垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的改進(jìn)與調(diào)速

楊森

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及煤炭、石油和天然氣等非再生資源的過(guò)度消耗，環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，促進(jìn)了新能源的研究與發(fā)展。而風(fēng)能這種綠色環(huán)保能源隨著對(duì)新能源的日益需求逐漸進(jìn)入人們的生活當(dāng)中，其中主要表現(xiàn)在利用風(fēng)力發(fā)電。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；優(yōu)點(diǎn)；調(diào)速

風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)大體上可以分為以下幾個(gè)重要組成部分：中心支架、固定葉片輔助支架、風(fēng)輪輪轂、葉片、齒輪變速箱等。在世界上，普遍把風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為兩大類：一是水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，二是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

一、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1.總體性能指標(biāo)高。在構(gòu)造上運(yùn)用了直葉片和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)，并且主要受力點(diǎn)集中于輪轂，解決了葉片脫落、斷裂和葉片飛出等問(wèn)題，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片按相同的角度差形成圓周，這樣設(shè)計(jì)的目的可以降低對(duì)中心支架的壓力；另外，齒輪箱、減速箱和傳動(dòng)裝置等一系列的輔助設(shè)備都可放置在離地面相對(duì)近的工作平臺(tái)上，減輕了風(fēng)機(jī)本身的重量，一定程度上減少了風(fēng)機(jī)的構(gòu)造和維護(hù)成本，并且垂直軸風(fēng)機(jī)可利用于建筑集成上，有利于城市建設(shè)。

2.降低噪音污染。采用了水平面旋轉(zhuǎn)以及葉片應(yīng)用飛機(jī)翼型原理設(shè)計(jì)，使得噪音降低到在自然環(huán)境下測(cè)量不到的程度。

3.不需要安裝輔助系統(tǒng)。垂直軸風(fēng)機(jī)和水平軸風(fēng)機(jī)相比，由于垂直軸風(fēng)機(jī)的葉片旋轉(zhuǎn)平面平行于地面，這樣使得對(duì)風(fēng)能的獲取可以來(lái)自各個(gè)方向，不需要像水平軸風(fēng)機(jī)那樣增加偏航裝置來(lái)調(diào)節(jié)接受風(fēng)能的方向，總體結(jié)構(gòu)上變的更加的簡(jiǎn)單，一定程度上減小了風(fēng)機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的振動(dòng)，提升了其可靠性。

4.抗風(fēng)能力強(qiáng)。水平旋轉(zhuǎn)和三角形雙支點(diǎn)設(shè)計(jì)原理，使得它受風(fēng)的壓力小，可以抵抗每秒45米的臺(tái)風(fēng)。

5.葉片構(gòu)造簡(jiǎn)單。由于垂直軸風(fēng)機(jī)葉片對(duì)風(fēng)能的捕獲能力增強(qiáng)了，葉片受風(fēng)力旋轉(zhuǎn)時(shí)只受風(fēng)機(jī)的壓力以及旋轉(zhuǎn)離心力對(duì)葉片的張力，所以對(duì)葉片材料的要求程度降低，選用的材料更加的通用，減少了購(gòu)買(mǎi)葉片的成本。

6.轉(zhuǎn)速范圍變大。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比于水平軸風(fēng)機(jī)，其可以達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速要比水平軸風(fēng)機(jī)高的多，在強(qiáng)風(fēng)速下的運(yùn)行穩(wěn)定性比水平軸風(fēng)機(jī)好，最大值可以承受 60m/s 的高強(qiáng)度風(fēng)速。只要控制策略和風(fēng)機(jī)本身材料選擇合適，垂直軸風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)能的利用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地大于水平軸風(fēng)機(jī)。

同時(shí)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有以下缺點(diǎn)：一是垂直軸風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)性能指標(biāo)比水平軸風(fēng)機(jī)差，二是葉片在旋轉(zhuǎn)一周中，在有些位置產(chǎn)生負(fù)力矩，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)輸出效率低；三是所有風(fēng)電機(jī)組的共同問(wèn)題：抗震動(dòng)問(wèn)題，尤其是大型風(fēng)機(jī)的震動(dòng)問(wèn)題；四是由于風(fēng)是一種不確定的實(shí)時(shí)變化的因素，風(fēng)力發(fā)電的輸出功率的穩(wěn)定性不如傳統(tǒng)意義上的火力發(fā)電，導(dǎo)致波動(dòng)大不容易并網(wǎng)。

二、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的改進(jìn)分析

搭建一個(gè)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)平臺(tái)需要軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)兩大方面。在硬件設(shè)計(jì)中，主要包括風(fēng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，零件的材料選取，各部分結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)等內(nèi)容。在軟件設(shè)計(jì)中主要包括對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)于風(fēng)機(jī)大的控制策略以及控制軟件的開(kāi)發(fā)等內(nèi)容。軟硬件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面既是獨(dú)立的，又是聯(lián)系的，每個(gè)方面都是建立在其他方面的基礎(chǔ)上，最后軟硬件結(jié)合形成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。由于軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用在研究中復(fù)雜繁瑣，這里不過(guò)多的介紹，下面主要介紹在硬件設(shè)計(jì)上對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有著重要影響的硬件要求。對(duì)于垂直軸風(fēng)機(jī)的開(kāi)發(fā)與利用，不光要在控制策略等方面進(jìn)行深入研究，而且對(duì)于風(fēng)機(jī)的硬件條件也不容忽視。最終的目的是要使風(fēng)機(jī)在各種條件對(duì)風(fēng)機(jī)的各方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得風(fēng)機(jī)能夠更好地利用風(fēng)能，確保風(fēng)機(jī)的輸出功率達(dá)到最高效率，并且對(duì)于風(fēng)機(jī)本身而言，要使得它的使用壽命增加，維護(hù)更方便，構(gòu)造與維修成品更加地符合經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量的選擇，一要看設(shè)計(jì)初衷里想要風(fēng)機(jī)達(dá)到的輸出功率是多少；二是需要考慮葉片與風(fēng)機(jī)的齒輪箱變速箱之間的配合問(wèn)題；三是考慮到風(fēng)機(jī)對(duì)環(huán)境的噪聲污染；四是考慮風(fēng)機(jī)的構(gòu)建與維護(hù)費(fèi)用?，F(xiàn)今，常見(jiàn)的H軸風(fēng)機(jī)大多都是4葉片、6葉片和8葉片風(fēng)機(jī)。

葉片數(shù)量在一定程度上影響著風(fēng)機(jī)的整體性能。不管風(fēng)機(jī)葉片的材料成分以及外形尺寸，對(duì)兩葉片風(fēng)機(jī)和三葉片風(fēng)機(jī)進(jìn)行比較，兩者的輸出功率相差不多，但是兩葉片風(fēng)機(jī)可以有較高的葉尖速比，當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，兩葉片風(fēng)機(jī)會(huì)比三葉片風(fēng)機(jī)實(shí)用。

風(fēng)輪的葉片數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)負(fù)載有一定影響，葉片數(shù)量多時(shí)，會(huì)增加風(fēng)機(jī)的噪聲，同時(shí)增大了對(duì)風(fēng)輪的振動(dòng)，對(duì)機(jī)器硬件的抗壓抗震條件增加了硬性指標(biāo)。但是從外觀上考慮，三葉片風(fēng)機(jī)由于其對(duì)稱性等原因，更能被大眾所接受。

兩葉片風(fēng)機(jī)由于葉片數(shù)量減少后，構(gòu)造風(fēng)機(jī)的成本以及維護(hù)成本會(huì)相應(yīng)地減少，但也伴隨著一些不利因素，因此，對(duì)風(fēng)機(jī)葉片數(shù)量的選擇要視具體情況而定，要確定構(gòu)建風(fēng)機(jī)的目的。比如家用風(fēng)機(jī)、大型風(fēng)機(jī)并網(wǎng)以及用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)，這些風(fēng)機(jī)的葉片數(shù)都是不確定的。

三、轉(zhuǎn)速控制

當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定功率后，此時(shí)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速被稱為風(fēng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要的標(biāo)量，尤其是在變槳距風(fēng)機(jī)中，控制系統(tǒng)控制對(duì)槳距角的變化，目的主要在于將風(fēng)機(jī)控制在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，保證風(fēng)機(jī)的輸出功率一直在額定功率下，這樣就使得風(fēng)機(jī)的輸出功率穩(wěn)定，而且這個(gè)穩(wěn)定值跟風(fēng)機(jī)最大限度利用風(fēng)能后的理想值相差最小。變槳距控制的最終目的就是要使得風(fēng)機(jī)保持在這個(gè)最佳的額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。

葉尖速比在風(fēng)機(jī)整體運(yùn)行過(guò)程中影響著風(fēng)機(jī)各硬件的整體性能。當(dāng)風(fēng)速不變時(shí)，葉尖速比大說(shuō)明此時(shí)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速快，轉(zhuǎn)速快一是說(shuō)明接收到的風(fēng)能多，二是轉(zhuǎn)速快可以使得葉片產(chǎn)生較大的上升浮力，一定程度上減輕了風(fēng)輪支架對(duì)主軸的重量，對(duì)有利于風(fēng)機(jī)的使用壽命。所以在設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)時(shí)，都會(huì)讓風(fēng)機(jī)具有較大的葉尖速比。另外，較高的葉尖速比減小了對(duì)葉片材料上的要求，降低了構(gòu)造風(fēng)機(jī)的成本。但是，如果當(dāng)葉尖速比過(guò)高時(shí)，也會(huì)引發(fā)一些問(wèn)題：比如首先會(huì)造成噪聲污染，不利于人們的生活，其次會(huì)造成風(fēng)機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，如果產(chǎn)生共振的話會(huì)直接威脅風(fēng)機(jī)的使用壽命，如果該風(fēng)機(jī)在城市中應(yīng)用的話，甚至?xí){人類的生命安全。所以對(duì)風(fēng)機(jī)的葉尖速比要選擇合適的值。

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