一種實用型家用風力發電機的創新設計研究*

李麗萍，魏智強

(1.廈門工學院 機械與制造工程學院，福建 廈門 361021；2.友達光電(廈門)有限公司，福建 廈門 361101)

0 引言

風能是一種取之不盡的資源，對風能的研究利用具有一定的實際意義。我國沿海地區具有豐富的風能資源，針對當地地形復雜、人口眾多、生活分散導致部分地區供電緊張甚至國家電網未能覆蓋的問題，采用家用風力發電機供電可以較好地解決上述問題。

目前市場上，風力發電機種類繁多，但存在諸多問題，如發電機噪聲太大、結構不緊湊、價格成本太高等。筆者經實地調查和研究家用風力發電機的工作特性，確定了風輪、塔架、傳動軸、安裝要求等重要技術參數，制定了一套經濟實用的家用風力發電機總體設計方案，從而為推廣垂直軸風力發電機設計提供更多可行的方法。

1 家用風力發電機創新設計

1.1 家用風力發電機的結構方案分析

根據風力發電機風輪和水平面的位置關系，將其分為水平軸和垂直軸兩種形式。

水平軸風力發電機葉片少，結構簡單，轉速高，但因其噪聲大，對周邊環境影響大。由于水平軸風力發電機一般有2片～3片葉片，所以在實現質量平衡和氣動平衡的問題上難度較大，其功率和載荷波動也比較大。此外，水平軸風力發電機需要對風裝置，結構尺寸大，維修困難，價格貴。綜合上述幾點，水平軸風力發電機不滿足家用風力發電要求。

垂直軸風力發電機[1]微風即可啟動，無噪聲，且其風輪無需對風，可以接受任何風向的風力作用，較容易安裝，并且其結構緊湊，體積小，價格合理，適合家庭使用。但目前市場上大多數H型垂直軸風力發電機采用的是磁懸浮電動機發電，即通過塔架安裝磁懸浮電動機，電動機直接與風輪輪轂連接。因磁懸浮電動機采用直接與風輪輪轂直接連接的方式容易導致其受到風輪等重力作用而損壞電機，且與其相配合的零件精度要求較高，整機成本較高，故目前尚未得到廣泛應用。

綜合以上調研，對H型垂直軸風力發電機進行改進，選用永磁式電動機[2]。電動機放置于塔架上，通過傳動軸與其連接，傳動軸通過軸承實現固定，再通過輪轂連接葉片。改進后的結構方案，可明顯減小電動機直接承受葉片重量帶來的外力影響。

1.2 風輪的設計

1.2.1 葉片

風輪是風力發電機的主要部件之一，綜合考慮葉片數量少導致風能利用率低和葉片數量多導致向心力大的影響，此次創新設計葉片數量定為5片。如果在風輪運行時，風力發電機的葉尖速比λ比較大，并且機組要求轉速比較高，那么風輪的實度比一般要取得比較小一些。可根據實度比的計算公式得出葉片弦長C的計算公式，如公式(1)所示：

(1)

其中：σ為風輪的實度比，一般取0.5～0.6，考慮沿海地區的實際風力大小，取值為0.6；B為風輪的葉片數，取為5片；R為風輪半徑，由葉尖速比算出R=0.9 m。

將已知數據代入公式(1)，計算得葉片弦長C=0.216 m。

結合風輪的半徑和高度，優選葉片高度L=1.8 m，材料選擇玻璃鋼。采用UG繪制葉片，如圖1所示。

1.2.2 葉片支架

葉片采用支架作為連接桿，通過螺栓、特制橡膠墊片與輪轂相連，以傳遞扭矩。支架與葉片之間的連接選取M20×55螺栓、M20螺母及彈性墊片；支架與輪轂之間的連接選取M20×75螺栓、M20螺母及墊圈。支架材料選冷加工鋁鍛造6000系列產品，具有易涂層和良好的加工性，適用于有氧化性要求的場合。采用UG繪制的葉片支架如圖2所示。

圖1葉片圖2葉片支架

1.2.3 輪轂的設計

輪轂是整個風輪與傳動軸的連接核心，其結構、設計性能及尺寸精度[3]對整個風力發電機的氣動性能有著直接的影響。輪轂設計主要考慮強度和安裝定位要求，此外為了制造方便、降低加工成本，還要考慮加工性能的要求。輪轂的結構如圖3所示，與此相關的設計主要包括輪轂盤、輪轂、輪轂端蓋。輪轂安裝在輪轂盤上，利用螺栓螺母連接，裝上支架，配合輪轂端蓋，鎖上螺栓螺母即可。

至此，風輪的創新設計已經完成，風輪裝配如圖4所示。

圖3輪轂圖4風輪裝配圖

1.3 軸承座的設計

軸承座的主要作用是承載軸承重力。因家用風力發電機的傳動軸安裝在豎直方向，故將軸承座設計為圓筒形，如圖5所示。

1.4 塔架的設計

H型垂直軸風力發電機的塔架高度一般根據風輪的直徑大小來確定，綜合考慮周圍的障礙物，塔架高度H可用式(2)計算：

H=R+h+h′.

(2)

其中：h為最近障礙物距離風力發電機的高度，此處據實地調研，取值為3.1 m；h′為葉片最低點到地面障礙物最高點的距離，常取值1.5 m～2 m，此處取值2 m。

將上述數據代入式(2)，計算得塔架高度H=6 m。

圖5 軸承座

在整個風力發電機中，塔架的主要作用是支撐風力發電機的主體。從成本上看，塔架占家用小型風力機總設備費用的50%。所以塔架的設計、制造和安裝等也是機組設計、安裝、運行等過程的一個重要環節。

垂直軸家用風力發電機，因結構尺寸較小，故采用圓筒形的塔架即可。圓筒塔架總高為6 000 mm，分為上塔架、下塔架和電動機安裝架。上塔架外徑為Φ180 mm，內徑為Φ164 mm，壁厚為8 mm，高度為2 690 mm；下塔架外徑為Φ220 mm，內徑為Φ200 mm，壁厚為10 mm，高度為3 000 mm；電動機安裝架外徑為Φ220 mm，內徑為Φ200 mm，壁厚為8 mm，高度為310 mm。

塔架的地基設計應滿足風力發電機在安裝時的結構強度要求，可以承受動載荷和靜載荷的綜合作用。此外，不能有明顯的不均勻或下沉現象，以防止整個風力發電機安裝后的傾斜，保證風力發電機的使用性能。

2 風力發電機其他主要部件

2.1 電動機

從家用風力發電機的結構、性能等綜合因素來看，永磁電動機較符合要求。這類電動機結構緊湊、質量輕、體積小，符合家用需求，其基本參數如表1所示。

表1 電動機主要參數

2.2 蓄電池

蓄電池是風力發電系統中的主要部件之一，因為風速在自然狀態下具有不可預測的特點，因此家用風力發電機所產生的電量并非一成不變，而是不斷變化的。為了使風力發電機產生的電量在使用中保持穩定，家用風力發電機需要連接一個蓄電池。通過控制器調節，將蓄電池儲蓄的電能再供給用戶，這樣用戶就能得到穩定的電能。

選擇儲能型鉛酸蓄電池，這類蓄電池對電解液的比重、充電的電流大小和時間長短、放電電流大小以及使用溫度等具有嚴格的要求，但因其價格便宜，被廣泛使用。蓄電池的主要參數如表2所示。

表2 蓄電池主要參數

3 風力發電機的整機安裝

H型垂直軸風力發電機的主要機構包括風輪、傳動軸、塔架以及其他標準件如電動機、蓄電池等[4]。電動機置于塔架上，通過傳動軸連接，再通過輪轂連接葉片，這種連接方式有效地減小了電動機直接承受整個葉片帶來的重力影響。將電動機直接置于塔架的創新模式明顯減少了傳動距離，有效地提高了傳動效率。

H型垂直軸風力發電機各部分安裝關系如圖6所示。

1-地基;2-下塔架;3-上塔架;4-發電機安裝架;5-軸承座;6-支架;7-輪轂;8-葉片

4 結論

新型家用風力發電采用H型垂直軸式結構，能較好地提高風能的利用率[5]，具有結構簡單緊湊、安裝使用方便、價格低廉的特點，適合缺電農村沿海地區的消費水平。發電機可采用圍繞用戶的屋頂或房屋以小型模塊化方式放置，形成一種新型的發電模式，具有較好的實際意義。