青草沙水库水面用小型风力发电机选型及思考
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摘要：水质在线仪器要求24小时不间断实时检测提供数据，其能源一直是人们考虑的问题。小型风力发电机及蓄电池的组合能够有效增加这类仪器的运行时间。如何在水面等特殊工作环境下选用合适的风力发电机是一个问题，本文从风机的种类，工作环境及安装位置三个角度出发，决定合适选型，增加其工作时间。
关键词：小型风力发电机；水质在线仪器；青草沙水库；垂直式风力机；防护等级；振动强度
1背景
青草沙水库是世界上最大的边滩水库，也是上海是最大的饮用水水源地[1]。水库总面积为66.15km2，有效库容为4.35亿m3[2]，面对如此大的体量，仅靠每日人工化验部分关键点位水质是远远不够的。所以青草沙水库在其水域内选定了13个点位并安装大型浮筒，在其上配备了多参数在线水质监测设备、信号发射装置以实时监控水质。整套在线设备由蓄电池，充电系统以及负载组成。其中充电系统由风光互补装置即小型风力发电机以及太阳能板组成。但在之前数年的使用中，由于青草沙水库相关环境比较恶劣，第一代风机使用情况并不理想，会发生叶片断裂，失控，乃至整个风机被吹走的情况。
针对以上情形，我们从尝试风机种类，工作环境及安装位置三个方面考虑，以期在项目大修中更换更适合水库工作的小型风力发电机，从而优化其在整套在线设备中的使用能力。
1.1风力发电机的种类
目前，风力发电机主要按照风机叶轮旋转轴的角度分为两类，水平轴风机和垂直轴风机[3]。其中当其旋转轴平行于或近乎平行于地面的称之为水平轴风机，目前的大型风力发电机都以水平轴为主，如沿海的大型风机等；当其旋转轴垂直于地面时，则称之为垂直轴风机，这是一种较之于水平风机研究起步较晚的产品，但已经证明该类风机并不逊色于传统水平轴式风机[4]，目前主要以小型风力发电机的身份应用于生活场景，如绿色能源路灯等。
青草沙水库在水面使用的第一代风机是水平轴式风机。但使用状况不是很理想。我们通过查阅资料发现，水平轴风力机在工作过程中，其受到离心力，水平方向惯性力，风机主体与受风板重力等合力作用，其中惯性力随风向改变而改变，这个突变载荷对叶片的疲劳强度是非常不利的[5]；相反地，垂直軸风力机无论哪个方向来风都能以同一种工况应对，并且风轮叶片只受到延展向的张力，相同材料下，其疲劳寿命比水平轴风机要长。通过查阅历史气象资料发现，青草沙水库的风具有风力偏大，风向转换快的特点，综合考虑更适合使用垂直轴式风机。
1.2环境的影响
青草沙水库位于长江入海口，其湿度常年极高，且盐度在秋冬季节也会阶段性上升，在夏季，还有强光照射以及大量台风侵袭的问题。资料显示，强烈的日光照射、高浓度的盐雾环境、高湿度及水分侵蚀等因素都会对风力机及叶片表面造成损害[6]。因为以上的原因，还需要考虑到相关小型风力发电机叶片的材质，以及防护等级要求。我们最后对叶片材质要求为高等级不锈钢，而风机整体防护等级也必须达到IP57的要求，中高等级防水性能。
1.3安装位置的影响
目前所考虑的小型风力发电机将主要搭载于青草沙水库水面的大型浮筒上，其稳定性肯定会低于搭载于平地的同类型产品。已经有相关研究证明，在风浪条件下，漂浮特性对于风力发电机的振动影响很大[7]，这意味着其寿命较正常工况下将下降很多。为了尽可能减少水面漂浮特性对风力发电机寿命的损耗，建议将风力发电机都安装于每一个浮筒的重心上，而非原来比较偏移的一侧；并且将风机立杆焊在浮筒槽钢之上，增加其机械强度；同时，还建议适当降低立杆的长度以抵抗较强的风力等级。
2、结论
通过以上的思考，青草沙水库在新的水面浮筒用风力发电机将选用垂直轴风力发电机，并且对叶片材质要求为高等级不锈钢，防护等级IP57以上，安装位置于浮筒重心的槽钢之上尽可能保持稳定。
参考文献
[1]陈立，陈蓓蓓，张淑敏.青草沙水库运行管理优化探索[J].净水技术，2013 32（3）：85-88
[2]李嘉海，王绍祥，朱宜平，等.青草沙水库下游排水闸口内浮游藻类群落变化调查[J].净水技术，2014，33（s1）：30-34
[3]蒋超奇，严强.水平轴风力发电机的比较研究[J].上海电力，2007（2）：163-165
[4]蒋崇文，振勋，唐金龙，等.垂直轴与水平轴风机的气动性能对比[R].北京：中国能源学会，2011
[5]莫晓聃，李涛.垂直轴风力机概述及发展优势剖析[J].节能技术，2010（5）：450-453
[6]刘燕.湿空气对风力机翼型及叶片气动性能影响的数值研究[D].北京：华北电力大学，2017
[7]金鑫，钟翔，何玉林，等.漂浮特性对风力发电机振动影响[J].振动与冲击，2013（15）：26-31
作者简介：赵一帆（1992-7）；男；汉；上海市；管理员；助理工程师；大学本科。
（作者单位：上海城投原水有限公司青草沙水库管理分公司）
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