文 | 李滨海，季丰，秦洪艳

随着风电产业的逐渐普及和深入人心，风电技术发展所面临的问题也日益突出。虽然现在全球风电装机容量已经超过了30万MW，但是能够提供实际使用的电能却远远达不到这个数量级。当前风电技术主要针对高风速大容量地区，所以在现阶段，几乎所有商业化运行的风电场都位于远离人口聚居地的偏远地带，并且多数是常年刮大风的恶劣气候地区。由此带来了基础建设、电力输送、监控管理、设备维护、安全运行和使用寿命等诸多方面的难题。这些问题不仅大大增加了风电技术的难度，还提高了风电的使用成本，使得本无成本的风能发出的电价却超出了传统的火力发电电价。

自然环境中风力的变化和不连续性也给风电的应用造成了困扰。风电直接接入传统电网会造成明显的电力波动，大量风电的接入可能导致传统电网的瘫痪。为了充分利用新能源，打造节能型社会，世界各国都在发展智能电网技术。然而在风电能源的接入方面，我国还有待重大突破。

面对以上困境，风电技术发展出现两极分化的趋势。一方面，传统风电技术向超大型高速风电机组发展；另一方面，小型微风低速发电机正在逐渐兴起。低速微风发电机具有宽泛的适应性和灵活性，正逐渐向城市地区渗透。城市是人口聚集的地区，电力需求最大。在城市地区现场发电，就地使用将非常有效地解决风力发电成本过高的问题。因此，微风发电对于扩大风电技术的应用范围，降低实施难度和使用成本等方面起着日益重要的作用。

本文根据在城市中风力观测的实际结果，针对性提出城市型风电机组的特殊设计要点，并设计和制作了样机，验证了实际使用性能。

城市型风电机组设计要点

当前的微风发电机组主要针对风能资源相对不太丰富的地区。根据《JB/T 9740－1999低速风电机组》标准规定，低速风电机组起始工作风速4m/s，额定工作风速6m/s－9m/s。而这个工作条件，对于全国大部分城市而言，尚难以满足。为了掌握城市风电场的实际特性，以便针对性设计适合城市环境的微风发电机组，在前期项目中专门针对城市风力环境进行了监测、统计和分析。根据分析结果，总结出以下需要解决的不同于传统风力发电技术要求的关键问题：

（1）风速很低。根据对城市中居民楼抽样的统计，全年平均风速低于1m/s。全年风速超过2m/s的时间段仅有1/5，不超过2000h。因此，城市地区属于风能资源贫乏区。

（2）风力连续性很差，风向变化频繁。对于水平轴风电机组而言，频繁对风将浪费很多宝贵的工作时间。

（3）城市内部风电场属于完全的湍流区域，普通风电机组无法正常工作。

（4）拥挤的城市中寸土寸金，风电机组难以获得大范围的工作场所。

这些问题都是导致传统风电机组无法在城市中使用的直接原因。要想将成熟的传统风力发电技术应用到城市中来，就必须找到针对以上问题的技术方案。

城市型风电机组的新结构

一、提高风速和风能密度的结构

传统风电机组发电技术也已成熟，但是最低3m/s以上的工作风速使得传统风电机组在城市地区几乎无用武之地。许多前人在发展低风速风电机组方面做出了很多研究。其中收缩器和扩散器因结构简单、效果明显而被广泛应用。

图1为同时具有收缩器和扩散器结构的集风罩示意图，可以用薄板制作。气流从收缩器进入，经过中间狭窄通道后从扩散器流出。根据质量守恒定律：

V1A1＝V2A2＝V3A3＝Q

式中：V1、V2、V3分别为入口、管道中部、出口处的气流速度；

A1、A2、A3分别为入口、管道中部、出口处的横截面积；

Q为气体流量。

集风罩内的气流是连续的，由于A1和A3的截面积大于A2，所以管道中部的气流速度V2要高于V1和V3。在集风罩中部安装风电机组就可以捕获到较高的风速。同理，根据热力学第一定律，能量都是守恒的。管道中部和进出口处的总能量是一样的，这样在面积较小的管道中部就获得了较大的风能密度，有利于风电机组的启动和工作。无论是收缩器还是扩散器，都可以将大面积的风能向小面积流道内集中，提高中央风道的气流速度和能量密度。因此，合理利用收缩器和扩散器，可以在较低的环境风速下实现风轮处通过较高的气流速度，从而实现传统风电机组工作风速的下延。集风罩中间的收缩管道可以做成圆形，也可以做成方形。圆形适用于水平轴式风电机组，方形适用于垂直轴风电机组。

直接计算集风罩提高风速和风能密度的程度是困难的。制作样机进行实验可以得到参考数据。图2是用镀锌钢板制作的简易集风罩在室外自然风环境中测试的结果，大约可以提高风速1.5倍。

二、万向迎风结构

垂直轴风电机组通常具有万向迎风能力，无需进行对风操作，但其效率较低。多数风电机组采用水平轴结构型式来获得高效率，但不适合风向多变的场合。在城市中想要采用高效率的水平轴式风电机组，就必须配备万向进风结构。图3所示为具备双向各90°进风角度的集风罩，在进风口安装数个向心布置的导流板，可引导迎风面大约90°范围内的来风进入中间管道，推动风轮旋转。该结构可实现固定位置的风电机组双向180°角迎风。此时用另一个集风罩垂直交叉布置时，便可实现360°全向迎风。图4为完整的万向迎风结构，拥有两个集风罩，内部装有两个风电机组。对于任意方向来风，至少有一个风电机组进行工作。两个风电机组并联输出。

图1 同时具有收缩器和扩散器结构的集风罩

图2 集风罩在室外环境中测试提速效果

图3 气流在安装导流板的集风罩内流动路径

图4 万向迎风结构工作原理

三、湍流环境的适应能力

城市中大量建筑物的存在导致城市风电场为完全的湍流状态。湍流流经图3和图4 所示的导流式集风罩时，会在导流板的作用下部分转化为定向流动的稳流，从而有效驱动风电机组。因此，普通风电机组加装集风罩后便可在湍流中工作。

四、电力输出特性

传统家用和商用电力线路为380V三相交流电路。目前的商用风电机组大多可以接入电力线路，但控制电路复杂，并不可避免地产生冲击，影响线路稳定性。

新型微风发电机组主要针对城市风电场设计使用，可利用风能很少，难以接入传统电力线路加以利用。如果通过蓄电的方式建立自身的低电压系统，一方面可以减少电压转换带来的能量损失，另一方面可降低新建电力线路的安全等级要求。小能量的低电压系统可以为节能照明、绿色电器、各种蓄电池等提供清洁能源。可以预计：低电压系统的建设成本低，安全性好，使用维护简单。因此便于改造和推广。这样的电力系统可以方便地布置在建筑物周围，实现风电的近距离使用。

样机设计计算

为了获得新型微风发电机组的实际工作性能，必须设计和制作样机进行试验分析。

一、总体设计参数

根据城市风电场特性确定新型风电机组结构之后，还需要设计和制作样机来验证可行性。与传统风电机组向大型化方向发展不同，城市风电机组受湍流的影响非常大。城市中湍流的尺度和建筑物外表的形状大小相关。参照城市建筑物常见的室外安装物（如空调、太阳能热水器、卫星天线等）的大小，单个发电机的迎风面积不宜超过1m2。本设计中迎风面积取定为0.5m×0.5m，整体外形为立方体。集风罩中间收缩管道为两个直径0.25m的圆形流道。

传统风电机组的最低启动风速都在3m/s以上。由于集风罩可以提高风速约1.5倍，新型风电机组的启动风速设定为2m/s。同样，根据低速风电机组最低额定工作风速6m/s，取新型风电机组的额定工作风速为4m/s。在计算动力性能时，风轮处风速依然按照低速风电机组标准取值：

启动风速V0＝ 3m/s

工作风速Vw＝6m/s

图5 传统风电机组工作时对风电场流动特性产生的扰动

二、叶片选型及主要参数

叶片的数量和形状是决定风电机组性能的最重要的因素。叶片的数量越多，迎风面积越大，则风轮的扭矩越大，同时转速也越低。对于要求微风启动的风电机组而言，叶片数越多越有利于低风速时克服启动扭矩。但对于发电机而言，过低的转速很难获得高的发电效率。因此，图5中的风电机组空气动力曲线，兼顾扭矩和转速，采用5页片式风轮。

从空气动力学角度考虑，风电机组叶片宜采用类似机翼的形状，提高升力作用的效果。但是本设计中风轮要求双向转动，只能采用对称的形状。可采用最简单的平面形状，以实现制造成本的最小化。为了获得较好的升阻比，取叶片攻角α＝8°。

在管道中工作的风轮，叶片端部旋转时会受到管道壁面粘滞力的影响，不利于高速旋转。因此，风轮应和管道壁面保持一定间隙，风轮直径取0.2m。相关计算参数如下：

风轮直径 D＝0.2m

尖速比 λ＝1.5

叶片攻角α＝8°

风能利用系数 Cp＝0.3空气密度 ρ＝1.2kg/m30.1 启动工况计算风轮启动转速：

风轮启动扭矩：

风轮启动要克服静摩擦力和电磁阻力。这当中发电机的启动阻力占了主要部分。为保证风轮能够自启动并保持运转状态，应尽量减小发电机的启动阻力。选择发电机时，取启动扭矩Ma≤0.5M0＝0.005N.m。样机试验实际选用LED手电筒配用的手摇发电机，去除齿轮增速装置，将转子直接连接在风轮上进行发电。该发电机为永磁三相交流发电机，额定输出电压12V，输出电流500mA。实测启动扭矩约0.00275 N.m，满足使用要求。

但是扭矩M0是基于动态的经验公式计算出来的，而风轮在启动前是静止的，其动力学状态与转动时并不一样。为了获得较为准确的风轮静态启动扭矩，建立了计算机三维网格模型，通过CFD流体分析软仿真计算环境风速2m/s时风轮的静态启动扭矩。图6为仿真计算的压力分布结果。中间正方形区域为集风罩，除了中间圆形部分的管道和风轮外，其他区域都没有流动的空气。可以看出，风轮叶片的迎风面和背风面压力差明显，可以形成旋向一致的扭矩。

计算机统计的扭矩结果见表1。可以看出：静止状态下风轮的驱动扭矩小于转动状态下的动态扭矩，为0.0026N.m。这个扭矩略小于发电机的实测扭矩。因此，样机风轮必须在环境风速大于2m/s时才能启动，启动之后可以维持运转。

样机测试

样机主要采用手工加工制作。集风罩和导流板用镀锌薄板钣金加工，风轮使用制冷风扇代用。三相交流发电机自带桥式整流模块，输出直流电。样机制作效果见图7。图8所示为环境平均风速2.32m/s时，集风罩内（未安装风轮和发电机）测得的平均风速和速度增益。可以看出，当集风罩的迎风面在工作角度范围内变化时，风速增益的变化不大，都接近1.5倍。因此，集风罩的实际使用效果达到了设计目标。

表1 CFD软件统计的风轮扭矩

图6 风速2m/s时风轮工作平面上的压力分布图

图7 实际制作的样机模型

图8 基于多个迎风角度的集风罩提速能力测试

对于发电效果，使用同一组风轮和发电机在同样的风电场条件下对有无集风罩进行了对比测试。输出电流对2节镍镉电池充电，测量平均充电电压和平均充电电流，对比充电功率。无集风罩时实测电压2.79V，电流15.27mA，充电功率为0.04W。有集风罩时实测电压3.25V，电流21.66mA，充电功率为0.07W，提高1.75倍。因此，新型微风发电机组结构可以明显提升低风速条件下风电机组的输出能力。

实测发电机的输出功率偏低。这说明针对新结构进行风轮和发电机的优化设计的必要性。由于实际加工成本比较高，考虑经费的限制，未能进行此项工作。

结语

新型城市微风发电机组具有提高风速，万向迎风和稳定气流的特点，在很大程度上提高了风电机组在低风速、频变风向和湍流环境中的适应性。具有如下特点：

（1）本结构对于水平轴风电机组和垂直轴风电机组均可适用。

（2）可提高风速约1.5倍，扩大了风电机组的低速应用范围。

（3）万向迎风结构消除了对风时间，实现风电机组对任意方向来风的及时响应，提高工作效率。

（4）具有将湍流向稳流转化的能力，可适应城市风电场环境。

（5）没有外露的运转部件，安全性高。特别是可以保护飞禽。

（6）可以近距离安装在建筑物周围，易于管理，实现低成本运行。

（7）发出的电力在城市内部就地使用，无需远距离传输。

本设计中的微风发电机组尚未实现对城市中常见低风速范围的完全利用。如果继续进行风轮和发电机的优化设计，并研究风电机组阵列或发电墙，将会获得更好的使用效果。