，，,

(武漢理工大學(xué) a.高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

為緩解能源問(wèn)題及滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放規(guī)范要求，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始著力于新能源的開(kāi)發(fā)利用，不論是在汽車領(lǐng)域還是船舶領(lǐng)域，能源與動(dòng)力形式都從最開(kāi)始的柴油機(jī)、汽油機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)逐漸過(guò)渡為混合動(dòng)力，直至純電動(dòng)[1]。電池船由于應(yīng)用的特殊性，目前還沒(méi)有定型的型號(hào)出現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，鋰電池、超級(jí)電容等高能量密度、高功率密度儲(chǔ)能單元的問(wèn)世，電池船具備條件。本文在以鋰電池、超級(jí)電容為動(dòng)力的電池船上設(shè)計(jì)一套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，考慮采用垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能給輔助設(shè)備供電或儲(chǔ)存于儲(chǔ)能單元中備用。武漢理工大學(xué)自主研發(fā)的電池船“風(fēng)光秀”號(hào)見(jiàn)圖1。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)選型及安裝

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)力發(fā)電機(jī)將風(fēng)輪捕獲到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)裝置將機(jī)械能傳遞給永磁無(wú)刷三相同步發(fā)電機(jī)(permanent magnet synchronous generator, PMSG)，發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能[2]。輸出的三相交流電通過(guò)控制器轉(zhuǎn)化為直流電，既可以給儲(chǔ)能單元充電也可以直接向負(fù)載供電。其能量傳遞原理見(jiàn)圖2。

安裝在實(shí)驗(yàn)艇上用于風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)力機(jī)在選型時(shí)需要考慮：風(fēng)力機(jī)的類型、體積、重量、額定功率、額定風(fēng)速、啟動(dòng)風(fēng)速等[3-5]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)有水平軸(葉片圍繞水平軸選擇)與垂直軸(風(fēng)輪圍繞鉛垂線旋轉(zhuǎn))，見(jiàn)圖3。主要區(qū)別如下。

1)設(shè)計(jì)方法。水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用動(dòng)量—葉素理論，垂直軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般運(yùn)用CFD(computational fluid dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))技術(shù)。動(dòng)量-葉素理論會(huì)忽略葉素之間的流動(dòng)干擾和葉片翼型的阻力，這種簡(jiǎn)化直接導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確性，對(duì)風(fēng)輪的風(fēng)能利用率影響較大；而CFD技術(shù)可以計(jì)算復(fù)雜的流動(dòng)方程。從設(shè)計(jì)方法上來(lái)說(shuō)，垂直軸優(yōu)于水平軸。

2)風(fēng)能利用率。水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對(duì)垂直軸有“對(duì)風(fēng)損失”會(huì)影響風(fēng)能利用率。在實(shí)際環(huán)境中風(fēng)向是經(jīng)常變化的，水平軸風(fēng)輪的迎風(fēng)面不會(huì)始終對(duì)著風(fēng)，只有與迎風(fēng)面垂直角度的風(fēng)能才會(huì)被有效利用，這就引起了“對(duì)風(fēng)損失”，而垂直軸風(fēng)輪可以利用平面上任意角度的風(fēng)速，因此在考慮了“對(duì)風(fēng)損失”之后，垂直軸風(fēng)輪的風(fēng)能利用率可超過(guò)水平軸風(fēng)輪。

3)啟動(dòng)風(fēng)速。小型水平軸式風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速一般在4～5 m/s，最大可達(dá)5.9 m/s，這樣的啟動(dòng)風(fēng)速不能滿足大部分需求。垂直軸風(fēng)輪如達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)的H型風(fēng)輪，只要翼型和安裝角選擇合適，啟動(dòng)風(fēng)速可減小到2 m/s，相比與水平軸啟動(dòng)功能更優(yōu)[6]。

4)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中都受到重力和慣性力的綜合作用，不同的是，水平軸風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)慣性力的方向是隨時(shí)變化的，而垂直軸慣性力與重力始終不變，這樣水平軸風(fēng)輪的葉片受到的是交變載荷，垂直軸風(fēng)輪受到的是恒定載荷。因此垂直軸葉片抗疲勞強(qiáng)度優(yōu)于水平軸，壽命也比水平軸長(zhǎng)。此外，垂直軸便于安裝維護(hù)。

5)噪聲。水平軸的尖速比比垂直軸大很多，直接導(dǎo)致水平軸噪聲較大，垂直軸尖速比一般在1.5～2.0之間，基本沒(méi)有噪聲。低尖速比不僅在降噪上有優(yōu)勢(shì)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整體性能也是有利的。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在戶外受污染不可避免，這些污染會(huì)改變?nèi)~片外形，雖然這種變化很小，但對(duì)水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率影響很大；垂直軸因?yàn)檗D(zhuǎn)速低，外形的改變對(duì)其影響不大。

綜合考慮本次應(yīng)用具體情況，優(yōu)先考慮垂直軸。風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率超過(guò)300 W后，其風(fēng)輪直徑過(guò)大，不利于實(shí)船安裝且影響整體穩(wěn)性[6-7]。實(shí)驗(yàn)船所選風(fēng)力機(jī)型號(hào)為垂直軸NE-W200，參數(shù)如表1。

表1 NE-W200風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)

在選擇風(fēng)機(jī)安放位置時(shí)需考慮船體的平衡性和風(fēng)力機(jī)迎風(fēng)面積，根據(jù)風(fēng)機(jī)重量將風(fēng)機(jī)安裝在船體右舷后部，在船體左舷對(duì)稱位置安裝重量相當(dāng)?shù)匿囯姵兀员３执w平衡。實(shí)船安裝時(shí)，因需開(kāi)孔接線，考慮到船體安放位置玻璃鋼板的強(qiáng)度不足，故在船體表面附加一層鋼板，以滿足強(qiáng)度要求。接線時(shí)首先必須將電池與控制器連接，然后連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)，應(yīng)盡量在無(wú)風(fēng)或者微風(fēng)的狀況下接線，最后連接負(fù)載。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真

2.1 數(shù)學(xué)模型

風(fēng)產(chǎn)生的力作用在風(fēng)力機(jī)的葉輪上使其轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)力機(jī)是系統(tǒng)的能量來(lái)源。風(fēng)能的大小與氣流通過(guò)的面積和氣流的密度成正比，與氣流速度的立方成正比[8-10]。德國(guó)學(xué)者Betz基于理想狀態(tài)認(rèn)為：風(fēng)輪不含輪轂，具有無(wú)窮多的葉片數(shù)，并且沒(méi)有空氣阻力，氣流通過(guò)風(fēng)輪前后方向不變，氣流連續(xù)均勻地通過(guò)風(fēng)輪掃掠面。滿足以上條件，推算出風(fēng)力機(jī)理論極限值，即理論風(fēng)輪利用系數(shù)為0.593。該系數(shù)在實(shí)際中會(huì)因?yàn)楦鞣N能量損耗達(dá)不到0.593。風(fēng)力機(jī)實(shí)際得到的有功功率為

(1)

式中：Pm為有用功率，W；ρ為空氣密度，kg/m3；R為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m；v為風(fēng)速，m/s；cp為風(fēng)能利用系數(shù)；β為槳距角，rad；ω為風(fēng)輪角頻率，rad/s；λ為葉尖速比

(2)

風(fēng)輪獲得的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm為

(3)

風(fēng)能利用率cp與λ、β具有非線性關(guān)系，近似表達(dá)為

(4)

發(fā)電機(jī)在系統(tǒng)中的作用是將風(fēng)力機(jī)傳遞的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。發(fā)電機(jī)的高效可靠和控制性能非常重要，“風(fēng)光秀”電池采用的是三相交流永磁同步發(fā)電機(jī)，可以高效進(jìn)行機(jī)電轉(zhuǎn)換。

PMSG的傳動(dòng)方程為

(5)

式中：Tem為電磁轉(zhuǎn)矩；f為轉(zhuǎn)動(dòng)粘滯系數(shù)；Jg為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)式(1)～(5)，在Matlab/Simulink中搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)仿真模型(見(jiàn)圖4)及風(fēng)電系統(tǒng)仿真模型(見(jiàn)圖5)。

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)

設(shè)定風(fēng)力發(fā)電機(jī)初始風(fēng)速為10 m/s，過(guò)1 s后風(fēng)速變?yōu)? m/s，在第2 s時(shí)風(fēng)速變回10 m/s，系統(tǒng)運(yùn)行后得到仿真結(jié)果見(jiàn)圖6～7。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨風(fēng)速變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變化，實(shí)驗(yàn)曲線近似為二次方曲線，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間將會(huì)達(dá)到穩(wěn)定的恒定值。負(fù)載電流和電壓隨風(fēng)速變化波動(dòng)明顯，如果風(fēng)速低于啟動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將無(wú)輸出至負(fù)載。

3 實(shí)船實(shí)驗(yàn)

實(shí)船安裝調(diào)試完畢后完成下水實(shí)驗(yàn)。通過(guò)控制器監(jiān)控軟件對(duì)航行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)，見(jiàn)圖8～9。

對(duì)比圖8、9可知，航速越大風(fēng)速越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，其輸出電壓相應(yīng)增大。風(fēng)機(jī)電壓與風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)基本相同，由于風(fēng)能通過(guò)風(fēng)輪轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能通過(guò)永磁無(wú)刷三相同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能存在時(shí)間上的滯后，故風(fēng)機(jī)電壓相比風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速存在相位上的延遲，但兩者變化趨勢(shì)整體保持一致。

4 結(jié)論

“風(fēng)光秀”號(hào)電池船航行實(shí)驗(yàn)在露天水池中進(jìn)行，由于空間限制，實(shí)驗(yàn)船無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間直線航行與加速，而是繞著水池轉(zhuǎn)圈，導(dǎo)致風(fēng)速波動(dòng)較大，而且無(wú)法得到較高的風(fēng)速，風(fēng)力發(fā)電機(jī)不能有效工作，輸出持續(xù)穩(wěn)定的有效高電壓。但通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在小型船舶上加裝垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)完全可以有效利用一部分能量，這對(duì)于電池船的推廣應(yīng)用有著一定的現(xiàn)實(shí)意義及推廣價(jià)值。后續(xù)研究可考慮圍繞風(fēng)光互補(bǔ)及最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)技術(shù)展開(kāi)，使微小的風(fēng)能在電池船上也可以被有效地回收利用或儲(chǔ)存在船舶配備的儲(chǔ)能單元模塊中。