垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

楊永海，孟凡召

(1.山東中茂圣源實(shí)業(yè)有限公司，山東 德州 253500；2.山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034)

0 引言

風(fēng)能是可再生能源，資源豐富，來(lái)源廣，具有安全、干凈的特點(diǎn)[1]。為了緩解日益增長(zhǎng)的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題，世界各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)都在加速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究，著力開(kāi)發(fā)各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)等設(shè)備[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)根據(jù)其功率大小可以分為50～1 000 w的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、1～10 kW的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)、10～100 kW的中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和100 kW以上的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。還可以根據(jù)其風(fēng)輪軸的布置形式分為水平軸和垂直軸兩種[3]。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)體型大，需安裝在地勢(shì)較高、風(fēng)力較強(qiáng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)；垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)體型較小，且易于維修、檢修和控制，可以安裝在低地勢(shì)地區(qū)和城市中間，但其發(fā)電效率較低、自啟較難[4-5]。提出了一種垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，并綜合考慮了其自啟、電量存儲(chǔ)等問(wèn)題。

1 國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用情況

國(guó)內(nèi)使用的風(fēng)力發(fā)電一般有以下幾種情況：一是家用。這種發(fā)電機(jī)可以單獨(dú)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(qū)以及尚未通電風(fēng)區(qū)的電視差分轉(zhuǎn)臺(tái)、氣象站、雷達(dá)站、邊防站和無(wú)電小火車站等地，其風(fēng)力發(fā)電機(jī)亦獨(dú)立操作，可以直流輸出或交流輸出1～5 kw。三是大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，與傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組組合或太陽(yáng)能結(jié)合，輸出穩(wěn)定[6-7]。

2 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在研究了現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于貝茨基本理論，設(shè)計(jì)了一款垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，主要由葉片、軸轂、機(jī)架、支撐架、變向器等部分組成，如圖1所示。這款風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制動(dòng)器、離合器等部件可直接安裝在地面上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)，可通過(guò)熱處理加以強(qiáng)化，最后表面拋光。葉片通過(guò)機(jī)架和軸轂與垂直主軸連接。支撐架用于支撐風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其設(shè)計(jì)有利于分散風(fēng)機(jī)重量，支撐架底端與地面用螺栓連接。變向器采用傳動(dòng)比為1的錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，作用是將垂直輸出轉(zhuǎn)換為水平輸出而不變速，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of vertical axis small wind turbine

圖2 變向器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of turning device

3 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作受到風(fēng)載條件的限制，往往需要根據(jù)環(huán)境條件調(diào)整其速度，以滿足正常工作要求。對(duì)各種調(diào)速方式進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。所設(shè)計(jì)的垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)須采用恒定扭矩輸出器控制其輸入轉(zhuǎn)速，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電能的要求，其電能可存儲(chǔ)至指定蓄電設(shè)備或直接用于生產(chǎn)生活用電設(shè)備。由于所設(shè)計(jì)垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，且總體成本較低，可以采用串聯(lián)機(jī)組的方式進(jìn)行大面積布置。此時(shí)需設(shè)計(jì)一套智能控制系統(tǒng)，根據(jù)風(fēng)力情況開(kāi)啟一定數(shù)量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，然后通過(guò)逆變?cè)O(shè)備等將其并入電網(wǎng)運(yùn)行。

表1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速方式Tab.1 Speed adjustment mode of vertical axis wind turbine

3.2 啟動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)與大部分水平軸發(fā)電機(jī)一樣，由于其葉片葉尖速比通常較低，難以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，需借助外力啟動(dòng)，才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這里的外力可以用來(lái)直接推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，如采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。也可以用來(lái)間接推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，如通過(guò)改變?nèi)~片的形狀，使其葉尖速比達(dá)到自啟動(dòng)閾值，即可驅(qū)動(dòng)葉片達(dá)到驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的目的。

設(shè)計(jì)的垂直軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)配有蓄電設(shè)備，正常工作時(shí)，在滿足正常生產(chǎn)生活供電需求的前提下，將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)。達(dá)到儲(chǔ)能閾值后，根據(jù)供能情況，發(fā)電機(jī)會(huì)智能選擇停機(jī)或運(yùn)行等模式。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)為停機(jī)狀態(tài)時(shí)，蓄能器負(fù)責(zé)電力供應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到蓄能器儲(chǔ)能量不足時(shí)，將自動(dòng)向發(fā)電機(jī)供電，此時(shí)發(fā)電機(jī)執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的功能，驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)使風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)在智能控制系統(tǒng)的指揮下循環(huán)工作，可滿足其功率范圍內(nèi)各種情況的電力需求。

4 結(jié)語(yǔ)

提出一種小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計(jì)了葉片、支撐架、變向器等結(jié)構(gòu)件，通過(guò)三維立體化設(shè)計(jì)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可行性。分析了小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，完成了所設(shè)計(jì)小型垂直軸發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及啟動(dòng)方式的設(shè)計(jì)。