垂直軸風電機組模型制作與研究*

文 | 杜志強，徐慶坤

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垂直軸風電機組模型制作與研究*

文 | 杜志強，徐慶坤

由于H型垂直軸風電機組的特性，因此它的應用方式、應用領域發生了改變。水平軸風電機組由于噪聲、對風向等問題，要么用于風電場，要么用于邊遠地區解決無電問題，這些應用場合都遠離城市中心區域。并且，在現代化能源緊缺的趨勢下，新能源的多方面發展越來越重要，如今的風電機組以水平軸為主，以大型發電廠規模發展建設，并且極大地受到地區風能資源條件的限制。然而垂直軸風電機組恰好能填補這些自然條件缺陷，并且可接地氣性強，具有在廣大農村推廣的潛力。針對以上情況，垂直軸風電機組則可以提供很好的補充，這些風電機組產生的電能雖然一般都不上網，可卻成為用電系統不可或缺的能源之一。而在眾多類型的垂直軸風電機組中，H型風電機組又由于其結構方面的特點，具有很大的發展潛力。因此對于H型垂直軸風力發電模型的研究具有重要意義。

垂直軸風電機組模型的理論依據

一、基本原理

風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再通過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據目前的風電機組技術，當風向發生變化時，相比水平軸風電機組的對風偏航系統，垂直軸風電機組不管風向是否會發生變化，都無需對風，在這點上是其自身的一大優勢，它不僅使結構設計簡化，而且也減少了風輪對風時的陀螺力。

二、 H型垂直軸風電機組技術原理

該技術采用空氣動力學原理，針對垂直軸旋轉的風洞模擬，葉片選用了飛機翼形形狀，在風輪旋轉時，它不會因變形而改變效率等；它用垂直直線3片－5片葉片組成，由三角形或五角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成風輪，由風輪帶動稀土永磁發電機發電送往控制器進行控制，輸配負載所用的電能。

三、功率特性

根據H型垂直軸風電機組的原理，風輪的轉速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它的發電功率上升速度也相應變快，發電曲線因此變得飽滿。在同樣功率下，垂直軸風電機組的額定風速較現有水平軸風電機組要小，并且它在低風速運轉時發電量也較大。

垂直軸風電機組模型的設計與制作

一、垂直軸風力發電模型整體機構設計

風電機組模型整體結構由葉片、盤式發電機（120W）、塔架、控制箱及聯接固定結構件組成。整體結構如圖1所示。

二、發電系統選擇與設計

考慮到風電機組的整體結構及傳動鏈的效率，發電部分選用低阻尼、低轉速、高效率、輕質量的直流永磁盤式電機，設計容量120W。它采用亞克力板為支撐平面，利用螺栓調節間距，將線圈置于亞克力板模具內，相互串并聯，將永久性強磁固定在強度塑料板上做成轉子，并以面包夾層結構一般，形成緊湊的雙層結構，增大功率，并且具有良好的可延展性。圖2為設計并完成與聯軸器組裝的盤式交流發電機。

三、垂直軸風電機組葉片設計

為了滿足120W電機的負載需求，我們選擇了三頁片的H型垂直軸風電機組葉片，旋切角為14度與87度，葉弦長210.63mm，弓高15.27mm，長度 600mm，使其在三角不平衡的俯平面中，無論受到任意方向的風，均會產生一個向前緣方向的受力。因此，在支架的固定方向的受力與之形成旋轉力矩，帶動法蘭以致主軸轉動。并且在此設計參數下使得所受力矩較大，使得轉矩較大，帶動盤式電機較為合理。葉片的橫截面CAD設計圖如圖3所示。

葉片采用泡沫為材料進行磨具加工，具有輕質、安全并且成本低和易加工、改進、優化等優點。在葉片的基礎上用銅箔或鋁箔裝飾外表，顯得格外美觀，并且內部設有耐壓導體螺栓。

四、控制箱結構設計

通過機械載荷計算，我們選擇用5mm的鋁板做機箱材料，這樣才能達到較強的支撐結構和配重比，便于整體機組的穩定?？刂葡渲邪惭b控制板的結構件考慮到強度、絕緣、易加工和便于安裝等因素，故選用3mm的環氧板加工。

風電機組模型整機組裝與試驗測試

一、H型風電機組整機模型組裝

完成整機組裝的垂直軸風電機組模型如圖4所示，在整機設計組裝時還需要考慮幾點因素：

（一）選用絲桿做支架，主要考慮螺紋連接便于拆卸和改進，并且在銀錠的距離上緊固絲桿，使得整體穩固效果加強，也使得有更多的拓展空間。

（二）雙外球面軸承座塔式重疊結構，具有調心和支撐作用，并且用絲桿連接，便于調節。

（三）在載荷要求上，支柱間需加緊固裝置進行緊固和避震，以保證風電機組安全高效運行。

（四）葉片支架在傳統的矩形構建方式下改進設計，以梯形方式搭建，在受力穩固上有極大的優點，并能增加葉片的使用壽命和降低故障率。但由于小量模具加工費用極高，因而只能采用簡單的手工代替。

二、發電功率試驗測試

由于試驗設備所限，我們選用和風電機組葉片中心等高的大功率落地扇（風速可調）作為風源，對風電機組進行了發電功率測試。得到的測試數據和功率曲線分別為表1和圖5所示。

表1 發電功率測試數據

結論

本次研究主要針對H型風電機組的經濟性和實用性進行了探索，同時也是為了滿足專業教學的需要。由圖5的結果可以看出：該風電機組的啟動風速在2m/s左右，當風速為10m/s時，可獲得最大功率30W，這主要跟風電機組的結構有關。該H型垂直軸風電機組已經達到了設計和研究的目的。

H型垂直軸風電機組不管是對風能資源的要求，還是對地域的要求，其適應性都非常強，也必將是未來新能源普及中必不可少的一部分。因此，無論是教學還是應用，對H型垂直軸風電機組模型的設計和研究都具有重要的意義。

（作者單位：天津中德職業技術學院）

*基金項目：2014年天津中德職業技術學院校級科技項目“垂直軸風電機組模型研究”，項目編號：zdkt2014-003