)的最佳槳距角,進(jìn)而得到1周槳距角的調(diào)節(jié)規(guī)律。得到的槳距角變化規(guī)律如圖5所示。

    圖3 定槳葉片攻角變化曲線[4]Fig.3 Change curve of attack angle with fixed pitch angle[4]

    圖4 NACA0012翼型大攻角升阻力系數(shù)曲線[4]Fig.4 NACA0012 airfoil lift drag coefficient curve of high attack angle[4]

    2.1.2 基于雙制動盤多流管理論分析

    與葉素理論不同,雙制動盤多流管理論不僅以單一葉片為分析對象,它還將風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)分為上下風(fēng)區(qū),并將轉(zhuǎn)子作用盤面沿垂直于來流的方向細(xì)分成多個獨立微流管[6],理論上看對于垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動性能分析更為合理。

    圖5 槳距角變化規(guī)律[5]Fig.5 Changing rule of pitch angle[5]

    PARASCHIVOIU 等[7]針對一種7 kW 的垂直軸風(fēng)力機(jī),將CARDAAV 代碼與基于遺傳算法的優(yōu)化器相結(jié)合,開發(fā)了一種新的優(yōu)化工具來定義葉片槳距角的變化。以基于雙制動盤多流管理論求解的氣動參數(shù)為評價指標(biāo),驗證了優(yōu)化算法的可行性。

    張立勛等[8]針對變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)憑某一尖速比下最優(yōu)變槳規(guī)律無法啟動和變槳規(guī)律中的不連續(xù)性問題,重點對此不連續(xù)部分進(jìn)行了修正,如圖6所示,通過人工設(shè)計一條斜率最小的直線段,連接變槳規(guī)律中不連續(xù)段的兩端,并修改方位角n×180°附近的葉片槳距角為90°,實現(xiàn)規(guī)律連續(xù)性。采用雙制動盤多流管理論對所設(shè)計的變槳規(guī)律進(jìn)行力矩特性分析,結(jié)果顯示,采用該變槳規(guī)律的風(fēng)力機(jī)能夠可靠自啟動且高效發(fā)電。

    張立軍[9]針對垂直軸風(fēng)力機(jī)下風(fēng)區(qū)風(fēng)況的復(fù)雜性,提出了局部葉尖速比的概念,基于雙制動盤多流管理論,重新建立了下風(fēng)區(qū)葉片攻角與槳距角之間的關(guān)系式,對雙制動盤多流管理論進(jìn)行了改進(jìn)和完善。

    綜合上述研究發(fā)現(xiàn),采用動量模型法對變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究的目的主要有2個:一是通過建立理論模型,得到槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律;二是以風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率為評價指標(biāo),判定變槳前后風(fēng)力機(jī)的性能變化,驗證變槳規(guī)律的可行性。這種研究方法簡單易行,可以直接反映風(fēng)力機(jī)的出力效果,便于對比變槳前后風(fēng)力機(jī)的氣動性能,但不能直觀觀察風(fēng)力機(jī)流場的變化,對于功率系數(shù)變化的原因也缺少探討。

    圖6 修正前后變槳方案對比[8]Fig.6 Schemes comparison of before-and-after variable pitch modification[8]

    2.2 數(shù)值計算法

    近幾年來,隨著計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值計算方法以其精度高、計算速度快、成本低等優(yōu)點,成為垂直軸風(fēng)力機(jī)研究的主要手段之一[10]。對變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究通常采用二維計算方法,主要原因在于變槳技術(shù)并未改變翼型形狀,研究重點是變槳前后風(fēng)力機(jī)氣動性能參數(shù)的改變,相對于三維計算,二維計算網(wǎng)格設(shè)置相對簡單,工作量小,計算效率高[11]。一種經(jīng)典的垂直軸風(fēng)力機(jī)二維仿真模型如圖7所示,圖中d為風(fēng)輪直徑。

    針對垂直軸風(fēng)力機(jī)的變槳問題,數(shù)值計算法的一個重要優(yōu)勢在于通過改變邊界條件,便于研究不同槳距角下風(fēng)力機(jī)的氣動性能差異,模擬不同葉尖速比下風(fēng)力機(jī)所處工況條件。張立勛等[12]仿真研究了不同槳距角下風(fēng)力機(jī)的氣動性能,通過分析不同槳距角下力矩系數(shù),如圖8所示,提出一種主動式變槳規(guī)律:設(shè)置內(nèi)偏置槳距角或小幅值外偏置槳距角,使風(fēng)力機(jī)在小方位角下進(jìn)入有效力矩作用區(qū);設(shè)置外偏置槳距角使風(fēng)力機(jī)延緩?fù)顺鲇行Я刈饔脜^(qū)。研究表明,這種方法增加了有效切向力的作用范圍。

    對于同一類問題,ABDALRAHMAN等[13]利用FLUENT 流體仿真軟件對不同葉尖速比下槳距角進(jìn)行研究,通過分析同一葉尖速比下槳距角在不同方位角下的出力情況,得到了風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)1 周時,各個葉片對應(yīng)的槳距角變化規(guī)律,如圖9所示。

    圖7 垂直軸風(fēng)力機(jī)二維仿真示意圖Fig.7 Two-dimensional simulation diagram of VAWT

    圖8 不同槳距角下力矩系數(shù)圖[12]Fig.8 Torque coefficients at different pitch angles[12]

    除此之外,數(shù)值計算法在觀察流場分布上有其獨特優(yōu)勢。垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率較低的重要原因在于攻角的不斷變化,而攻角改變所導(dǎo)致的葉片周圍流場的變化是翼型升阻力系數(shù)變化的根本原因。借助CFD 仿真軟件,能夠直觀觀察葉片在各個方位角下的流場情況,對于研究變槳式風(fēng)力機(jī)有較好的輔助作用。左薇等[14]采用笛卡兒動網(wǎng)格數(shù)值計算方法研究了動態(tài)變槳式H 型風(fēng)力機(jī)的氣動特性,重點分析了變槳前后不同時刻葉片周圍的渦量云圖,研究發(fā)現(xiàn)動態(tài)變槳方式不會生成前緣分離渦,且可以避免葉片脫落尺度較大、強度較強的尾緣分離渦。

    圖9 槳距角變化圖(葉尖速比λ=1.0)[13]Fig.9 Pitch angle variation diagram(tip speed ratioλ=1.0)[13]

    彭偉等[15]提出一種新型隨動變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu),如圖10所示,這種風(fēng)力機(jī)的主要特點在于:當(dāng)葉片處于迎風(fēng)面時,葉片始終與來流風(fēng)垂直;當(dāng)葉片處于背風(fēng)面時,葉片始終與來流風(fēng)平行,以此來減少阻力,增加其產(chǎn)生的力矩。通過對該變槳距風(fēng)力機(jī)進(jìn)行CFD壓力場仿真分析可知,該風(fēng)力機(jī)在轉(zhuǎn)動過程中可以使葉片產(chǎn)生的壓力相對穩(wěn)定,有助于風(fēng)力機(jī)保持勻速轉(zhuǎn)動。

    圖10 新型隨動變槳垂直軸風(fēng)力機(jī)示意圖[15]Fig.10 Schematic diagram of a new type of follow drive variable pitch vertical axis wind turbine[15]

    REZAEIHA 等[16]指出,當(dāng)前對風(fēng)力機(jī)變槳規(guī)律的研究局限在于以穩(wěn)態(tài)值(如風(fēng)能利用系數(shù)等)為指標(biāo),而忽視了對瞬態(tài)值(如風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過程中的實時負(fù)載及力矩變化、邊界層分離現(xiàn)象及層流與湍流的轉(zhuǎn)化情況等)的研究。為此,通過建立風(fēng)輪CFD 仿真模型,對不同槳距角下風(fēng)力機(jī)的扭矩系數(shù)、葉片壓力分布、旋渦脫落等情況進(jìn)行了研究,綜合考慮瞬態(tài)值與穩(wěn)態(tài)值的變化,給出了最佳槳距角為β=-2°。其中,扭矩系數(shù)的變化趨勢如圖11所示[16]。

    圖11 不同槳距角下風(fēng)力機(jī)扭矩系數(shù)圖[16]Fig.11 Torque coefficient diagram of wind turbine at different pitch angles[16]

    上述研究均采用數(shù)值計算法,充分發(fā)揮了數(shù)值計算法精確度高、對仿真結(jié)果后處理能力強、流程顯示直觀等優(yōu)點??梢灶A(yù)見的是,隨著計算機(jī)算法的不斷完善,CFD 仿真計算的可靠性將越來越高,會為學(xué)者們的研究帶來更大便利。

    2.3 測試試驗法

    數(shù)值計算法雖然便于求得風(fēng)力機(jī)的氣動參數(shù),且易于觀察風(fēng)力機(jī)周圍流場的變化,但是由于所選計算模型、條件設(shè)置以及網(wǎng)格質(zhì)量等因素,計算仍存在一定的誤差,而測試試驗法則更加直觀,并且試驗得到的數(shù)據(jù)也更具有說服力。

    目前,測試試驗法主要分為2種。

    一種是將風(fēng)力機(jī)樣機(jī)置于實際風(fēng)場中,直接利用傳感器等測試儀器和設(shè)備監(jiān)測風(fēng)力機(jī)的性能。例如LEE等[17]為驗證基于數(shù)值計算得到的擺線式變槳規(guī)律[18]的正確性,搭建了風(fēng)力機(jī)裝置并進(jìn)行野外試驗,同時利用LabVIEW 軟件平臺對風(fēng)力機(jī)實時功率進(jìn)行采集,結(jié)果如圖12所示[17],對比發(fā)現(xiàn)試驗結(jié)果低于CFD 仿真結(jié)果,但2 種結(jié)果的趨勢大致相同。這種研究方法的優(yōu)點在于風(fēng)力機(jī)位于實際流場中,對工況的還原度高,但存在的主要缺點是不能人為地改變風(fēng)速,對自然環(huán)境的依賴程度較強。同時,由于需要搭建實際的風(fēng)力機(jī)測試系統(tǒng),研發(fā)成本較高,而且基于風(fēng)速的隨機(jī)性,受地勢、周圍環(huán)境等因素的影響,有時候測試結(jié)果未必真實反映風(fēng)力機(jī)的性能。

    圖12 試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比[17]Fig.12 Comparison of experimental results and simulation results[17]

    另一種測試試驗方法是對變槳距風(fēng)力機(jī)在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行性能測試,如圖13所示,通過調(diào)節(jié)軸流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率,可以實現(xiàn)對風(fēng)速可控調(diào)節(jié),監(jiān)測不同工況下風(fēng)力機(jī)的性能[19]。但這種方法需要制造標(biāo)準(zhǔn)化的風(fēng)洞,研發(fā)成本也比較高。

    圖13 垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)洞試驗系統(tǒng)[19]Fig.13 Wind tunnel experimental system for VAWT[19]

    張立軍等[20]研發(fā)了一種小型變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)樣機(jī),如圖14所示,利用自制風(fēng)洞,模擬了垂直軸風(fēng)力機(jī)的流場情況,對3~10 m/s 風(fēng)速下的風(fēng)力機(jī)的發(fā)電功率進(jìn)行了監(jiān)測,試驗結(jié)果如表1所示,結(jié)果顯示,變槳距風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率較定槳距風(fēng)力機(jī)的至少能提高7.86%。

    在變槳規(guī)律研究中,測試試驗法的主要優(yōu)勢是可信度大,但也存在制造成本高、研究周期長、占地面積大等不足,成為阻礙其發(fā)展的主要原因。但隨著新能源技術(shù)越來越受到重視、國家政策的支持及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的完善,變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)的測試試驗也將迎來更好的發(fā)展機(jī)遇。

    圖14 變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)[20]Fig.14 Variable pitch vertical axis wind turbine[20]

    表1 2種風(fēng)力機(jī)發(fā)電功率的對比Table 1 Comparison of power generated by two types of wind turbines

    3 變槳實現(xiàn)方法探討

    對于變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)而言,無論是采用動量模型,還是采用數(shù)值計算以及測試試驗,最終目的在于實現(xiàn)其商業(yè)化應(yīng)用。而變槳距風(fēng)力機(jī)制作的關(guān)鍵在于使其葉片槳距角的變化與所求得的變槳規(guī)律相一致,為此,國內(nèi)外學(xué)者對此也進(jìn)行了相關(guān)探索和研究,目前實現(xiàn)變槳的方法主要分為2 種:一是機(jī)械傳動變槳,二是液壓傳動變槳。

    3.1 機(jī)械傳動變槳

    采用機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)葉片槳距角調(diào)節(jié)的有效途徑。2014年,楊凱等[21]利用伺服電機(jī)的精確性和蝸輪蝸桿減速機(jī)的自鎖功能,設(shè)計了一種自主變槳式風(fēng)力機(jī),如圖15所示。其主要工作原理是:利用光電編碼器檢測風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速及葉片位置,通過變槳伺服電機(jī)調(diào)節(jié)葉片槳距角,并利用蝸輪蝸桿減速機(jī)的反向自鎖功能,保持槳距角在特定區(qū)域內(nèi)保持不變。

    圖15 變槳風(fēng)力機(jī)剖面圖[21]Fig.15 Cross view of pitching wind turbine[21]

    上述方案的局限性之一在于蝸輪蝸桿價格較為昂貴,制作成本較高。近幾年,許多學(xué)者提出了利用連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對槳距角的調(diào)節(jié)。YAMADA等[22]提出采用四連桿機(jī)構(gòu)來控制風(fēng)力機(jī)槳距角的垂直軸風(fēng)力機(jī)模型。JAIN 等[23]也提出類似的四連桿機(jī)構(gòu)模型,如圖16所示。

    圖16 連桿式變槳距風(fēng)力機(jī)模型[23]Fig.16 Model of variable pitch VAWT with connecting rod[23]

    廉正光等[24-25]提出一種采用雙曲柄調(diào)距機(jī)構(gòu)的垂直軸風(fēng)力機(jī),如圖17所示,該風(fēng)力機(jī)主要采用雙曲柄調(diào)距機(jī)構(gòu)及雙偏心軸機(jī)構(gòu)。

    圖17 基于調(diào)距機(jī)構(gòu)的整體風(fēng)機(jī)模型[24]Fig.17 Overall structure of distance adjusting mechanism[24]

    對于垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳機(jī)構(gòu)中連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計重點在于各段桿長的確定。張立軍等[20]采用隨機(jī)方向法對一種雙曲柄機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,確定了各桿的桿長,得到了不同葉尖速比下變槳機(jī)構(gòu)的參數(shù)組合。雙曲柄機(jī)構(gòu)的幾何分析如圖18所示。

    圖18 雙曲柄機(jī)構(gòu)幾何分析圖[20]Fig.18 Analysis diagram of double crank mechanism[20]

    采用機(jī)械傳動方式實現(xiàn)周期性槳距角調(diào)整的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)、便于維護(hù)等,但是并不利于風(fēng)力機(jī)的大型化發(fā)展。

    3.2 液壓傳動變槳

    針對兆瓦級H 型垂直軸風(fēng)力機(jī),變槳機(jī)構(gòu)的設(shè)計需滿足驅(qū)動力大、有足夠的強度和精度等要求[26],采用液壓傳動變槳系統(tǒng),可以起到機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、驅(qū)動力大等優(yōu)點。如圖19所示,液壓變槳系統(tǒng)主要由變槳控制器、D/A 轉(zhuǎn)化器、電液比例閥和變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成[27]。其工作原理是:通過電液比例閥控制液壓缸活塞桿驅(qū)動曲柄連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)控制變槳機(jī)構(gòu)的槳距角,通過位移傳感器,將活塞桿的位移反饋給PID槳距控制器,PID槳距控制器根據(jù)槳距角的給定值和實際響應(yīng)的測量值進(jìn)行比較形成偏差,進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)放大,計算出電液比例閥的控制電壓。在此基礎(chǔ)上,再通過D/A 轉(zhuǎn)換器控制電液比例閥的輸出流量,從而驅(qū)動液壓缸活塞桿的運動,實現(xiàn)槳距角的大小調(diào)節(jié)[28]。

    圖19 液壓變槳系統(tǒng)控制圖[27]Fig.19 Control diagram of hydraulic pitching system[27]

    除可用于變槳外,液壓技術(shù)還可實現(xiàn)垂直軸風(fēng)力機(jī)的穩(wěn)壓恒頻發(fā)電。為了使垂直軸風(fēng)力機(jī)吸收更多的風(fēng)能,降低研發(fā)成本,張立軍等[29-30]提出了一種塔架式多層多軸垂直軸風(fēng)力機(jī),其結(jié)構(gòu)如圖20所示?!岸鄬印笨梢允癸L(fēng)力機(jī)充分吸收不同高度上的風(fēng)能;“多軸”可以降低風(fēng)剪效應(yīng)[31-32]對單一旋轉(zhuǎn)軸的制約,減小其旋轉(zhuǎn)軸在上下位置處的扭矩差。同時,該風(fēng)力機(jī)采用液壓傳動,不但省去了機(jī)械式變速箱和整流逆變器,并用普通交流電動機(jī)代替了永磁發(fā)電機(jī),制造成本降低了約30%,而且占地面積?。徊捎醚a償+穩(wěn)能技術(shù),系統(tǒng)能輸出(50±0.2) Hz 的恒頻率的交流電。目前該風(fēng)力發(fā)電機(jī)正處于初試階段,初步測試結(jié)果表明,基本能夠滿足并網(wǎng)要求。

    圖20 多層多軸塔架式垂直軸風(fēng)力機(jī)[30]Fig.20 VAWT with multi-layer multi-axis tower[30]

    4 變槳機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的難點剖析

    現(xiàn)階段,雖然各國學(xué)者對于變槳距H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)做了大量研究,且對于變槳規(guī)律的實現(xiàn)也提出了多種設(shè)計方案[33-35]。但目前除了用于風(fēng)速高于切出風(fēng)速時的“限速”外,垂直軸風(fēng)力機(jī)用于1周連續(xù)改變攻角進(jìn)而提高風(fēng)能利用率的變槳機(jī)構(gòu)并未得到商業(yè)化應(yīng)用,究其原因主要是在變槳機(jī)構(gòu)響應(yīng)時間、1周實時變槳規(guī)律計算、下風(fēng)區(qū)流場復(fù)雜性分析和動態(tài)失速下可靠變槳等方面存在理論和技術(shù)瓶頸,機(jī)構(gòu)實現(xiàn)起來非常困難,尤其是對中小型垂直軸風(fēng)力機(jī)。

    4.1 變槳機(jī)構(gòu)響應(yīng)時間

    圖21 變槳系統(tǒng)控制流程圖Fig.21 Control flow chart of variable pitch system

    目前的變槳系統(tǒng)控制流程圖如圖21所示,變槳結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主要包括感應(yīng)機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、機(jī)械與執(zhí)行機(jī)構(gòu)等多個環(huán)節(jié),而且存在閉環(huán)控制,很難實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)。特別是對于中小型垂直軸風(fēng)力機(jī)而言,風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速高,對應(yīng)葉片攻角的變化頻率較快。以上海麟風(fēng)風(fēng)能科技有限公司所生產(chǎn)的小型垂直軸風(fēng)力機(jī)為例,風(fēng)力機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表2所示。由表2可知:這些小型風(fēng)力機(jī)方位角的變化頻率較高,如額定功率為3 kW的風(fēng)力機(jī),在額定風(fēng)速和額定轉(zhuǎn)速下,方位角每變化10°,僅需要0.015 s[36]。由于風(fēng)速的隨機(jī)變化、葉片的慣性、連接機(jī)構(gòu)間的間隙、外部環(huán)境等因素的影響都會限制整個變槳機(jī)構(gòu)在實際運行中的反應(yīng)速度,因此,變槳系統(tǒng)很難在較短時間內(nèi)適應(yīng)快速的風(fēng)速變化而完成葉片攻角的改變。

    表2 小型垂直軸風(fēng)力機(jī)相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of small vertical axis wind turbine

    4.2 1周實時變槳規(guī)律

    在額定工況下,上述麟風(fēng)3 kW 垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉尖速比λ=0.86,在該葉尖速比下,葉片攻角的1 周變化規(guī)律如圖22所示。由圖22可知:當(dāng)方位角變化10°時,在大部分方位角下攻角變化5°左右,且在方位角θ=180°附近,攻角發(fā)生跳變。因此,在極短時間內(nèi),葉片攻角變化范圍較大。

    而在實際工作狀態(tài)下,通常來流風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向都在實時變化。風(fēng)速的改變帶來風(fēng)力機(jī)葉尖速比的變化,而在不同葉尖速比下,風(fēng)力機(jī)的攻角變化規(guī)律和槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律不同;風(fēng)向的改變帶來葉片所處方位角的變化,而1周變槳規(guī)律強調(diào)在每個方位角處,葉片都對應(yīng)1個槳距角理論調(diào)節(jié)值,在這個理論調(diào)節(jié)值下對應(yīng)最佳攻角。因此,在實際工況下,為維持風(fēng)力機(jī)較高的輸出功率,每個時刻對葉片轉(zhuǎn)動角度的調(diào)節(jié)值都不盡相同。而如何快速識別風(fēng)速隨機(jī)變化,確定葉片實時所處方位角,然后再計算槳距角調(diào)節(jié)值,已成為變槳機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的難點。

    4.3 下風(fēng)區(qū)流場計算復(fù)雜性

    圖22 葉尖速比λ=0.86時攻角變化規(guī)律Fig.22 Rule of attack angle with blade tip velocity ratioλ=0.86

    與水平軸風(fēng)力機(jī)相比,垂直軸風(fēng)力機(jī)流場結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,屬于典型的大分離非定常流動,且葉片在上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)要2次受到來流風(fēng)的作用。當(dāng)氣流經(jīng)過上風(fēng)區(qū)葉片到達(dá)下風(fēng)區(qū)時,出現(xiàn)了擾流現(xiàn)象,此時下風(fēng)區(qū)各個方位誘導(dǎo)速度發(fā)生了改變,且方向也與來流風(fēng)方向不同。由于下風(fēng)區(qū)流場分布復(fù)雜,雙致動盤多流管理論已經(jīng)很難完全反映誘導(dǎo)速度方向的變化,故在對垂直軸風(fēng)力機(jī)1周變槳規(guī)律制定時,下風(fēng)區(qū)槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律很難準(zhǔn)確得到。而目前關(guān)于垂直軸風(fēng)力機(jī)的分析,大都假設(shè)了垂直軸風(fēng)輪下風(fēng)區(qū)各個方位的誘導(dǎo)速度方向不變,這樣的假設(shè)雖簡化了計算,但研究結(jié)果不能完全真實反映實際情況。

    本文作者將動量模型和數(shù)值計算技術(shù)相結(jié)合,在下風(fēng)區(qū)提出了局部葉尖速比的概念,并重新建立了下風(fēng)區(qū)葉片攻角的計算模型[9],如圖23所示。

    定義下風(fēng)區(qū)局部葉尖速比X’為

    圖23 下風(fēng)區(qū)葉片攻角分析模型Fig.23 Blade angle of attack analysis model in downwind area

    根據(jù)圖23所示的幾何關(guān)系,得到下風(fēng)區(qū)葉片攻角的計算公式為

    利用數(shù)值計算對推導(dǎo)出的垂直軸風(fēng)輪下風(fēng)區(qū)攻角的計算公式進(jìn)行了驗證,在此基礎(chǔ)上制定了下風(fēng)區(qū)攻角調(diào)節(jié)策略。需要指出的是,這種方法是本文作者的一種合理嘗試,由于下風(fēng)區(qū)流場的復(fù)雜性,目前關(guān)于下風(fēng)區(qū)槳距角調(diào)節(jié)策略的研究還尚不成熟,或許需要進(jìn)一步建立針對下風(fēng)區(qū)流場精確計算的新方法。

    4.4 動態(tài)失速下實時變槳控制規(guī)律

    4.4.1 風(fēng)力機(jī)運行中動態(tài)失速現(xiàn)象的發(fā)生情況

    動態(tài)失速是指在進(jìn)口來流攻角快速變化的過程中,風(fēng)輪葉片所表現(xiàn)出的與靜態(tài)風(fēng)洞實驗完全不同的氣動特性[37],是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)低尖速比下運行時的必然結(jié)果[38]。NACA0012翼型在動態(tài)失速下上下風(fēng)區(qū)的失速攻角為17°和-17°[39]。圖24所示為在葉尖速比為0.5,1.0 和2.0 時該翼型攻角隨方位角的變化趨勢以及在這些葉尖速比下風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)1周時失速區(qū)的位置和大小??梢娙~片主要工作在失速區(qū),且葉尖速比越低,失速區(qū)越大,這與相關(guān)研究結(jié)論是一致的[37]。由圖24可知:λ=0.5時失速區(qū)占1周方位角的比例約為80%,此時葉片周圍出現(xiàn)分離流場,受到的氣動阻力急劇上升,攻角調(diào)節(jié)更加復(fù)雜。另外,現(xiàn)有的葉片動態(tài)氣動性能相關(guān)實驗數(shù)據(jù)較少,這也極大地制約了垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳規(guī)律的突破性研究。

    圖24 3種葉尖速比下葉片攻角變化規(guī)律及失速區(qū)Fig.24 Variation of blade angle of attack and stall zone under three tip velocity ratios

    4.4.2 考慮動態(tài)失速下實時變槳規(guī)律

    本文作者基于美國Sandia 國家實驗室動態(tài)失速下測得的風(fēng)力機(jī)實驗數(shù)據(jù)與風(fēng)洞靜態(tài)實驗結(jié)果[40-41],以獲得風(fēng)輪的最大切向力為目標(biāo),得到了垂直軸風(fēng)力機(jī)在上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)的最佳理論攻角。理論上,當(dāng)風(fēng)力機(jī)以最佳攻角運行時,將不再有動態(tài)失速的現(xiàn)象產(chǎn)生。基于雙致動盤多流管理論進(jìn)行Matlab編程計算,給出了垂直軸風(fēng)力機(jī)1周變槳距規(guī)律,變槳前后風(fēng)輪切向力對比如圖25所示。從圖25可知:利用該變槳距規(guī)律得到的風(fēng)能利用率可以由34.6%提高到42.8%。這說明這種變槳距規(guī)律能夠較好地提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的切向力,進(jìn)而增加風(fēng)輪的轉(zhuǎn)矩[39]。

    圖25 變槳前后風(fēng)輪所受切向力對比Fig.25 Contrast of tangential force before and after pitch angle adjustment

    5 未來發(fā)展

    近幾年關(guān)于變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究發(fā)展迅速,隨著流體理論的完善、計算流體技術(shù)的進(jìn)步和實驗經(jīng)驗的積累,垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳技術(shù)將會越來越成熟。未來幾年,“大型化、高效率、低成本”仍將是垂直軸風(fēng)力機(jī)發(fā)展的主要趨勢,盡管大型化垂直軸風(fēng)力機(jī)由于高度較高,所受風(fēng)剪效應(yīng)的影響較大[42-44],主軸偏振劇烈[45],但是其轉(zhuǎn)速下降,對變槳調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時間可能要求變低,因此,新的流場模型的建立和空氣動力學(xué)理論的提出,更準(zhǔn)確合理的槳距角調(diào)節(jié)規(guī)律和更可靠經(jīng)濟(jì)的變槳機(jī)構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)的研發(fā),都將成為未來變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)的研究熱點和難點。

    同時,未來風(fēng)電發(fā)展也將會是大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的時代,數(shù)據(jù)是一種潛力巨大、影響深遠(yuǎn)的能源,為盡快地利用這種能源,一些風(fēng)能公司創(chuàng)建了大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺,利用多種傳感器融合技術(shù),廣泛采集機(jī)組運行數(shù)據(jù),建立運行數(shù)據(jù)庫和風(fēng)資源數(shù)據(jù)庫,預(yù)先感知運行狀態(tài),為機(jī)組長期穩(wěn)定高效運行和優(yōu)化升級提供理論支撐。該技術(shù)在H 型變槳式垂直軸風(fēng)力機(jī)上應(yīng)用的可行性在于:通過大數(shù)據(jù)平臺的創(chuàng)建,可以快速根據(jù)來流風(fēng)風(fēng)速及風(fēng)向預(yù)先感知風(fēng)力機(jī)的流場情況,從而得到槳距角的調(diào)節(jié)值,調(diào)動變槳機(jī)構(gòu)提前響應(yīng),以彌補響應(yīng)時間的遲滯性。

    此外,為提高垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用效率,除設(shè)計單一變槳機(jī)構(gòu)外,各國學(xué)者還致力于研究基于新材料的翼型智能柔性變形技術(shù)[46]、風(fēng)輪外圍大區(qū)域流場實時控制[47]及采用輔助設(shè)備[48]向高空收集高風(fēng)能等新思想,基于新材料和信息技術(shù),探索開發(fā)智能風(fēng)力機(jī),這些途徑都將為垂直軸風(fēng)力機(jī)的商業(yè)化應(yīng)用起到一定的推動作用。

    6 結(jié)論

    1)變槳技術(shù)的核心在于通過調(diào)節(jié)槳距角以使攻角維持在最佳角度,從而獲得較高的翼型升阻比以提高風(fēng)力機(jī)性能。目前對于垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳規(guī)律的研究方法主要包括動量模型法、數(shù)值計算法和測試試驗法等,其中,數(shù)值計算法是H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)變槳技術(shù)研究的主流方法。

    2)無論是采用機(jī)械傳動變槳,還是液壓傳動變槳,局部方位角變槳或全方位角變槳未能應(yīng)用于工程實際中的主要難點在于:變槳控制系統(tǒng)的復(fù)雜性導(dǎo)致系統(tǒng)整體響應(yīng)時間較長,無法適應(yīng)風(fēng)速風(fēng)向的快速隨機(jī)變化;葉片攻角的不斷改變、方位角位置變化,以及實際工況下葉尖速比的波動,使得1周變槳規(guī)律實現(xiàn)很困難;葉片在上風(fēng)區(qū)和下風(fēng)區(qū)2次掃掠來流風(fēng),導(dǎo)致下風(fēng)區(qū)的誘導(dǎo)速度分布很復(fù)雜,給下風(fēng)區(qū)變槳規(guī)律的理論計算帶來了技術(shù)瓶頸;動態(tài)失速下實時變槳控制規(guī)律的研究更復(fù)雜,目前僅限于理論研究,且受限于動態(tài)氣動性能相關(guān)實驗數(shù)據(jù)的缺乏。

    3)目前,商業(yè)化小型H 型垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率為30%~35%,隨著變槳技術(shù)從原有的僅限于“限速”作用,逐漸地向局部方位角變槳,再到全方位角變槳方向演變,風(fēng)能利用率也將逐步提高。同時,隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展,風(fēng)場外圍大區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)將會被提前預(yù)知;智能柔性變形機(jī)翼技術(shù)、智能材料與結(jié)構(gòu)和新型傳感控制技術(shù)的快速發(fā)展,將催生智能風(fēng)力機(jī)的誕生?;谶@些技術(shù)的融合,未來全方位角變槳技術(shù)真正應(yīng)用于大型垂直軸風(fēng)力機(jī)的可能性將會更大。

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