垂直軸小型風力發電機設計

楊永海，孟凡召

(1.山東中茂圣源實業有限公司，山東 德州 253500；2.山東華宇工學院機械工程學院，山東 德州 253034)

0 引言

風能是可再生能源，資源豐富，來源廣，具有安全、干凈的特點[1]。為了緩解日益增長的能源問題和環境問題，世界各國的研究機構都在加速風力發電技術研究，著力開發各種風力發電機等設備[2]。風力發電機根據其功率大小可以分為50～1 000 w的微型風力發電機、1～10 kW的小型風力發電機、10～100 kW的中型風力發電機和100 kW以上的大型風力發電機組。還可以根據其風輪軸的布置形式分為水平軸和垂直軸兩種[3]。水平軸風力發電機體型大，需安裝在地勢較高、風力較強的偏遠地區；垂直軸風力發電機體型較小，且易于維修、檢修和控制，可以安裝在低地勢地區和城市中間，但其發電效率較低、自啟較難[4-5]。提出了一種垂直軸小型風力發電機結構，并綜合考慮了其自啟、電量存儲等問題。

1 國內風力發電機應用情況

國內使用的風力發電一般有以下幾種情況：一是家用。這種發電機可以單獨操作，使用電池，直流輸出或交流輸出，容量100～300 w，可以滿足家用電器如照明、電視電源的需求。二是隔離的小型住宅區以及尚未通電風區的電視差分轉臺、氣象站、雷達站、邊防站和無電小火車站等地，其風力發電機亦獨立操作，可以直流輸出或交流輸出1～5 kw。三是大型風力發電場，與傳統火力發電機組組合或太陽能結合，輸出穩定[6-7]。

2 垂直軸風力發電機結構設計

在研究了現有風力發電機結構特點的基礎上，基于貝茨基本理論，設計了一款垂直軸小型風力發電機，主要由葉片、軸轂、機架、支撐架、變向器等部分組成，如圖1所示。這款風力發電機的制動器、離合器等部件可直接安裝在地面上，結構簡單，維修方便。葉片總體尺寸較小，選用易批量加工的ZL104材料，這種鑄造鋁合金具有鑄造性能好、密度低、耐腐蝕、耐熱性和可焊性好等特點，可通過熱處理加以強化，最后表面拋光。葉片通過機架和軸轂與垂直主軸連接。支撐架用于支撐風力發電機，其設計有利于分散風機重量，支撐架底端與地面用螺栓連接。變向器采用傳動比為1的錐齒輪傳動機構，作用是將垂直輸出轉換為水平輸出而不變速，結構如圖2所示。

圖1 垂直軸小型風力發電機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of vertical axis small wind turbine

圖2 變向器的結構示意圖Fig.2 Structure diagram of turning device

3 垂直軸風力發電機系統設計

3.1 調速系統設計

垂直軸風力發電機的工作受到風載條件的限制，往往需要根據環境條件調整其速度，以滿足正常工作要求。對各種調速方式進行分析，結果如表1所示。所設計的垂直軸小型風力發電機須采用恒定扭矩輸出器控制其輸入轉速，以達到穩定輸出電能的要求，其電能可存儲至指定蓄電設備或直接用于生產生活用電設備。由于所設計垂直軸小型風力發電機易于實現大批量生產，且總體成本較低，可以采用串聯機組的方式進行大面積布置。此時需設計一套智能控制系統，根據風力情況開啟一定數量的風力發電機，然后通過逆變設備等將其并入電網運行。

表1 垂直軸風力發電機調速方式Tab.1 Speed adjustment mode of vertical axis wind turbine

3.2 啟動系統設計

垂直軸小型風力發電機與大部分水平軸發電機一樣，由于其葉片葉尖速比通常較低，難以實現自啟動，需借助外力啟動，才能正常運轉。這里的外力可以用來直接推動葉輪旋轉，如采用發動機驅動葉輪轉動。也可以用來間接推動葉輪旋轉，如通過改變葉片的形狀，使其葉尖速比達到自啟動閾值，即可驅動葉片達到驅動葉輪旋轉的目的。

設計的垂直軸小型風力發電機配有蓄電設備，正常工作時，在滿足正常生產生活供電需求的前提下，將多余的電能儲存起來。達到儲能閾值后，根據供能情況，發電機會智能選擇停機或運行等模式。當風力發電機為停機狀態時，蓄能器負責電力供應，當系統檢測到蓄能器儲能量不足時，將自動向發電機供電，此時發電機執行電動機的功能，驅動葉輪旋轉使風力發電機啟動。該風力發電機在智能控制系統的指揮下循環工作，可滿足其功率范圍內各種情況的電力需求。

4 結語

提出一種小型垂直軸風力發電機的設計結構，主要設計了葉片、支撐架、變向器等結構件，通過三維立體化設計驗證了設計結構的可行性。分析了小型垂直軸風力發電機調速系統、啟動系統的設計思路，完成了所設計小型垂直軸發電機的調速系統設計以及啟動方式的設計。