阻力型垂直軸風力發(fā)電機組的優(yōu)化設計

伍玩秋，黃禮萬，林毅貞，潘新宇，裴新軍，劉文彬

（陽江職業(yè)技術學院機電系，廣東 陽江）

引言

阻力型垂直軸風力發(fā)電機組（以下簡稱“阻力型垂直軸風電機組”）是垂直軸風電機組中的一種。它的基本特征一是風輪轉(zhuǎn)軸與風向垂直（一般與地面也垂直），二是利用風輪對風時受到的阻力來做功。各類型的垂直軸風電機組的發(fā)電機、傳動機構(gòu)、檢測控制機構(gòu)大同小異，主要是其風輪結(jié)構(gòu)的不同。垂直軸風電機組的風輪有屏障平板式、平板擺轉(zhuǎn)式、風杯式、S 式阻力差、薩握紐斯、塞內(nèi)加爾等6 種基本類型[1]。垂直軸風電機組能適應不同的風向，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、安裝維修方便等優(yōu)點，十分適合做成小型風電機組。但現(xiàn)有的阻力型垂直軸風電機組存在起動性能不佳、風能利用率不高、抗強風能力不足等缺點，影響了其應用和推廣。

1 傳統(tǒng)阻力型垂直軸風電機組設計方面存在的主要問題

發(fā)電機和風輪是風電機組最重要的兩個組成部分，前者為吸收風能并使之轉(zhuǎn)化為機械能的重要部件，后者則是將機械能進一步轉(zhuǎn)化為電能的重要部件。傳統(tǒng)阻力型垂直軸風電機組存在的系列缺點，主要源于機械設計方面的原因，以發(fā)電機為核心的電氣系統(tǒng)在設計方面亦存在不足之處。

1.1 機械設計方面存在問題

機械設計方面存在的問題主要是風輪的設計存在缺陷，包括：

（1）葉片選用不當。部分阻力型垂直軸風電機組的風輪所采用的是螺旋形葉片，使不同高度的葉片能適應不同的風向，避免了對風“死角”的出現(xiàn)，但卻使風對葉片產(chǎn)生的升力過分增加，而風對葉片產(chǎn)生的阻力又相應減少，阻力是驅(qū)動阻力型垂直軸風電機組風輪轉(zhuǎn)動的主要力量，因此風對葉片阻力的減少將導致風輪風能利用率的下降；另一部分阻力型垂直軸風電機組的風輪采用豎直放置的平板形葉片，使風對葉片產(chǎn)生的作用力全部表現(xiàn)為阻力，但受葉片結(jié)構(gòu)及相對位置的影響，在轉(zhuǎn)動過程中葉片的對風角度將急劇變化，其所受的阻力亦衰減較快，導致風能利用率有所下降[2]。

（2）葉片結(jié)構(gòu)欠佳。有些風輪采用存在先天缺陷的單層風輪結(jié)構(gòu)。受風力大小、摩擦力大小、風輪對稱性等綜合性因素的影響，這種風輪有時可能出現(xiàn)所受正、反轉(zhuǎn)矩數(shù)值相等的情況，導致風輪無法自起動（這一對風角度即為所謂的對風“死角”）。有些風輪內(nèi)部葉片之間處于完全相互隔離狀態(tài)或沒有隔離但交錯間隙過小，也會阻礙氣流在風輪各葉片間的有序合理流動，進而影響風輪對風能的第二次利用乃至產(chǎn)生噪聲。

（3）風輪屏障配置缺失或不合理。一是無采用合理的屏障裝置，使風輪葉片凹面對風的一側(cè)產(chǎn)生與風輪設定轉(zhuǎn)向相同的轉(zhuǎn)矩（即所謂“正向轉(zhuǎn)矩”），而風輪葉片凸面對風的另一側(cè)則產(chǎn)生相反的轉(zhuǎn)矩（即所謂“反向轉(zhuǎn)矩”），同一個風輪受到兩個轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，將導致兩個反向轉(zhuǎn)矩相互抵銷，使風輪轉(zhuǎn)速下降，風能利用率亦下降。二是所采用的屏障裝置欠合理，例如，有些風輪設計采用半圓筒形的屏障板，以遮住風輪葉片凸面對風的一側(cè)，避免產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，有助提升風輪的風能利用率，但還是存在下列問題：半圓筒形的屏障板遮住了風輪葉片凸面對風一側(cè)的半個風輪圓柱側(cè)面，導致氣流進入風輪后半周后幾乎完全被包裹，無法得到合理釋放，使風輪內(nèi)部氣流質(zhì)量及風能利用率下降。

1.2 電氣設計方面存在問題

（1）電氣控制系統(tǒng)功能定位有偏差。目前多數(shù)設計者把阻力型垂直軸風電機組產(chǎn)品的應用領域定位仍然局限為普通家庭用電的補充電源，其輸出的是單一的單相220V 交流電。其實在廣大城鄉(xiāng)已全面普及公共電網(wǎng)的今天，垂直軸風力發(fā)電機組產(chǎn)品作為普通家庭補充電源的意義并不大。阻力型垂直軸風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)特點和性價比決定了其更適合制成配置儲電裝置的小容量移動電源，應用于遠離公共電網(wǎng)的小功率移動用電場合，滿足野營、游牧、考古、勘測等戶外活動及偏遠地區(qū)監(jiān)測性設備、信號燈等小功率電器的用電需求。為此風電機組的電氣控制系統(tǒng)應做相應的改進和完善，體現(xiàn)野外環(huán)境下便攜式、多功能的設計要求，以滿足手機（充電寶）、中小功率電鉆等直流、交流電器產(chǎn)品的用電需求。

（2）發(fā)電機選擇不科學。阻力型垂直軸風電機組的風輪外形輪廓大都為圓柱形，其有效對風面積為經(jīng)過轉(zhuǎn)軸的方形截面。在高度不變的情況下，風輪直徑增大1 倍，有效對風面積只是增大1 倍，但風輪的體積卻增大為原來的4 倍，意味著風輪的制作材料也大約增大為原來的4 倍左右，所以從制作成本考慮，阻力型垂直軸風電機組的風輪不宜過大，而適合做成小型輕便的移動電源，這就要求必須選用低壓穿越性能較優(yōu)、具有較高發(fā)電效率的小型發(fā)電機。但現(xiàn)有阻力型垂直軸風電機組大多采用單相交流發(fā)電機或單相直流發(fā)電機，而在發(fā)電功率相同的情況下，這兩種發(fā)電機不僅單位質(zhì)量的發(fā)電功率相對較小，而且對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的敏感性較弱（即風輪轉(zhuǎn)速較小時發(fā)電機往往會感應不到有效電壓而不能有效發(fā)電），使風力發(fā)電機組的性能大打折扣。

2 阻力型垂直軸風電機組之優(yōu)化設計

2.1 機械設計方面的改進

2.1.1 采用上下層半圓筒形葉片均勻錯開、內(nèi)部無中心軸的雙層圓柱形風輪

（1）基本結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，這種雙層圓柱形風輪主要由6 個半圓筒形葉片、3 個水平放置的圓盤、4 個三角形的加固板等組成，具有如下結(jié)構(gòu)特點：①風輪總體呈圓柱狀，由等高的上、下兩層組成；每一層都采用材料和外形尺寸相同的豎直安裝的半圓筒形葉片；半圓筒形葉片所在圓直徑略大于圓盤半徑，使風輪每一層內(nèi)部形成互通的氣流通道；葉片縱向外側(cè)邊與風輪圓周平齊。②每一層葉片垂直安裝、均勻布局，上層葉片與下層葉片的位置相互均勻錯開。同一層葉片在圓盤上的豎直投影是3 段均勻分布的等半圓弧，上下兩層的葉片豎直投影在同一圓盤上則為6 段分布均勻的等半圓?。ㄆ渲猩钌? 條圓弧是上層葉片的投影，淺色3 條圓弧則是下層葉片的投影）；③風輪的上、下兩端有短軸但內(nèi)部無軸；每一層葉片的水平弧形邊與上下兩端的圓盤銜接固定；葉片的縱向內(nèi)側(cè)邊鑲嵌有直徑和長度與葉片的厚度和長度相等的高強度的圓柱條（所謂“加強邊”），圓柱條兩端剛好能對應嵌入加固板的3個小孔；風輪上端短軸、下端短軸靠近圓盤的一端嵌入加固板中心的大孔，加固板貼近風輪的水平端面則與相鄰圓盤的水平端面銜接固定[3]。

圖1 雙層圓柱型風輪結(jié)構(gòu)示意圖

（2）功能特點

①弧面結(jié)構(gòu)的半圓筒形葉片對風時，其對風角度變化的平滑性較好，利于均勻吸收風能，提升風能吸收的效率；垂直安裝的葉片在對風時，只受到阻力的作用（受到的升力為零），這正好迎合了阻力型垂直軸風機組風輪的需要[4]。

②風輪內(nèi)部互通的氣流通道，利于被第一個葉片吸收能量后的尾氣流順利流向下一個葉片的凹面，促進尾氣能量的第二次利用；當面臨較強風力時，此通道也利于風輪內(nèi)氣流的泄放，從而有助提升風電機組的切出風速（停機風速），增大風電機組的有效風速范圍，進而提高風電機組的風能利用率，減少風電機組的事故機率。

③葉片和加固板的均勻?qū)ΨQ分布，風輪重心落在豎直軸線上，使風輪處于對稱的重力平衡狀態(tài)，利于提升風輪的穩(wěn)定性，減小疲勞載荷，降低風輪的切入風速（起動風速）。

④均勻錯開的上、下兩層葉片布局，使風輪處在任一個起始位置時，上層葉片或下層葉片總有其中之一受到較大風力，以避免出現(xiàn)對風“死角”，從而有助提高風電機組的起動性能。

⑤葉片加強邊和加固板的設計與應用，能確保風輪在無中心軸狀況下，也能實現(xiàn)正常運轉(zhuǎn)。這時尾氣在通過無中心轉(zhuǎn)軸的風輪內(nèi)部時，不再受中心轉(zhuǎn)軸的阻擋而順利進入風輪有序流動，從而減少產(chǎn)生紊亂氣流乃至噪聲的可能，促進尾氣攜帶能量的第二次利用，進一步提升風輪吸收風能的質(zhì)量和效率。

2.1.2 基于漏斗型屏障和尾舵的自動對風、聚風、泄風系統(tǒng)

（1）基本結(jié)構(gòu)

如圖2、圖3 所示，基于漏斗型屏障和尾舵的自動對風、聚風、泄風系統(tǒng)由漏斗型屏障、屏障支架、尾舵板、尾舵橫桿、大小軸承、大小軸承套等組成，其中漏斗型屏障入口其中一側(cè)有一張可繞軸擺動的斜板（活動板），活動板轉(zhuǎn)軸上下兩端加裝扭力彈簧，用于控制活動板的活動位置或范圍。尾舵桿和屏障支架均與小軸承套剛性連接，屏障支架又與漏斗型屏障剛性連接。尾舵板、尾舵橫桿、小軸承套、屏障支架、漏斗型屏障形成杠桿結(jié)構(gòu)，其中尾舵板水平底邊與尾舵桿所在線段構(gòu)成一個力臂（動力臂），漏斗型屏障入風口所在平面到上端轉(zhuǎn)軸的最短距離構(gòu)成另一個力臂（阻力臂）；杠桿的支點為尾舵桿所在直線與風輪上端轉(zhuǎn)軸所在中心線的交點。另外，小軸承套除與屏障支架剛性連接外，還用于固定小軸承的外圈、大軸承的內(nèi)圈；大軸承套則固定大軸承的外圈，并連接支撐整個風輪的三腳固定支架。

圖3 漏斗型屏障的活動板結(jié)構(gòu)示意圖

（2）功能特點

①實現(xiàn)自動對風功能。由于大軸承套連接支撐整個風輪的三腳固定支架，這樣風輪繞著上、下端轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；而自動聚風與對風系統(tǒng)則以小軸承套為軸，繞著小軸承外圈和大軸承內(nèi)圈轉(zhuǎn)動。在由尾舵板、尾舵橫桿、小軸承套、屏障支架、漏斗型屏障形成的杠桿結(jié)構(gòu)中，由于尾舵板水平底邊與尾舵桿的設計長度遠遠大于漏斗型屏障入風口所在平面到上端轉(zhuǎn)軸的距離，所以整個自動聚風與對風系統(tǒng)相當于一個水平放置省力杠桿。與此同時，尾舵板的設計尺寸也相對較大，使整個自動聚風與對風系統(tǒng)在對風時，風對尾舵板的作用力能確保尾舵板所在平面與風向平行。根據(jù)立體幾何的相關原理，由于尾舵板所在平面與漏斗型屏障入風口所在平面也相互垂直，因此漏斗型屏障入風口所在平面也與風向垂直，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動對風功能。

②實現(xiàn)自動聚風和屏障功能。如圖4 所示，來風垂直于進風口AB 進入漏斗型屏障。其中右側(cè)的來風直接從漏斗型屏障的出風口CD 進入風輪的凹面對風側(cè)（風輪這一側(cè)的葉片凹面對風），而左側(cè)的來風在漏斗型屏障左側(cè)檔板AD 的作用下也被引導至漏斗型屏障的出風口CD 進入風輪的凹面對風側(cè)，這樣兩側(cè)的來風聚集后一起吹向風輪的凹面對風側(cè)，共同產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動風輪沿設定的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)動；與此同時，因受左側(cè)檔板AD 的阻擋，左側(cè)來風無法進入風輪葉片凸面對風的一側(cè)，因而這一側(cè)的葉片也就不受風力作用，不會產(chǎn)生與設定轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，這樣風輪另一側(cè)葉片產(chǎn)生的與設定轉(zhuǎn)向相同的正向轉(zhuǎn)矩將不會被前述的相反轉(zhuǎn)矩所抵銷，從而利于風輪整體風能利用率的提升。

圖4 自動聚風、泄風功能示意圖

③實現(xiàn)自動泄風功能。如圖4 所示，當靜風或風力不超過風輪所能承受的最大風速（切出風速）時，在扭力彈簧的彈力作用下，活動板處于正常閉合狀態(tài)（活動板處于圖中的AE 位置），與其它固定板面構(gòu)成完整的漏斗型屏障，這時漏斗型屏障發(fā)揮正常的自動聚風和屏障功能；當風力超過切出風速時，活動板開始張開，并且其張開的角度隨著風力強度的增大而增大（活動板處于AH 位置時的風力＞AG 位置時的風力、AF 位置時的風力）。風輪遇到強風時，活動板能自動泄放掉部分氣流，避免風輪轉(zhuǎn)速過快；同時，從活動板排出的部分氣流會進入風輪的凸面對風側(cè)，使里面凸面對風的葉片受到風力作用而產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，抵銷風輪的凹面對風側(cè)葉片產(chǎn)生的正向轉(zhuǎn)矩，也會使風輪的轉(zhuǎn)速有所下降。這樣，基于活動板結(jié)構(gòu)的漏斗型屏障便具有了自動泄風功能，使風輪可以避免過強風力的破壞。

2.2 電氣設計方面的改進

如圖5 所示，本方案所描述的小功率阻力型垂直軸風電機組的電氣系統(tǒng)由三相交流發(fā)電機、整流器、濾波器及電源控制器、蓄電池、逆變器、直流輸出端子和交流輸出端子等組成。其中三相交流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為三相交流電動勢；電源控制器主要起到接收電源、分配電源、穩(wěn)定電壓及保護電源等方面的作用；由六個整流二極管組成的整流器將發(fā)電機產(chǎn)生的三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M直流電；濾波器能過濾掉整流后仍然殘余的交流電成份，使最后輸出的直流電更加平穩(wěn)；逆變器將24V 或12V 的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?0Hz、220V的交流電；蓄電池主要起儲存電能作用，風電機組正常發(fā)電時處于浮充狀態(tài)，風電機組不發(fā)電或發(fā)電不足時作為應急電源使用。

圖5 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

與傳統(tǒng)的小型垂直軸風力發(fā)電機組不同：一是本方案所設計的小功率阻力型垂直軸風電機組采用的三相交流發(fā)電機，在一個周期內(nèi)會有三組線圈切割磁力線，而單相交流發(fā)電機在一個周期內(nèi)只有一組線圈切割磁力線，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及每組線圈匝數(shù)相等的情況下，前者理論上的發(fā)電功率將是后者的3 倍。二是體現(xiàn)了人性化設計原則。整個風電機組可分拆為風輪本體、尾舵板（桿）、塔桿、豎直轉(zhuǎn)軸、底座等五件套，豎直轉(zhuǎn)軸可放入塔桿內(nèi)、電氣控制元件固定在底座內(nèi)，總體占用空間較小，方便打包運輸；各部分之間主要由螺栓、卯榫結(jié)構(gòu)、螺絲端攻入螺母口、連軸器等方式連結(jié)固定，并隨機配送普通活動扳手、內(nèi)六角扳手、螺絲刀等完整的工具包，拆裝方便。另外同時設計了直流和交流電源輸出端，特別是直流電源輸出端，設計了5V、9V、12V、18V、24V 等輸出端，可以滿足手機、充電寶、筆記本電腦等常用電器產(chǎn)品的電源需求。

3 樣機實驗

3.1 實驗樣機模型

機械部分配置：在上述風輪結(jié)構(gòu)的基礎上，增加三腳支架1 套（含豎直方形鐵管3 根、Y 形水平方形鐵管支架2 個、軸承套2 個、T 形鐵片、L 形鐵片、螺絲、螺母等裝配元件若干）以及聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)軸1 條、塔桿1 條、風輪底座1 個等。電氣部分（裝于風輪底座內(nèi)）配置：三相交流發(fā)電機1 臺（額定功率300W、最小發(fā)電電壓12V、最大發(fā)電電壓220V）、三相整流單元（含濾波電路）1 塊、電源控制單獨（含開關、微型斷路器、熔斷器、輸入輸出接線端子等）1 臺、鋰電池1 組、逆變單元1 塊、電線若干等。

基于上述機電部件制作成如圖6 所示的小型垂直軸風力發(fā)電機組樣機模型。尺寸：風輪直徑500 mm；風輪長度800 mm；尾舵桿長1 200 mm；尾舵板底邊長600 mm、斜邊長700 mm、長豎邊600 mm、短豎邊350 mm；塔桿長1 500 mm。其余部件與上述主要部件尺寸相配套。

圖6 樣機模型三維效果圖

3.2 測量儀表及輔助設備

（1）測量儀器儀表。包括數(shù)字風速表、數(shù)字萬用表和數(shù)字分貝測試儀各1 個。

（2）模擬風場設備。產(chǎn)生模擬風場的設備選用某進口品牌的強力型工業(yè)用扇（落地扇）1 臺。該風扇的底座質(zhì)量較大，穩(wěn)固結(jié)實，工作過程中不易產(chǎn)生搖晃。其銘牌參數(shù)如下：額定輸出功率380W、額定轉(zhuǎn)速1 250 r/min、額定風量20 000 m3/h、網(wǎng)罩外徑800 mm、風扇凈高度1 500 mm、有效送風距離大于10 m。

3.3 實驗方案

（1）實驗對象：基于本方案設計的風輪而制作的阻力型垂直軸風力發(fā)電機組樣機。

（2）測定參數(shù)：起動風速、樣機輸出的開路電壓、風輪附近的實時風速、風輪附近的噪聲等級以及風輪有無出現(xiàn)失速現(xiàn)象或?qū)︼L“死角”。

（3）注意事項：①實驗全過程都要確保風扇轉(zhuǎn)軸與風輪轉(zhuǎn)軸在同一水平面且相互垂直。②測定切入風速時，讓風扇與風輪之間的距離應大于10 m，按壓3 檔風速按鈕（低速檔），保持風輪位置固定，樣機由遠及近逐漸接近風扇，當發(fā)現(xiàn)風輪開始轉(zhuǎn)動時馬上固定樣機的位置，并測量此時風輪附近的風速。③測定風輪附近風速時，風速表的小風輪要正對風向。④測定風輪有無對風“死角”時，可以手動調(diào)整風輪初始位置，本實驗將風輪初始位置細分為8 個初始位置，每個相鄰位置之間相差45°。⑤各實驗項目測定的電壓均為濾波后的直流電壓值。其中測定風輪活動板性能時，既要測定活動板剛張開時輸出電壓，也要測量活動板的張角穩(wěn)定時的輸出電壓。

（4）實驗結(jié)果：如表1 所示。

表1 樣機實驗測定數(shù)據(jù)（測試結(jié)果）

3.4 實驗結(jié)論

從實驗測試結(jié)果可知：（1）樣機風輪的起動風速只有1.7 m/s，而傳統(tǒng)小型垂直軸風力發(fā)電機組的起動風速為2.5 m/s 左右；樣機風輪全程無出現(xiàn)對風“死角”，說明樣機的起動性能較優(yōu)。（2）風速從1.7 m/s至15.2 m/s 風輪都沒有出現(xiàn)失速現(xiàn)象，說明樣機運行性能穩(wěn)定，有效風速范圍較寬。（3）風速為13.5 m/s（大約為6 級風力）時，樣機輸出電壓（220.1V）就超過額定值（220V），說明樣機吸收風能的效率較高；（4）風輪活動板打開瞬間的輸出電壓（229.9V）稍大于額定電壓，但風輪活動板張角穩(wěn)定后輸出電壓（219.7V）穩(wěn)定在額定輸出電壓附近，說明活動板發(fā)揮了風力調(diào)節(jié)作用。（5）實驗全過程的噪聲值相對較低,說明樣機的環(huán)保性能優(yōu)良。

4 結(jié)論

綜上所述，本方案描述的阻力型垂直軸風力發(fā)電機組的優(yōu)化設計以風輪結(jié)構(gòu)及其配套的調(diào)風系統(tǒng)的優(yōu)化設計為主，輔以電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改善。樣機實驗結(jié)果表明：基于本方案制作的小型垂直軸風力發(fā)電機組，起動性能優(yōu)良、運行性能平穩(wěn)、吸收風能的效率較高、能適應較寬的風速范圍，并具有有效的調(diào)節(jié)能力和一定的抗強風能力?；诳諝鈩恿W和結(jié)構(gòu)力學的要求，從用戶需求和產(chǎn)品性價比的實際出發(fā)，由本方案落地制成的阻力型垂直軸風電機組產(chǎn)品宜小型化（功率介于1kW～3kW 為宜），定位為配置儲電裝置的易拆裝、便攜式的移動式電源，應用于遠離公共電網(wǎng)的小功率用電場合，滿足考古、勘測、野營、游牧等戶外活動或小功率信號燈、監(jiān)測性設備等電器的用電需求，預期應用前景可觀。