垂直轴风力发电机组应力与效率分析

垂直轴风力发电机组应力与效率分析
作者：佚名转贴自：中国电力设备管理网点击数：更新时间：2007-6-20
[摘要]本文主要介绍了双型垂直轴风力发电机组的结构与性能，根据实地试验数据，分析应力和风机的效率，提出了完善系统的参数、提高风力发电机组对风能充分利用率的方案。

[关键词]风能利用系数，垂直轴，风力发电
一、引言：
火力发电虽然是我国发电产业的主要形式，但是火力发电能源消耗大、污染严重，不符合国家倡导的节约社会和能源可持续发展的战略，所以风力发电越来越受到人们的重视和青睐。

我国近年来大力发展风力发电，使之成为我国电力工业的一个方面军，不仅是能源开发的需要，也是环境保护的需要。

风力发电对环境的正面影响是不言而喻的，它不仅可以保护我们人类赖以生存的大气环境、减少污染，也可以保护我们的土地免受过度开发的灾难，最可贵的是风电环境的负面影响非常有限，这可以使人类与自然界友好相处，在地球上真正实现可持续发展的目标。

风力发电包括机械结构和实时监控两部分，在50kW风力发电系统中，其叶轮最大直径9米，叶轮高度19.2米。

叶轮自重4.2吨。

在1.5MW风力发电系统中，叶轮最大直径 58米,叶轮高度将达到116米，叶轮自重120吨。

由于装卸困难，维修成本高，一旦损坏，整个风力发电系统将瘫痪，所以对整个轮轴和叶片的受力分析和监控显得尤为重要。

以50KW双型垂直轴风力发电机组的风轮垂直轴为中心旋转，捕捉的风能通过垂直的主轴传到地面的齿轮箱和发电机组。

与水平轴风机相比，垂直轴风机在制造、安装、维护和抗疲劳性能方面都有较大优势。

这台风机现在安装在内蒙古乌兰察布市化德县内，这种垂直轴风力发电机组在国内是第一例，现在正处于研发阶段，并没有投入大批量生产。

本文以此为基础，主要针对垂直轴风力发电系统，通过采集的测试数据，分析它的性能和效率。

现存的风力发电系统大都是水平轴的，其受到风力风向的限制，虽然在迎风方向，水平轴的效率要高于垂直轴，但是，风向发生变化后，水平轴风机的效率将会降低。

所以，从一个水平轴的风电场可以发现，背风的水平轴的风力发电机组是不工作的，迎风的水平轴发电机组工作，而且，水平轴的发电机都安装在顶部，增加了电缆的长度和维护成本。

二、垂直轴系统结构
在国外，垂直轴风轮叶片一般是等截面，单troposkien（）曲线，对于50KW风机风轮叶片是等截面双troposkien曲线（如图1所示）。

在相同的外形尺寸下，扫风面积增大15%，大大提高了气动效率和输出功率。

图1 50KW 风力发电机组
垂直轴的结构，主要分为风轮支撑装置、制动系统、传动系统、发电机及其控制系统四大部分（见图1）
风轮支撑装置：顶部轴承装置设在风轮上端，由四根张紧的另一端固定于地面的斜拉钢丝绳支撑风轮，并保证风轮主轴的垂直；下部轴承装置承受来自风轮主轴的垂直力。

制动系统：盘式制动器设在高速刹车盘上，通过齿轮箱实施制动。

传动系统：包括联轴器、传动轴、齿轮箱、轴承等组成传动系统，膜片联轴器作为软连接传递扭矩。

发电机和控制系统：包括启动和刹车控制，测试与PLC采集传输，润滑系统和监测报警。

采用发电机励磁和软并网控制。

其中叶片是扁锥形的，从它的横截面可看出分三层结构，内层是钢心轴，用于加固叶片，中间层是发泡材料，其作用是缓冲拉力，外层是玻璃钢蒙皮。

在该系统中，采用了欧姆龙机型的PLC控制，实现了只启动小电机发电和大、小电机相互切换发电。

一般情况下，小电机的额定转速是63转/分钟（rpm）。

大电机的额定转速是95转/分钟（rmp）。

从图1的结构可以看出，垂直轴风机的一个特点是控制中心在地面，便以运行人员的控制。

相对于水平轴风力发电机来说，节约了一定的运营成本。

但垂直轴的占地面积较大，并且需要钢丝绳固定。

这样就会给轴承造成一定的压力，影响轴承的寿命。

三、检测界面
轴的扭剪和弯曲检测分析：
轴的扭剪和弯曲对轴的正常运行有比较明显的影响。

风机在运行状态下，轴受到的扭剪和弯曲的应力的实时波形的对照图如图2所示。

现场测试时，在100s时刻启动风机，分别在150s、220 s、300s时刻增加变频器的功率，瞬间提高转速。

由图可见，风机启动时，噪音较大，扭剪和其它应力的瞬间值变化很大，在150s、220 s、300s变速过程中，受力略有变化，当达到匀速的时候，受力平稳。

直到400s开始停车时，应力的变化较明显。

图2 轴上应力时域波形
四、系统分析
在风力发电系统中，使用了大量的传感器，以便更好的采集数据。

其中在风机上，使用了风向传感器；在转轴和叶片上安装的加速度传感器和应力传感器；在刹车片上安装的温度传感器；在金属架底座上安装了位移传感器；在控制机柜里安装了湿度传感器；在用于固定轴的钢丝绳上，安装了拉力传感器；在轴的上面还安装了扭矩传感器。

在测试过程中，PLC控制器会通过各个传感器采集到大量的数据，并且把采集到的数据通过以太网传输到工控机上，进行数据处理，描绘出相应的曲线。

目前风机的主要侧重点在于效率的提高及轴和叶片的受力。

这要通过对风轮做ANSYS有限元模态分析计算、机械功率计算和CP值计算，并且与实验数据进行比较来分析。

下面就三种计算方法来分析：
机械功率计算方法
机械功率是通过扭矩和风轮转数数据计算得到，具体公式为：
(1)
式中 C : 扭矩，Nm ;
n : 风轮转速，rpm。

得到数据后，在同一风速下取平均值。

Cp值计算方法
Cp 是风机的风能利用系数，是风机的风轮能够从自然风能中吸取能量与风轮扫过面积内未扰动气流所具风能的百分比。

其计算公式为：
(2)
式中：当地空气密度, kg/m3 ;
S ：风轮扫风面积, m2 ;
V ：上游风速, m/s。

尖速比值计算方法
尖速比表示风轮运行速度的快慢，常用叶片尖端线速度与来流风速之比来描述。

其表达式为：
(3)
式中 n ：风轮转速，rpm ；
R ：叶尖半径，m ；
V ：上游风速，m/s ；
：风轮角速度，rad/s。

图3理论计算的风能利用系数和尖速比的关系
从图上可知，理论上，在风速为13m/s的时候，最大值可以达到0.44, 所对应的尖速比值为4.3。

此时风机的效率最高，发电量最大；当风速慢慢变小，Cp值也会随之波动变小，风机的效率也就随之慢慢降低。

在实地测量数据时，会由于风机风阻等不定因素的影响，实际测量值和理论值会有所变化。

在实际测量中，我们得到的最大Cp值为0.32，和理论上计算得到的Cp值（经过反复检验，我们认为这个Cp值为理论不记损失的真实值）相差约72%，因此得到气动损失系数约为28%。

现场实际测量的曲线图如下：（如图4所示）
图4 现场实际测试数据结果
通常风机的开始发电的启动风速为5m/s,当风速达到最大13m/s的时候，小风机的输出功率最大，能够达到9kW以上。

通过PLC命令实现机组的启动和关机程序，发电机的软并网控制，风速、风向和风轮转速实时监视。

根据以上的分析数据分析，能使风力发电机组的运行参数保持在的正常运行范围内，对风力发电机组的控制，使风力发电机组有效、安全的运行，降低机组所受的应力水平，但风机的效率偏低，从公式（1）可以看出，效率与扭矩成正比，经过反复试验发现，每一次高速采集程序采集到的扭矩值都有一个零飘值，使得公式计算的扭矩值存在较大的误差，经过扭矩调零点后，效率有所提高。

参考文献：
1．《新能源发电技术》王长贵崔容强周篁主编中国电力出版社 2003年10月第一版2．21世纪可持续能源丛书——风能开发利用，张希良主编化学工业出版社2005年1月第一版3．风力发电机组规范贺德馨田野等人民交通出版社 2003年3月第一版4．可编程序控制器 SYSMAC CJ 系列操作手册 2002年10月修订。

5．面向对象的理论与C++实践王燕编著清华大学出版，1997年2月第一版6．Templin, R.J. and Rangi R.S. , “Vertical –Axis Wind Turbine Development in Canada,” IEEE Proceedings,Vol.130,Part A,No.9,December 1983。