風力機動力新型傳輸系統項目研究與開發

張 康

（酒泉職業技術學院新能源工程學院，甘肅 酒泉 735000）

1 項目概述

1.1 目的意義

目前影響風力發電成本的主要因素包括：風力發電機組裝配制造、基礎及配套設施、使用壽命、風力資源、運行可靠性、電網可吸納性、年維修／管理費、稅金等。其中改良設備結構，提高運行可靠性，減少運營維護成本是降低風力發電成本的最有效的途徑之一（其中以葉片、傳動系統、機艙、塔架的設計變化對整機成本影響最大）。

假設把風力發電機組的齒輪箱和發電機下移至塔筒底部，這樣可以減少吊裝齒輪箱和發電機的昂貴費用，同時日常的運行和檢修也可以在地面完成，這樣就大大節省了運維成本。基于這個思路，本項目總體目標為：將發電機下移至地面，降低風力發電生產和運行成本。

1.2 項目成果及創新

“風力機動力新型傳輸系統項目”是酒泉市科技局市列科技計劃項目，至項目結題，項目組成員共發表論文7篇，其中國家級論文1篇，省級論文6篇，并申報專利2項，研發新裝置1套。技術創新方面，在國內外首次用實驗平臺證實了利用氣動動力傳輸方式的可行性，經過國內外文獻查詢，未查詢到該項目所采用的風能動力傳輸方式的應用案例。因此，本課題研究開發的動力傳輸系統是十分有必要和有意義的，并且也為后續的工程化風機下移提供了客觀的實驗數據。

2 項目的研究與開發

2.1 研究思路

研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路示意圖

2.2 備選方案確定

（1）國外北美科學家將大型風力發電機比如雙饋風力發電機放到地面上，用傳動軸旋轉的方式傳遞能量，但必須增加增速箱。這是因為大型風力發電機的葉片轉速太慢，而傳送功率大小同轉速的平方成正比，如果不提高轉速，旋轉軸必須很粗。粗略計算的結果是1兆瓦的風力發電機帶有增速箱的情況下，軸的直徑為300-400mm，長度80m，重量幾十噸，塔筒內部必須增加安裝十幾個軸承座的平面，加工和安裝難度大，故障率增加，其材料和制造成本上百萬，而原來的1兆瓦的風力發電機的市場價是300萬左右。另外由于軸旋轉力矩的反作用力，塔筒將增加幾十噸米的轉矩。

（2）國內清華大學采取的用鋼絲繩和曲軸的方案。此方案要求曲軸之間的連桿必須是剛性連接件，但由于鋼絲繩的拉長系數遠遠大于同直徑同材料的圓桿的拉長系數，以直徑100mm，長80m的鋼絲繩為例，垂直吊起來，將受到不斷變化的拉力，其周期是1秒左右，最大拉力是幾十噸，鋼絲繩此時形變太大，不僅不能傳遞能量，正常旋轉都困難。而且它的安裝同風向跟蹤齒輪的安裝會發生一定程度的干涉。

（3）以德國和國內蘭州理工大學合作提出的液壓方案。此方案的缺點是齒輪泵和葉片泵出口壓力低，傳遞大能量時不能使用。且柱塞泵造價昂貴，其液壓系統的成本不低于整個風力發電機的成本。同時液壓油需要幾十噸，液壓油工作的溫度通常是0-40度，冬季運轉需要加熱，而且還要定期更換。

綜上，前述幾種方案制造成本提高，系統的阻力增大，風機啟動風速增大，發電效率降低，制造和安裝難度增加，故障率和維修成本提高，塔筒的安全系數降低。

最終項目組根據查閱的專利為基礎，確定一種“聚風式”風力發電機為突破口，研究風能動力的新型傳輸形式。

2.3 技術路線確定

根據確定方案最終選定制作“聚風式”風力傳輸試驗系統。如圖2所示。

圖2 聚風式風能動力傳輸系統風能流向示意圖

（1）上圖中的喇叭口為聚風結構，其中心距地面高度為2.5m左右。喇叭口對向鼓風機出口，喇叭口的截面積逐漸減小，90度彎曲朝下。風從喇叭口進入后加速，拐90度彎朝下輸出，出口位置處安裝發電機。發電機功率為200w左右，喇叭口內部有風向和風速傳感器。

（2）模擬自然風用4000w的鼓風機，鼓風機下部有調速電機，可以用變頻器調速，調速電機運行時，帶動鼓風機旋轉，旋轉角度為0°至330°，導軌直徑為2.3m。

（3）控制柜內裝有西門子PLC，3個變頻器（其中鼓風機變頻器可以采用自帶的變頻器），電壓表、電流表、空氣開關，按鈕，負載等。

（4）技術參數如下：

外形尺寸：2850mm×2850mm×2500mm（長寬高）；

控制柜尺寸：800mm×600mm×1800mm（長寬高）；

環境溫度：溫度0～40℃；

相對濕度：35～85%RH（不結露）；

環境空氣：不含腐蝕性，可燃氣體，無大量導電性塵埃；

供電電源：單相三線AC220±5%/三相四線AC380±5%、50Hz；

工作電源：AC380±5%、AC220±5%、DC24V；

功耗：≤5500W。

2.4 測試系統設計

系統測試原理如圖3所示，發電機作為原動機，通過傳感器測量力矩與轉速值，并通過逐漸增加加載器端的負載，可測量不同扭矩負載下的功率特性。

圖4為扭矩測試安裝示意圖，圖中的動力設備被圖3中的原動機代替，根據公式P=Tω得知，只需測量原動機扭矩與轉速，即可間接測量原動機功率。由貝茨理論：P=1/2PSv3CP（CP取0.593）可知風功率，又由原動機額定轉速可推算出力矩范圍。以此選定扭矩測試儀測試范圍。

圖3 測試系統示意圖

圖4 扭矩測試儀安裝示意圖

2.5 測試實驗

2.5.1 實驗目的

（1）測試發電機運行和扭矩測試儀是否正常工作。

（2）分析扭矩測試儀測得的數據在正常范圍內。

2.5.2 實驗設備

雙饋異步發電機、電能質量測試儀、扭矩測試儀、PLC、RS485通信線、導線若干。

2.5.3 實驗方法

扭矩測試儀安裝在發電機的主軸端，調節鼓風機轉速從0-1500r/min，將扭矩測試儀測得的數據記錄下來。

2.5.4 測試過程

（1）風力機動力新型傳輸系統準備工作完成后，按下“啟動/停止”按鈕，系統啟動。

（2）待鼓風機運行穩定后，將電能質量測試儀接入發電機電路，查看數據是否合適，同時將扭矩測試儀接入，扭矩測試儀測量范圍0-250N/m，調節鼓風機的轉速，記錄扭矩測試儀的數據。

2.6 實驗結果

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3 結束語

本次項目主要測試都是在實驗室內利用鼓風機作為可控風源進行模擬，下一步，將會利用戶外風能進行測試。在設計制造時，聚風筒和導流筒之間用法蘭連接，也就意味著可以增加聚風筒與地面之間的距離，理論上可以安裝在任意高度上。由此為下一步戶外高空測試工作留下了擴展接口。