“风光秀”电池船风力发电系统设计

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(武汉理工大学 a.高性能舰船技术教育部重点实验室；b.能源与动力工程学院，武汉 430063)

为缓解能源问题及满足越来越严格的排放规范要求，国内外越来越多的研究机构开始着力于新能源的开发利用，不论是在汽车领域还是船舶领域，能源与动力形式都从最开始的柴油机、汽油机、机械传动逐渐过渡为混合动力，直至纯电动[1]。电池船由于应用的特殊性，目前还没有定型的型号出现。随着电力电子技术的发展，锂电池、超级电容等高能量密度、高功率密度储能单元的问世，电池船具备条件。本文在以锂电池、超级电容为动力的电池船上设计一套风力发电系统，考虑采用垂直轴式风力发电机，将捕获风能转换为电能给辅助设备供电或储存于储能单元中备用。武汉理工大学自主研发的电池船“风光秀”号见图1。

1 风力发电机选型及安装

风力发电系统通过风力发电机将风轮捕获到的风能转化为机械能，再经过传动装置将机械能传递给永磁无刷三相同步发电机(permanent magnet synchronous generator, PMSG)，发电机再将机械能转化为电能[2]。输出的三相交流电通过控制器转化为直流电，既可以给储能单元充电也可以直接向负载供电。其能量传递原理见图2。

安装在实验艇上用于风力发电的风力机在选型时需要考虑：风力机的类型、体积、重量、额定功率、额定风速、启动风速等[3-5]。风力发电机有水平轴(叶片围绕水平轴选择)与垂直轴(风轮围绕铅垂线旋转)，见图3。主要区别如下。

1)设计方法。水平轴式风力发电机一般采用动量—叶素理论，垂直轴式风力发电机一般运用CFD(computational fluid dynamics，计算流体动力学)技术。动量-叶素理论会忽略叶素之间的流动干扰和叶片翼型的阻力，这种简化直接导致结果的不准确性，对风轮的风能利用率影响较大；而CFD技术可以计算复杂的流动方程。从设计方法上来说，垂直轴优于水平轴。

2)风能利用率。水平轴式风力发电机相对垂直轴有“对风损失”会影响风能利用率。在实际环境中风向是经常变化的，水平轴风轮的迎风面不会始终对着风，只有与迎风面垂直角度的风能才会被有效利用，这就引起了“对风损失”，而垂直轴风轮可以利用平面上任意角度的风速，因此在考虑了“对风损失”之后，垂直轴风轮的风能利用率可超过水平轴风轮。

3)启动风速。小型水平轴式风力发电机启动风速一般在4～5 m/s，最大可达5.9 m/s，这样的启动风速不能满足大部分需求。垂直轴风轮如达里厄风力发电机的H型风轮，只要翼型和安装角选择合适，启动风速可减小到2 m/s，相比与水平轴启动功能更优[6]。

4)结构特点。水平轴和垂直轴风力发电机在运行过程中都受到重力和惯性力的综合作用，不同的是，水平轴风力机运行时惯性力的方向是随时变化的，而垂直轴惯性力与重力始终不变，这样水平轴风轮的叶片受到的是交变载荷，垂直轴风轮受到的是恒定载荷。因此垂直轴叶片抗疲劳强度优于水平轴，寿命也比水平轴长。此外，垂直轴便于安装维护。

5)噪声。水平轴的尖速比比垂直轴大很多，直接导致水平轴噪声较大，垂直轴尖速比一般在1.5～2.0之间，基本没有噪声。低尖速比不仅在降噪上有优势，对风力发电机的整体性能也是有利的。风力发电机在户外受污染不可避免，这些污染会改变叶片外形，虽然这种变化很小，但对水平轴风力发电机的风能利用率影响很大；垂直轴因为转速低，外形的改变对其影响不大。

综合考虑本次应用具体情况，优先考虑垂直轴。风力发电机功率超过300 W后，其风轮直径过大，不利于实船安装且影响整体稳性[6-7]。实验船所选风力机型号为垂直轴NE-W200，参数如表1。

表1 NE-W200风力发电机相关参数

在选择风机安放位置时需考虑船体的平衡性和风力机迎风面积，根据风机重量将风机安装在船体右舷后部，在船体左舷对称位置安装重量相当的锂电池，以保持船体平衡。实船安装时，因需开孔接线，考虑到船体安放位置玻璃钢板的强度不足，故在船体表面附加一层钢板，以满足强度要求。接线时首先必须将电池与控制器连接，然后连接风力发电机，应尽量在无风或者微风的状况下接线，最后连接负载。

2 风力发电系统仿真

2.1 数学模型

风产生的力作用在风力机的叶轮上使其转动，从而将风能转化为机械能，风力机是系统的能量来源。风能的大小与气流通过的面积和气流的密度成正比，与气流速度的立方成正比[8-10]。德国学者Betz基于理想状态认为：风轮不含轮毂，具有无穷多的叶片数，并且没有空气阻力，气流通过风轮前后方向不变，气流连续均匀地通过风轮扫掠面。满足以上条件，推算出风力机理论极限值，即理论风轮利用系数为0.593。该系数在实际中会因为各种能量损耗达不到0.593。风力机实际得到的有功功率为

(1)

式中：Pm为有用功率，W；ρ为空气密度，kg/m3；R为风轮转动半径，m；v为风速，m/s；cp为风能利用系数；β为桨距角，rad；ω为风轮角频率，rad/s；λ为叶尖速比

(2)

风轮获得的气动转矩Tm为

(3)

风能利用率cp与λ、β具有非线性关系，近似表达为

(4)

发电机在系统中的作用是将风力机传递的机械能转化为电能，是整个系统的核心部分。发电机的高效可靠和控制性能非常重要，“风光秀”电池采用的是三相交流永磁同步发电机，可以高效进行机电转换。

PMSG的传动方程为

(5)

式中：Tem为电磁转矩；f为转动粘滞系数；Jg为等效转动惯量。

2.2 风力发电系统仿真模型

根据式(1)～(5)，在Matlab/Simulink中搭建风力发电机仿真模型(见图4)及风电系统仿真模型(见图5)。

2.3 仿真实验

设定风力发电机初始风速为10 m/s，过1 s后风速变为8 m/s，在第2 s时风速变回10 m/s，系统运行后得到仿真结果见图6～7。

从实验结果可以看出，随风速变化，风力发电机转子转速及转矩相应变化，实验曲线近似为二次方曲线，经过一定时间将会达到稳定的恒定值。负载电流和电压随风速变化波动明显，如果风速低于启动风速，风力发电机将无输出至负载。

3 实船实验

实船安装调试完毕后完成下水实验。通过控制器监控软件对航行数据进行实时采集并存储，见图8～9。

对比图8、9可知，航速越大风速越大，风力发电机转速越快，其输出电压相应增大。风机电压与风机实测转速变化趋势基本相同，由于风能通过风轮转化为机械能，机械能通过永磁无刷三相同步发电机转化为电能存在时间上的滞后，故风机电压相比风机转速存在相位上的延迟，但两者变化趋势整体保持一致。

4 结论

“风光秀”号电池船航行实验在露天水池中进行，由于空间限制，实验船无法长时间直线航行与加速，而是绕着水池转圈，导致风速波动较大，而且无法得到较高的风速，风力发电机不能有效工作，输出持续稳定的有效高电压。但通过实验结果不难发现，通过在小型船舶上加装垂直轴风力发电机完全可以有效利用一部分能量，这对于电池船的推广应用有着一定的现实意义及推广价值。后续研究可考虑围绕风光互补及最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)技术展开，使微小的风能在电池船上也可以被有效地回收利用或储存在船舶配备的储能单元模块中。