關于小型風力發(fā)電機結構的設計研究

龍海飚

摘 要：本文以小型風力發(fā)電機結構設計為研究視角，首先闡述了風力發(fā)電的基本原理，然后分析了小型風力發(fā)電機的結構以及各系統(tǒng)的功能和設計要求，最后在探討風力發(fā)電技術發(fā)展趨勢的基礎上，闡釋了在未來的風力發(fā)電機結構設計中需要解決的關鍵問題，并且提出了解決問題的方法。希望文章的闡述可以為相關設計工作的開展帶去參考與借鑒。

關鍵詞：小型風力發(fā)電機;結構設計;風力發(fā)電

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0164-02

0 引言

在經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，能源危機已經(jīng)成為了世界性的問題，這就要求在未來的發(fā)展實踐中積極利用新能源。風力發(fā)電是利用風能產(chǎn)能電能的過程，是對風能這一潔凈、無污染綠色能源的有效應用，這就凸顯出了風力發(fā)電機組的重要意義。所以如何實現(xiàn)風力發(fā)電機的優(yōu)化設計已經(jīng)成為集中關注的問題。

1 風力發(fā)電的基本原理

在自然中的空氣流動就會形成風，風所呈現(xiàn)出的動能就被稱之為風能，而風力發(fā)電就是有效利用自然中的風能去生產(chǎn)電力資源的過程。在實現(xiàn)風力發(fā)電的過程中，利用風力發(fā)電機去有效捕捉自然界中普遍存在的風能，通過風能對與機組葉片的作用力推動葉輪的轉動，之后通過帶動效應帶動發(fā)電機的運行，最終產(chǎn)生電力資源。簡而言之，風力發(fā)電就是將風能轉變?yōu)闄C械能，之后再轉變?yōu)殡娔艿倪^程。用P表示風蝕風力發(fā)電機的輸出功率，ρ表示空氣密度，Cp表示功率系數(shù)，A表示掃風的面積，V表示風速，那么風力發(fā)電機輸出功率可以利用式（1）表示：P=CpρAV3? ? ? ?（1）

對風力發(fā)電機的輸出功率進行計算的時候，結合貝茲理論可以知道功率系數(shù)Cp極限值約為0.593，當Cp的值越大的時候，風力發(fā)電機在風能當中所能夠獲得能量也就越多，從而也就會使得風力發(fā)電機的工作效率越高，也就是說風力發(fā)電機組對于風能的轉化將會達到更加理想的效果。通常情況下來講，在風力發(fā)電機組當中所利用的風力發(fā)電機與發(fā)電機不盡相同，在系統(tǒng)運行的過程中所產(chǎn)生的能量損耗也就會不同，所以在結構設計的過程中，通常都會結合機組葉片的數(shù)量、葉片的翼型、葉片的功率等參數(shù)，將功率系數(shù)設定為0.25-0.45之間。在系統(tǒng)運行的過程中，風力發(fā)電機組的輸出功率與風輪的直徑呈現(xiàn)出正比例的關系，與空氣環(huán)境中的風速立方值同樣呈現(xiàn)正比例關系，并且還會受到空氣密度的影響?；诖?，風力發(fā)電機的葉輪直徑通常都是比較大的，并且要求風力發(fā)電設備通常要選擇在風能資源比較豐富的區(qū)域假設，區(qū)域內部的風俗達到3m/s以上的時候就可以實現(xiàn)風力發(fā)電。

2 小型風力發(fā)電機的結構分析

從風力發(fā)電機的容量這一角度出發(fā)，現(xiàn)階段在我國風力發(fā)電領域，小型風力發(fā)電機通常是指風力發(fā)電機容量在1-100KW這一范圍之內。從機組的類型上來看主要有兩種，其一就是水平軸機組，其二是垂直軸機組，其中水平軸、上風向、三槳葉的風力發(fā)電機是最為常見的小型風力發(fā)電機，通常都由風輪、調速系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、偏航控制系統(tǒng)、塔架五個部分構成。

2.1 風輪

將葉片組裝在輪轂之上就構成了風輪。在小型風力發(fā)電機當中，葉片是基本的組成部門分，也是實現(xiàn)風力發(fā)電的關鍵構件，其可以將流動的風能有效地轉化為推動風力發(fā)電機旋轉的機械能，所以這一部分是實現(xiàn)風能向電能轉化的基礎。葉片的葉型種類是非常多的，通常使用的都是翼型，在風力發(fā)電機正常轉動的過程中，葉片會受到風荷載以及離心力的作用，由于葉片的形狀是細長的，所以其在受到流動空氣的影響時，受力情況的變化也是非常復雜的。在風力發(fā)電機當中的葉片，要求使用強度極高、重量比較小的材料來制作，進而使得葉片即使在惡劣的氣候環(huán)境之下依舊可以表現(xiàn)出穩(wěn)定的物理性能與化學性能，所以現(xiàn)階段通常都利用鋁合金、不銹鋼、玻璃纖維等材料去制作葉片。

2.2 調速系統(tǒng)

通常情況下來講，由于葉輪在運行的過程中旋轉的速度比較低，不能達到將機械能轉化為電能的要求，此時就需要有效利用齒輪、皮帶等構件實現(xiàn)葉輪的增速。在具有齒輪箱這一裝置的風力發(fā)電機組當中，齒輪箱是實現(xiàn)風力發(fā)電的關鍵組成部分，通過齒輪箱的增速功能將葉輪在風能的作用下所產(chǎn)生的機械能快速的傳遞到發(fā)電系統(tǒng)當中進而可以使得葉輪的轉數(shù)達到相關的要求。由于風力發(fā)電機組都是在戶外的環(huán)境中運行的，相對來講條件比較惡劣，同時安裝的空間比較狹小，這對其維修等工作是具有一定困難的，所以針對風力發(fā)電機進行設計的時候，對于調速系統(tǒng)的要求是比較高的，不僅要求具有極強的可靠性，同時要具備使用耐久性的特征。

2.3 發(fā)電系統(tǒng)

通過前文的闡述可知，風力發(fā)電就是將風能轉化為機械能、再將機械能轉化為電能的過程，所以在風力發(fā)電機當中，發(fā)電系統(tǒng)是核心的組成部分。葉輪在受到風能的推動下發(fā)生轉動，產(chǎn)生了機械能，之后將機械能傳入到發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)通過一定的動作將這些能量轉化為電能，才可以實現(xiàn)風力發(fā)電。在以前的發(fā)展中，小型風力發(fā)電機通常都會利用直流發(fā)電系統(tǒng)，由于這一系統(tǒng)在結構上比較復雜，在維修的過程中比較困難，所以現(xiàn)階段已經(jīng)很少利用，取而代之的是交流發(fā)電系統(tǒng)，如今同步交流發(fā)電系統(tǒng)和異步交流發(fā)電系統(tǒng)的應用十分廣泛，并且獲得了比較好的反饋效果。

2.4 偏航控制系統(tǒng)

對于垂直軸這一類型的小型風力發(fā)電機來講，其可以在運行的過程中接受任意方向的風能，所以在設計的時候不需要設置偏航控制系統(tǒng);但是對于水平軸這一類型的小型風力發(fā)電機來講，若想確保機組當中的風輪可以準確的對準風向，進而提高對風能的利用效率，最終實現(xiàn)提高發(fā)電率的目標，就應該在設計的時候配置上相關的偏航控制系統(tǒng)。與此同時，在風能比較大的時候，偏航控制系統(tǒng)可以發(fā)揮鎖緊力矩的功能，進而使得風力發(fā)電機可以安全穩(wěn)定運行。結合小型風力發(fā)電機的基本特點，在設計的時候可以將偏航控制系統(tǒng)設計為主動型的偏航系統(tǒng)，也可以設置為被動型的偏航系統(tǒng)。

2.5 塔架

在風力發(fā)電機組當中，塔架可以稱之為“地基”，其重要功能就是支撐風輪、發(fā)電系統(tǒng)、調速系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)的構架。在進行風力發(fā)電機設計的時候，塔架的高度應該結合風輪的直徑去確定，同時也要考慮到風力發(fā)電機所安裝的附近的障礙物情況，另外風力發(fā)電機的運行功率、安裝、費用等也需要設計工作者集中思考的?，F(xiàn)階段，對于小型風力發(fā)電機來講，塔架的高度通常都會控制在6-20m這一區(qū)域之內。在設計塔架的過程中，設計工作者還應該結合塔架靜態(tài)以及動態(tài)的基本特性、塔架與機艙之間的連接、塔架運輸?shù)木嚯x以及安裝工藝等等。在結構上來看，塔架可以分為桁架式和塔筒式兩種結構形式，前者在早期風力發(fā)電機組當中的應用比較廣泛，在制造上的工藝流程比較簡單、成本比較低廉、運輸比較方便是其主要的優(yōu)勢，但是它也存在一定的不足之處，那就是搭建通向塔頂?shù)奶葑硬缓冒才?，進而使得安全性能不高;后者是現(xiàn)階段風力發(fā)電事業(yè)當中針對塔架設計常用的類型，其不僅具備桁架式這一類型塔架的全部優(yōu)勢，同時可以呈現(xiàn)出更大的審美價值與安全性能。

3 小型風力發(fā)電機結構設計中需要解決的關鍵問題

從現(xiàn)階段風力發(fā)電技術的發(fā)展趨勢上來看，單機容量大型化是主要的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)這一目標主要就是增加葉輪的尺寸，從而使得風力發(fā)電機在運行的過程中可以獲取更多的風能，進而提高對風能的利用效率。與此同時，隨著風力發(fā)電事業(yè)的快速發(fā)展，現(xiàn)階段風能資源比較豐富的地區(qū)已經(jīng)基本開發(fā)完畢，所以針對低風速區(qū)域的風力發(fā)電技術已經(jīng)成為關注的焦點，為了使得風力發(fā)電機組在運行的過程中可以在低風速的區(qū)域中獲得同樣的風力發(fā)電機功率，就要使得葉輪掃風的面積變大，所以葉片的長度就會增加，這對于塔架的高度來講也要進行重新設計。進一步增加風力發(fā)電機組的柔度會使得風力發(fā)電機在運行的過程中引發(fā)較為嚴重的振動問題。而振動問題對于風力發(fā)電機來講是不利的，對于其中的風輪、齒輪箱、塔架等相關部件都會帶來一定的影響，在輕微振動問題的影響下，可能會導致各部件運行效率的降低、提高磨損的速度，在問題嚴重的時候甚至會引發(fā)重大安全事故，對風力發(fā)電機往往會帶來毀滅性的破壞，這將影響風力發(fā)電事業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。如果在設計的過程中僅僅依靠去加強風力發(fā)電機整體結構的強度以及剛度會使得風力發(fā)電機生產(chǎn)過程中所耗費的成本大幅度提高，這就需要設計工作者依靠風力結構動力學去解決相關問題，這也是未來小型風力發(fā)電機結構設計中需要集中關注的問題所在。以下以風力發(fā)電機葉片結構動力學為例做出詳細分析：

眾所周知，在風力發(fā)電機當中，葉片是受力最為復雜的構件。在風力發(fā)電機組運行的過程中，葉片處于不停的旋轉狀態(tài)下，其的激勵作用是由慣性、重力、彈性共同引發(fā)的，同時還受到氣動力的影響。在這一過程中每一種激振力基本上都會通過葉片這一構件傳播出去，而葉片的結構特點是展向比較長、弦向比較短的細長體，并且葉片的柔度是比較大的，所以其在運行的過程中是最容易發(fā)生振動問題的部件，各種各樣的機械性振動首先都是在葉片上發(fā)生的。葉片在實現(xiàn)轉動的過程中，不僅會受到空氣阻力的作用，同時還會生成升力，所以葉片是非常典型的氣動彈性部件，所以也就使得在葉片這一部件上所呈現(xiàn)出的振動問題是最突出的。

對葉片的振動特性進行研究的過程中可以基于以下兩種方法：第一，是當量彈性鉸鏈法，第二就是模態(tài)法，這兩種方法都將小擾動的線性方程作為基礎。當量彈性鉸鏈法是將葉片的全部彈性都集中在葉片這一部件的根部，也就是要將葉片當做為一個剛體進行考慮，就如同在一個彈簧的上面安裝上一個剛體，通過這種簡化之后的模型對葉片的結構動力學問題進行計算與求解，進而為葉片的優(yōu)化設計提供數(shù)據(jù)支持。而模態(tài)法，是彈性體的形態(tài)，也就是所謂的振型，在彈性體的各階主振型相互正交的情況下，將無窮多個頻率的振動分解成具有單一頻率的振動，也就是將葉片這一部件的振動特性轉化為廣義坐標之上的運動實現(xiàn)求解，進而也可以為葉片的優(yōu)化設計提供科學依據(jù)。

4 結語

綜上所述，在風力發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展的背景下，實現(xiàn)小型風力發(fā)電機結構的優(yōu)化設計是進一步提高風力發(fā)電機組運行效率與可靠性的需要，是提高風力發(fā)電機發(fā)電效率的需要，是推動風力發(fā)電事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要。希望通過文章的闡述，可以使得相關工作人員認識到小型風力發(fā)電機結構優(yōu)化設計的重要意義與必要性，結合我國風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展需要，將科學理論作為依據(jù)，將滿足風力發(fā)電需求作為根本出發(fā)點與最終立足點，深刻認知在風力發(fā)電機結構設計過程中需要解決的關鍵問題，整合先進的技術方法與儀器設備，樹立最新的設計理念，實現(xiàn)風力發(fā)電機結構的逐步優(yōu)化。