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变桨拉线风电轮简析.doc
一种非常理想的风能利用新装置
“变桨网状拉线风轮”简析
陆中源 (原广西轻工业厅职工技协秘书长、退休高工,地址:530023
南宁市建政路49号广西经委轻工离退办,电电邮126.com )
2011年11月28日
摘要:主要通过对变桨拉线风轮与变桨三叶风轮的比较分析,对“变桨网状拉线风轮”进行了简明扼要地介绍。其先进性和实用性比较表现为:① 风能利用系数CP均值增倍、高达0.5,风电量增加约40%;② 易表面不锈钢化、安全可靠、抗台风能力强、使用寿命长;③ 转动惯量增至九倍,上网风电质量好、天然具备“低电压穿越能力”;④ 零件型材化、制造成本减半,甚至于为三分之一。
关键词:风能利用 风轮 风电 比较
“变桨网状拉线风轮”(以下简称变桨拉线风轮)的主要特征为:有轮毂、轮圈、几十个叶片和使它们固定为一体的拉线,拉线从叶片内部纵向穿过,叶片为型材,并由在风轮上的杠连杆机构变桨。这是非常理想的发电和提水风轮,已经国家级国内外查新和专利授权。已基本完成78米直径、2兆瓦的大型“变桨拉线风轮”主要工程图设计,“五脏俱全”结构原理样机已成功问世,设计理论和风控自动变桨等功能特点已大体得到验证(见照片, 3.4米直径)。
大中型变桨拉线风轮比较目前主流的比较先进的三叶片发电风轮,有下列六方面主要优特点:
1 风能利用系数CP均值增倍,达0.5,风电量增加40%,降低了安装大中型风轮的风能密度条件。
对于三叶风轮,一般来说,在3米/秒以下风速时的CP值为零,5米/秒风速时的CP值仅约0.25,约7米/秒风速时的CP值才达到0.4; CP均值约0.25,仅达CP的极限理论值0.593(贝茨极限)的42%。主要原因是太多的通过风轮的风不作用于叶片;而且,作为一种悬臂梁,其断面形状设计为了首先能承受很大的足够弯应力,不得不取风阻大的、只能获得较少风能的大相对厚度(叶片单位弦长的厚度)。在额定功率时,其尖速比λ一般在6左右时CP峰值可达0.45,这时,叶尖速度约80米/秒,相应的风速约13米/秒,而风场平均风速一般约6米/秒,显然,其CP达0.45的机会是很少的。
对于变桨拉线风轮样机(见照片及演示文稿),与相应三叶风轮比较,转矩约增至4倍以上,转动阻力却只增加约一倍,不到1.5米/秒风速即可启动,并且启动后CP值即达0.5以上,CP均值约0.5,达CP的极限理论值0.593的84%。主要原因是叶片面积、分布、叶片截面形状和桨距角等容易通过优选法达到非常理想的状态,无论风速大小,通过风轮的不作用于叶片的风很少;其断面形状设计可取能获得最多风能的最优相对厚度,风控自动变桨后效果更明显。具体表现在其样机:①叶片多(24个)而细,叶片平面总面积为1.8平方米,风轮实度(叶片在风轮轴向的投影面积与风轮掠扫面积之比)为0.2,为相应三叶风轮实度的2倍,风轮转矩增加一倍;叶片面积的大部靠近轮周,风轮转矩又增加一倍;变桨对实度变化的影响比三叶轮大得多。将这三种效果叠加后,风轮转矩约增大至4倍以上;②拉线从叶片内纵向穿过,叶片支撑在已拉直的钢绳拉线上,叶片宽度仅0.055米(2兆瓦机叶片宽初步设计为0.35米,叶片数80)这样,叶片承受的纵、横向弯曲应力都很小,因而从头到尾都很薄(仅比拉线厚一点),其相对厚度大约是悬臂梁三叶片相应的平均相对厚度的三分之一;又由于桨距角为0°~28°是大多数情况,虽然与三叶轮比,叶片平面总面积大一倍,但在风轮转动方向,叶片的投影总面积并没有相应成比例增加,大约只增加三分之一,转动总阻力增加不大。考虑到叶片面积分布和叶片截面形状的不同,总的叠加权衡下来,风轮转矩约增大至4倍以上,转动总阻力约增加一倍,CP均值约增加一倍达0.5,发电量相应增加约40%。这样,变桨拉线风轮额定风速就可以低一些,一般可比相应三叶风轮的额定风速降约一个风力等级,如2兆瓦机额定风速可从13米/秒左右降至11米/秒。
现有风能利用书籍中所描述的多叶片风轮都不是变桨拉线风轮,这种多叶片风轮与三叶轮比较,其叶片都是悬臂梁,其平面总面积、风轮转动方向上叶片投影总面积和转动总阻力是大致成比例相应增加的,显而易见,不可将书中所标示的其力矩特性、功率特性等性能曲线简单套用于变桨拉线风轮。
2 易表面不锈钢化、安全可靠性好、抗台风能力强、使用寿命长。
三叶轮的叶片是一种在工作时所受的内应力很大的复杂悬臂梁;大中型三叶片生产难度和质量控制难度大,被台风吹断裂的现象时有发生;在风砂的冲击下叶片表面损伤大;由于其形状复杂,难以用不锈钢薄板包裹表面,表面大多是用玻璃钢或碳纤维制成,质量好的寿命一般仅20年。
变桨拉线风轮安全可靠性好、抗台风能力强、使用寿命长的原因是:①叶片是型
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