便攜式小型風力發電機的結構優化設計方法淺談

摘 要：基于便攜式小型風力發電機基本結構系統，從風機、發電機、回轉部分的設計，風機的調速、控制與變流等方面簡要分析如何優化便攜式小型風力發電機的結構設計。

關鍵詞：小型風力發電機；永磁發電機

1 便攜式小型風力發電機概述

便攜式小型風力發電機是在風力發電機理論的基礎上對原始相對大型的設備進行精簡和放縮而產生的一種具有折疊收納功能的風力發電機，同一般風力發電機相比，其特點在于精和小，并且便于攜帶。整個發電系統設置在收納箱中，整體設備大小就是發電箱蓋體形成的中空容置空間，是一種極為方便的發電設施。

便攜式發電機的發電系統主要包括發電單元、電力單元、風葉組和電力儲存單元，風葉組以折疊狀態可以收容于空置空間，發電單元與風葉組連接，由風葉轉動帶動發電單元工作，進而產生電力，電力單元與儲存單元一般分設于箱體之上。發電系統的各組件能夠相互形成電連接。因此該設備不僅是一種能夠提供電力的發電設備，也是一種便于攜帶的儲電設備。

2 結構優化設計

便攜式小型風力發電機在結構組成上已經足夠精簡，因此便攜式小型風力發電機的結構優化主要是對于發電效率的提高，即以發電單元為核心的風葉、發電機的優化。

2.1 風葉設計

在風力發電機中所說的風葉設計一般是指氣動設備的優化設計，而這類設備在優化中的約束條件就是發電機風葉從自然風中得到的輸出功率比例，即所謂的輸出功率系數的最大化，即設備在自然風影響下產生的機械能的最大化，是風葉設備優化設計的核心思路。主要能夠采取的措施有以下幾種。

1）風葉設計成有一定彎度的尾流翼型，這種設計能夠延遲氣流分離時間，提高風阻比例，葉片表面的延展向和弦向壓力梯度變化也會有所降低，這種設計思路能夠有效提高自然風向機械能的轉化效率。

2）優化風葉弦長和安裝角的組合。通過改變風葉弦長和安裝角的組合、分布能夠有效提高楓葉的轉動效率，通常安裝角的線性分布以及梯形的葉片平面形狀能夠有效提高轉動效率。同時這種設計方便制造和組裝也具有良好的起動特性。

3）風葉單元在設計和使用時并非葉片越多效率越高，多風葉能夠利用更多的風阻，但是風葉單元的穩定性容易出現問題、葉片的強度也會出現問題，起動性能也是一個值得思考的問題。為了使風葉能夠穩定工作，風葉數量應盡量使用三葉片或雙葉片的組合，其中三葉片較雙葉片相比，用材更加精簡、展弦比更高，更有利于氣動功率的提高。

4）葉片材料的選擇上也需要格外注意，便攜式小型風力發電機的工作環境一般處于野外或風力不穩定的環境中，因此楓葉材料應當具備耐磨、不易氧化變形等特征。根據實驗研究發現，木材外粘環氧玻璃纖維的葉片是便攜式小型風力發電機風葉的最優材料。

2.2 發電機和回轉部分設計

發電機是便攜式小型風力發電機的核心部門，風葉是將自然風轉化為機械能的單元，而發電機和回轉部分是將機械能轉化為電能的發電單元。便攜式小型風力發電機雖然是體積較小、便于攜帶，但其總體是個完整的發電系統，因此一個先進系統中應當是全系統所有單元的有機配合，從而實現各單元的效率運行。所以在便攜式小型風力發電機系統的設計中應當盡可能將所有部件作為一個整體來設計，這樣發電單元的各個結構能夠相互依托聯結，這樣能夠有效提高部件的剛度和耐用性，一定程度上能夠節約制造材料，減少組裝時的消耗時間，同時也有效降低了使用過程中的故障率。

一般的便攜式小型發電機組的風輪和發電機是通過直聯的方式進行連接，這么做的好處是對于機械能的需求會相應降低，發電效率也有所提高，因此發電機選擇上應當使用用永磁發電機，永磁發電機能夠在低轉速的條件下穩定發電，是一種適合在野外和風力不穩定環境下持續發電的最佳發電設備。永磁發電機還具備結構簡單，穩定性高，故障率低等特點，但是也有其固有缺點：1）起動阻力相對較高，如果風力較小，風葉無法產生足夠的機械能，永磁發電機就難以起動，更不能進行發電作業。2）永磁發電機在使用時摩擦阻力較大，發電效率相對較低。3）永磁發電機的造價也相對較高。4）永磁發電機的設計結構相對固定，外形尺寸上的彈性選擇空間較少，因此在便攜式小型風力發電機中的適用性有待驗證。

針對上述永磁發電機的不足，在對便攜式小型發電機的設計和安裝過程中進行以下技術改進：1）發電機的定子結構改為份數槽設計。2）對用永磁發電機的軸承密封進行改裝，使用無摩擦阻力的迷宮結構降低永磁發電機轉動時的阻力，來提高機械能向電能的轉化率。3）使用切向磁路轉子代替原有轉子，以此來提高自然風帶動風葉產生的機械能向電能的轉化效率。

3 綜述

綜合來說便攜式風力發電機作為一種發電野外使用的便攜式發電設備，有其廣闊的發展空間。現階段這種便攜的小型風力發電機技術尚不成熟，有很多可以進一步改進的方向。例如風葉的結構優化，提高風葉的穩定性和風阻系數，從而使其在自然風帶動下穩定轉動，將自然風中的能量轉化為風葉轉動的機械能帶動發電機的發電單元運作，從而實現發電；在發電單元方面，主要優化思路就是通過降低轉子轉動時的能量損耗并提高轉子的發電效率來實現設計上的優化升級；在儲電單元方面，通過改變儲電單元的材料組成，來提高儲電過程中電能的轉化效率并降低電能的流失速率，從而實現有效的儲電；此外能夠優化的結構設計還有很多方面，例如轉速控制、發電機能各單元間的效率連接等。

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作者簡介：繆曉賓（1980-），男，漢族，四川成都人，碩士，副教授，研究方向：產品設計、機械設計、計算機輔助設計。