新型城市微風發電裝置﹡

文 | 李濱海，季豐，秦洪艷

隨著風電產業的逐漸普及和深入人心，風電技術發展所面臨的問題也日益突出。雖然現在全球風電裝機容量已經超過了30萬MW，但是能夠提供實際使用的電能卻遠遠達不到這個數量級。當前風電技術主要針對高風速大容量地區，所以在現階段，幾乎所有商業化運行的風電場都位于遠離人口聚居地的偏遠地帶，并且多數是常年刮大風的惡劣氣候地區。由此帶來了基礎建設、電力輸送、監控管理、設備維護、安全運行和使用壽命等諸多方面的難題。這些問題不僅大大增加了風電技術的難度，還提高了風電的使用成本，使得本無成本的風能發出的電價卻超出了傳統的火力發電電價。

自然環境中風力的變化和不連續性也給風電的應用造成了困擾。風電直接接入傳統電網會造成明顯的電力波動，大量風電的接入可能導致傳統電網的癱瘓。為了充分利用新能源，打造節能型社會，世界各國都在發展智能電網技術。然而在風電能源的接入方面，我國還有待重大突破。

面對以上困境，風電技術發展出現兩極分化的趨勢。一方面，傳統風電技術向超大型高速風電機組發展；另一方面，小型微風低速發電機正在逐漸興起。低速微風發電機具有寬泛的適應性和靈活性，正逐漸向城市地區滲透。城市是人口聚集的地區，電力需求最大。在城市地區現場發電，就地使用將非常有效地解決風力發電成本過高的問題。因此，微風發電對于擴大風電技術的應用范圍，降低實施難度和使用成本等方面起著日益重要的作用。

本文根據在城市中風力觀測的實際結果，針對性提出城市型風電機組的特殊設計要點，并設計和制作了樣機，驗證了實際使用性能。

城市型風電機組設計要點

當前的微風發電機組主要針對風能資源相對不太豐富的地區。根據《JB/T 9740－1999低速風電機組》標準規定，低速風電機組起始工作風速4m/s，額定工作風速6m/s－9m/s。而這個工作條件，對于全國大部分城市而言，尚難以滿足。為了掌握城市風電場的實際特性，以便針對性設計適合城市環境的微風發電機組，在前期項目中專門針對城市風力環境進行了監測、統計和分析。根據分析結果，總結出以下需要解決的不同于傳統風力發電技術要求的關鍵問題：

（1）風速很低。根據對城市中居民樓抽樣的統計，全年平均風速低于1m/s。全年風速超過2m/s的時間段僅有1/5，不超過2000h。因此，城市地區屬于風能資源貧乏區。

（2）風力連續性很差，風向變化頻繁。對于水平軸風電機組而言，頻繁對風將浪費很多寶貴的工作時間。

（3）城市內部風電場屬于完全的湍流區域，普通風電機組無法正常工作。

（4）擁擠的城市中寸土寸金，風電機組難以獲得大范圍的工作場所。

這些問題都是導致傳統風電機組無法在城市中使用的直接原因。要想將成熟的傳統風力發電技術應用到城市中來，就必須找到針對以上問題的技術方案。

城市型風電機組的新結構

一、提高風速和風能密度的結構

傳統風電機組發電技術也已成熟，但是最低3m/s以上的工作風速使得傳統風電機組在城市地區幾乎無用武之地。許多前人在發展低風速風電機組方面做出了很多研究。其中收縮器和擴散器因結構簡單、效果明顯而被廣泛應用。

圖1為同時具有收縮器和擴散器結構的集風罩示意圖，可以用薄板制作。氣流從收縮器進入，經過中間狹窄通道后從擴散器流出。根據質量守恒定律：

V1A1＝V2A2＝V3A3＝Q

式中：V1、V2、V3分別為入口、管道中部、出口處的氣流速度；

A1、A2、A3分別為入口、管道中部、出口處的橫截面積；

Q為氣體流量。

集風罩內的氣流是連續的，由于A1和A3的截面積大于A2，所以管道中部的氣流速度V2要高于V1和V3。在集風罩中部安裝風電機組就可以捕獲到較高的風速。同理，根據熱力學第一定律，能量都是守恒的。管道中部和進出口處的總能量是一樣的，這樣在面積較小的管道中部就獲得了較大的風能密度，有利于風電機組的啟動和工作。無論是收縮器還是擴散器，都可以將大面積的風能向小面積流道內集中，提高中央風道的氣流速度和能量密度。因此，合理利用收縮器和擴散器，可以在較低的環境風速下實現風輪處通過較高的氣流速度，從而實現傳統風電機組工作風速的下延。集風罩中間的收縮管道可以做成圓形，也可以做成方形。圓形適用于水平軸式風電機組，方形適用于垂直軸風電機組。

直接計算集風罩提高風速和風能密度的程度是困難的。制作樣機進行實驗可以得到參考數據。圖2是用鍍鋅鋼板制作的簡易集風罩在室外自然風環境中測試的結果，大約可以提高風速1.5倍。

二、萬向迎風結構

垂直軸風電機組通常具有萬向迎風能力，無需進行對風操作，但其效率較低。多數風電機組采用水平軸結構型式來獲得高效率，但不適合風向多變的場合。在城市中想要采用高效率的水平軸式風電機組，就必須配備萬向進風結構。圖3所示為具備雙向各90°進風角度的集風罩，在進風口安裝數個向心布置的導流板，可引導迎風面大約90°范圍內的來風進入中間管道，推動風輪旋轉。該結構可實現固定位置的風電機組雙向180°角迎風。此時用另一個集風罩垂直交叉布置時，便可實現360°全向迎風。圖4為完整的萬向迎風結構，擁有兩個集風罩，內部裝有兩個風電機組。對于任意方向來風，至少有一個風電機組進行工作。兩個風電機組并聯輸出。

圖1 同時具有收縮器和擴散器結構的集風罩

圖2 集風罩在室外環境中測試提速效果

圖3 氣流在安裝導流板的集風罩內流動路徑

圖4 萬向迎風結構工作原理

三、湍流環境的適應能力

城市中大量建筑物的存在導致城市風電場為完全的湍流狀態。湍流流經圖3和圖4 所示的導流式集風罩時，會在導流板的作用下部分轉化為定向流動的穩流，從而有效驅動風電機組。因此，普通風電機組加裝集風罩后便可在湍流中工作。

四、電力輸出特性

傳統家用和商用電力線路為380V三相交流電路。目前的商用風電機組大多可以接入電力線路，但控制電路復雜，并不可避免地產生沖擊，影響線路穩定性。

新型微風發電機組主要針對城市風電場設計使用，可利用風能很少，難以接入傳統電力線路加以利用。如果通過蓄電的方式建立自身的低電壓系統，一方面可以減少電壓轉換帶來的能量損失，另一方面可降低新建電力線路的安全等級要求。小能量的低電壓系統可以為節能照明、綠色電器、各種蓄電池等提供清潔能源。可以預計：低電壓系統的建設成本低，安全性好，使用維護簡單。因此便于改造和推廣。這樣的電力系統可以方便地布置在建筑物周圍，實現風電的近距離使用。

樣機設計計算

為了獲得新型微風發電機組的實際工作性能，必須設計和制作樣機進行試驗分析。

一、總體設計參數

根據城市風電場特性確定新型風電機組結構之后，還需要設計和制作樣機來驗證可行性。與傳統風電機組向大型化方向發展不同，城市風電機組受湍流的影響非常大。城市中湍流的尺度和建筑物外表的形狀大小相關。參照城市建筑物常見的室外安裝物（如空調、太陽能熱水器、衛星天線等）的大小，單個發電機的迎風面積不宜超過1m2。本設計中迎風面積取定為0.5m×0.5m，整體外形為立方體。集風罩中間收縮管道為兩個直徑0.25m的圓形流道。

傳統風電機組的最低啟動風速都在3m/s以上。由于集風罩可以提高風速約1.5倍，新型風電機組的啟動風速設定為2m/s。同樣，根據低速風電機組最低額定工作風速6m/s，取新型風電機組的額定工作風速為4m/s。在計算動力性能時，風輪處風速依然按照低速風電機組標準取值：

啟動風速V0＝ 3m/s

工作風速Vw＝6m/s

圖5 傳統風電機組工作時對風電場流動特性產生的擾動

二、葉片選型及主要參數

葉片的數量和形狀是決定風電機組性能的最重要的因素。葉片的數量越多，迎風面積越大，則風輪的扭矩越大，同時轉速也越低。對于要求微風啟動的風電機組而言，葉片數越多越有利于低風速時克服啟動扭矩。但對于發電機而言，過低的轉速很難獲得高的發電效率。因此，圖5中的風電機組空氣動力曲線，兼顧扭矩和轉速，采用5頁片式風輪。

從空氣動力學角度考慮，風電機組葉片宜采用類似機翼的形狀，提高升力作用的效果。但是本設計中風輪要求雙向轉動，只能采用對稱的形狀。可采用最簡單的平面形狀，以實現制造成本的最小化。為了獲得較好的升阻比，取葉片攻角α＝8°。

在管道中工作的風輪，葉片端部旋轉時會受到管道壁面粘滯力的影響，不利于高速旋轉。因此，風輪應和管道壁面保持一定間隙，風輪直徑取0.2m。相關計算參數如下：

風輪直徑 D＝0.2m

尖速比 λ＝1.5

葉片攻角α＝8°

風能利用系數 Cp＝0.3空氣密度 ρ＝1.2kg/m30.1 啟動工況計算風輪啟動轉速：

風輪啟動扭矩：

風輪啟動要克服靜摩擦力和電磁阻力。這當中發電機的啟動阻力占了主要部分。為保證風輪能夠自啟動并保持運轉狀態，應盡量減小發電機的啟動阻力。選擇發電機時，取啟動扭矩Ma≤0.5M0＝0.005N.m。樣機試驗實際選用LED手電筒配用的手搖發電機，去除齒輪增速裝置，將轉子直接連接在風輪上進行發電。該發電機為永磁三相交流發電機，額定輸出電壓12V，輸出電流500mA。實測啟動扭矩約0.00275 N.m，滿足使用要求。

但是扭矩M0是基于動態的經驗公式計算出來的，而風輪在啟動前是靜止的，其動力學狀態與轉動時并不一樣。為了獲得較為準確的風輪靜態啟動扭矩，建立了計算機三維網格模型，通過CFD流體分析軟仿真計算環境風速2m/s時風輪的靜態啟動扭矩。圖6為仿真計算的壓力分布結果。中間正方形區域為集風罩，除了中間圓形部分的管道和風輪外，其他區域都沒有流動的空氣。可以看出，風輪葉片的迎風面和背風面壓力差明顯，可以形成旋向一致的扭矩。

計算機統計的扭矩結果見表1。可以看出：靜止狀態下風輪的驅動扭矩小于轉動狀態下的動態扭矩，為0.0026N.m。這個扭矩略小于發電機的實測扭矩。因此，樣機風輪必須在環境風速大于2m/s時才能啟動，啟動之后可以維持運轉。

樣機測試

樣機主要采用手工加工制作。集風罩和導流板用鍍鋅薄板鈑金加工，風輪使用制冷風扇代用。三相交流發電機自帶橋式整流模塊，輸出直流電。樣機制作效果見圖7。圖8所示為環境平均風速2.32m/s時，集風罩內（未安裝風輪和發電機）測得的平均風速和速度增益。可以看出，當集風罩的迎風面在工作角度范圍內變化時，風速增益的變化不大，都接近1.5倍。因此，集風罩的實際使用效果達到了設計目標。

表1 CFD軟件統計的風輪扭矩

圖6 風速2m/s時風輪工作平面上的壓力分布圖

圖7 實際制作的樣機模型

圖8 基于多個迎風角度的集風罩提速能力測試

對于發電效果，使用同一組風輪和發電機在同樣的風電場條件下對有無集風罩進行了對比測試。輸出電流對2節鎳鎘電池充電，測量平均充電電壓和平均充電電流，對比充電功率。無集風罩時實測電壓2.79V，電流15.27mA，充電功率為0.04W。有集風罩時實測電壓3.25V，電流21.66mA，充電功率為0.07W，提高1.75倍。因此，新型微風發電機組結構可以明顯提升低風速條件下風電機組的輸出能力。

實測發電機的輸出功率偏低。這說明針對新結構進行風輪和發電機的優化設計的必要性。由于實際加工成本比較高，考慮經費的限制，未能進行此項工作。

結語

新型城市微風發電機組具有提高風速，萬向迎風和穩定氣流的特點，在很大程度上提高了風電機組在低風速、頻變風向和湍流環境中的適應性。具有如下特點：

（1）本結構對于水平軸風電機組和垂直軸風電機組均可適用。

（2）可提高風速約1.5倍，擴大了風電機組的低速應用范圍。

（3）萬向迎風結構消除了對風時間，實現風電機組對任意方向來風的及時響應，提高工作效率。

（4）具有將湍流向穩流轉化的能力，可適應城市風電場環境。

（5）沒有外露的運轉部件，安全性高。特別是可以保護飛禽。

（6）可以近距離安裝在建筑物周圍，易于管理，實現低成本運行。

（7）發出的電力在城市內部就地使用，無需遠距離傳輸。

本設計中的微風發電機組尚未實現對城市中常見低風速范圍的完全利用。如果繼續進行風輪和發電機的優化設計，并研究風電機組陣列或發電墻，將會獲得更好的使用效果。