一种新型海洋风力发电装置

一种新型海洋风力发电装置

王萌1 ,杨浩2  ,郑雪锋3 ,张雨彤4

重庆交通大学，航运与船舶工程学院 重庆 400074

摘要：在目前全球碳中和的大背景下，海上风电需求确定性逐步上升。海上风电作为一种清洁能源，具有距离用电负荷近、发电稳定、不占用陆地土地资源等优势，在中国发展市场前景广阔。我国现有的海上风力发电机大部分是水平轴风力发电机，需要调整迎风角度，占地面积较大，安装比较麻烦，而垂直轴风力发电机相较于水平轴发电机对风的转向没有要求，叶片转动空间小，抗风能力更强（可抗12-14级台风），启动风速小维修保养简单等优点。传统的垂直轴风力发电机具有发电效率低、安全性较低等不足。因此，本团队设计一种新型海洋风力发电装置，采用“V”型风机叶片形状，通过Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程，采用k-ε湍流模型和SIMPLE算法，结合MRF复合坐标系技术，模拟垂直轴风力机(VAWT)的流场特性计算出最合适的叶片夹角与叶片长度,得出最佳的迎风角度，。在减少用材的同时，将风能的利用率大大提高。大力发展海上风电市场，不仅可以满足东部用电需求，还会加快我国绿色发电的步伐，是推动沿海经济发达区能源转型的重要手段，具有深远的现实意义和经济意义。

关键词：新型风力发电装置、效率提高、安全性能高、首次提出“V”形叶片结构

1.研制背景及意义

1.1研究背景

在全球碳中和背景下，海上风电需求确定性逐步上升。2015年《巴黎协定》提出2050年碳减排目标，各国能源转型进程有序推进，全球新能源确定性需求持续抬升，风电累计装机稳步上涨，新增装机创历史新高。2021年我国出台《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》、《2030年前碳达峰行动方案通知》重要文件，对海上风电发展提供政策依据。

1.2 国内外现状分析

长期以来，行业内认为垂直轴风机相比水平轴风机成本高，无法在商业化大型风场中使用，但最近一项来自英国牛津布鲁克斯大学的研究表明，在大型海上风电场中，垂直轴风机比当今主流的水平轴风机效率更高。国内海上风电发展起步较晚，对垂直轴风电机组的研制技术还处于初级阶段，但整体呈上升趋势，20世纪80年代国内曾建造过单机容量仅有几千瓦的小型垂直轴风机，2007年9月成功研制由西峡瑞发水电设备公司与哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的1.5MW的垂直轴风力发电机组。尽管目前国内垂直轴发电机的市场应用以及相关技术还处于初级适应与探索阶段，但在国家大力发展海上风电的热潮下，我国垂直轴海洋发电机依旧具有很好的市场潜力。

1.3研究内容

本团队首次提出“V”型叶片设计，通过Fluent软件求解三维定常不可压N-S方程，采用k-ε湍流模型和SIMPLE算法，结合MRF复合坐标系技术，模拟垂直轴风力机(VAWT)的流场特性计算出最合适的叶片夹角与叶片长度,得出最佳的迎风角度，其中整个设计通过底座和特殊连架杆连接进行转动，同时叶片与主杆之间具有一定角度，使得在旋转时，风力效率达到最高。整体具由一个自由度，可以进行全方位的旋转迎风发电，底座安装发电机，实现动能与电能的转换。

同时底座有四个支撑，使得在海洋更加稳定与适应海洋平面的不稳定性。其特点是可以利用特殊空气动力学原理，在低风速时也可以产生较大的发电量，利用率更高、启动风速更低，噪在一定程度上，防止漏风情况发生。

1.4 研究意义

在国内海上风电正处于高速发展阶段时期，如何降本增效推动海上风电的进一步发展受到越来越多的关注。本项目设计了一种新型海洋风力发电装置，将采用“V”型风机叶片形状，在实现实现叶片轻量化、节省用材以达到降低成本目的的同时相较于传统的叶片安全性能更高，叶片更加牢固，能够抵抗高强级风，对风能利用效率更高，具有深远的经济意义和社会意义。

2.支撑作品的现有理论与技术

2.1现有理论

阻力型垂直轴风力发电机有两个基本特征：一是其风轮的转轴与风向相互垂直；二是利用风对叶片产生的阻力（风对叶片作用力的其中一个分力）来驱动风轮。它能适应任何风向，无需对风装置，具有结构简单[1]、运行可靠、安装维护方便[2]等优点。

当前，有关阻力型垂直轴风力发电机风轮设计的研究重点是如何提高风轮的风能利用率，形成的主要技术措施有：

（1）阻力差技术：利用两个叶片的凹面和凸面对风时的阻力差而使风轮产生转动。改进的焦点是设法提高风轮受到的阻力差，即尽量增大其对风时产生的转矩，设法减少其反向转矩。

（2）屏障技术：在风轮的其中一侧固定安装半圆筒挡风屏障，使风轮的这一侧不接受风力，而风轮不安装挡风屏障的另一侧则正常对风，形成驱动风轮的力矩，使风轮沿某一设定方向转动。

（3）叶片组合技术：例如，在风轮均匀安装3个或3个以上相同的半圆筒叶片的基础上，垂直加装同高度、同数量的适当位置和方向的方形平板，通过发挥不同类型叶片的长处，改善风轮整体风能利用率。

基于以上原理本团队在对基本的垂直轴发电机进行更加细分的研究与探索，最终研究了倾角、弦长、锥度等多个方面对气动性能的影响，最终提出了V-VWAT的主要外观结构。

2.2 基本理论计算

传统阻力型垂直轴风力发电机存在风能利用率偏低[3]，起动时有对风“死角”，噪声偏大等系列问题。其主要原因是其风轮设计存在以下缺陷。根据调查发现，相较于传统的而言，新型的“V”型有更加明显良好的效果。

通过对风压的对不同高度的时候的变化能力插入计算公式得到二次的模型理论分析：

(1)

式中：—风压,kN/m2；—基本风压,kN/m2;—分压高度变化系数；—风压体型系数，风轮取2.9；—风振系数。

基本风压计算公式为：

(2)

式中：—空气密度，取1.255kg/m3；—空气容量，标准大气压下=0.012kN/m3；=9.8m/s2；为风速,m/s。

垂直轴风力发电机运转时能承受得最大风速为32m/s。由此计算出基本风压为0.64kN/m2。风振系数计算公式为：

(3)

式中：为脉动增大系数，取1.88；为综合影响系数，取0.11；为结构外形系数，取0.79。由此计算出为1.16。

风压高度变化系数计算公式为：

（4）

式中：—风机高度，取10m。由此计算出为1。

2.3 模拟仿真

在以不同风速（8.41、10.54、11.98风速）为应变量，分别对不同支撑角夹角下进行实验分析，与发电效果比对，最后得出在130°的夹角、三个对应维度的风速下，所展示的静压与速度关系都能够适应。

以风机实际旋转为例子，测定风机在旋转的时候流场的变化角度，通过不同位置的欧拉方程得出相对应的关系，以理想气体的流动为例，根据以下方程得出相应结果与风机在1.5rad/s的速度自转下的流线图。

总流能量方程：

  （5）

恒定总流能量方程：

元流：   （6）

总流：   （7）

由方程可得仿真图：

图2 静压图（俯视）

最终的数据如下：

杆长：35cm叶片长：14cm

V型夹角：130°叶片夹角：75°

在自转1.5rad/s下的新型V字垂直轴风力发电机模型与传统垂直轴风力发电机模型进行对比实验，得出新型V字型垂直轴发电机有更好的发电效率，经过对比分析,垂直轴风力机（VAWT）因其固有特性非常适合海上风能的开发和利用。主要是因为其设计简单,并且沉重复杂的机械部件如发电机、齿轮箱等均置于低处,大大降低了安装,运行和维护的成本。

3.实验测试与数据

3.1最优角实验

为了得到V字形支撑杆的最佳夹角，我们进行了三组对比实验，利用增量式光电旋转编码器配合STM32单片机测量风机的旋转速度，以此来衡量不同夹角v字形风机的发电效果。

实验数据：

图3 实验数据图

3.2 发电效果实验

风机模型与金属增速箱连接，并固定在带有整流桥的120v直流发电机上。当风机受力旋转，增速箱将风机转速放大并传递给发电机产生交流电，经过整流桥整流后，即可输出直流电。为反映新型发电机发电效果，采用控制变量法将新型V字垂直轴风力发电机模型与传统垂直轴风力发电机模型进行对比实验。

在相同风况下，V字形风机的转速和直流开路电压都要优于传统垂直轴风机。故而V字形风机的发电效果整体优于传统三叶垂直轴风机。

4.创新点及应用

4.1 创新点

（1）首次提出“V”型结构

（2）节能省材低碳环保。

（3）低重心设计抗倾覆能力强。

4.2应用范围

（1）可广泛应用于沿海地区等海上风力强劲且需电量大（如长三角等）地方。由于其占用空间小、效率高等优势，在许多小范围需电地区也可灵活应用，比如城市用电、乡村用电等。

（2）可应用于离海岸较远的深海地区，深海地区环境更加恶劣对风力发电机的要求更高，若采用水平风电机将产生大量的人工费用、维修费用等财力，同时也将耗费大量的人力和物力，此发电机凭借其安全性能高、抗风能力强、维修保养简单等独特优势，能够有效的解决深海风力发电的问题。

参考文献

[1]何大伟，吴国庆，陆彬，等.垂直轴风力发电机主轴结构优化设计[J].机械设计与制造，2018(2):199-201,205.

[2]张立军，赵昕辉，马东辰，等.垂直轴风轮阻力型支撑杆研究[J].中国机械工程，2017,28(12):1449-1455.

[3]金鑫，甘洋，杨显刚，等.带有挡流板的垂直轴风力发电机性能优化研究[J].太阳能学报，2018,39(7):1995-2002.