FD2.3-0.3型风电机组的研究设计

刘萍，任君，李建平，邬元，乌云高娃

（1. 中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院，呼和浩特 010020；2. 内蒙古华德新技术公司，呼和浩特 010020）

0 引言

我国多样化的自然地理条件以及经济社会发展的不均衡性，决定了我国偏远地区分散居住居民的生产生活用电在短时期内不可能通过延伸常规电网来解决。改革开放以来，随着电力工业的发展，各级政府通过各种途径筹措资金，解决了相当一部分偏远地区居民的生活用电问题。但截至“十一五”末，内蒙古自治区依然有3.97余万户偏远地区的农牧民没有电力供应。这些居民居住地分散，交通不便，以小型汽油发电机等方式供电，发电能力和用电水平十分有限。本文研究开发的FD2.3－0.3风电机组可以与100Wp－200Wp光伏组件组成风/光互补供电系统，能够满足内蒙古自治区无电地区大部分居民目前的用电需求。可以用于照明、看电视、收听广播，还可以使用小冰柜等生活电器，生活水平得到了明显改善。

1 机组构成及工作原理

FD2.3－0.3型风电机组主要由风轮、永磁发电机、回转体、塔架四大部分组成。

风轮在风的作用下带动发电机发电。当风速达到3.5m/s时，风电机组开始发电；当风速达到额定风速8m/s时，风电机组发出额定功率300W；当风速在10m/s时，输出功率达到最大值，约在300W－450W之间；风速在18m/s以上时，风电机组风轮自动侧偏并尾，以保护风电机组。

2 机组的设计

2.1 风轮的设计

机组风轮由3只叶片和轮毂构成，水平轴安装，上风向式运行，直接驱动永磁发电机。风轮叶片采用非常适合小型风电机组使用的NACA632－615翼型，叶片由重量轻、强度高、成本低的玻璃纤维增强塑料复合材料（玻璃钢），采用先进的拉伸挤压工艺加工制成，这种工艺生产效率高，叶片的互换性好。轮毂由上下两圆盘（叶片座、叶片盖）组成，加工工艺简单。机组风轮性能特点主要表现为运转平稳，机械振动小。

根据所选叶片翼型构成的风轮的空气动力学性能，选定下列参数：

机组额定功率确定为300W，考虑到导线损耗、整流损耗等因素，发电机输出额定功率应增加10%，故PG=330W。

风轮直径的确定：

式(1)中：P为风电机组功率，取P=300W；Cp为风能利用系数，取Cp=0.36；ρ为空气密度，取ρ=1.09kg/m3，符合北方地区的自然条件；Vn为额定风速，取Vn=8m/s；η为国标GB/T10760.1－2003（小型风电机组技术条件）规定的发电机最低效率，取η=0.7[1]。由此得出风轮直径D=2.3m。

确定风轮额定转速需考虑风轮叶片翼型的空气动力特性，发电机实现的便利性以及风轮和发电机的匹配，选定：

风轮额定转速n=400rpm

风轮限速转速

式(2)中λn为风轮标准尖速比，取λn=7；vx为限制风速，取vx=18m/s；R为风轮半径，取R=1.15m。由此得出风轮限速转速nx=535rpm。

风轮的起动力矩Mq

2.2 机头的设计

从简化加工工艺的角度出发，机头分成发电机和回转体两部分。考虑到电机的性能指标、使用寿命及可靠性，发电机型式为永磁三相交流发电机。发电机磁钢采用稀土永磁材料，使发电机重量轻、效率高、超载能力强、启动力矩小，从而降低了启动风速，提高了风能的利用率，增加了发电量，节约了发电成本。发电机外形采用流线型，不仅外形美观，而且对风轮周围的空气流有一定的改善作用。发电机引出线采用封闭式输电滑环，可以解决电缆缠绕问题。

根据总体设计方案以及机组的调速、调向性能以及并尾关车等因素，确定了主要的相关尺寸，设计了电机外壳、后端盖和关键部件回转体。

当风速V大于3m/s与风轮轴成10°时，风电机组所受力矩如图1所示。

①摩擦力矩 Mm

风轮所受压力：

式（4）中：B为压力系数，取B=0.78；S为风轮有效受力面积，取S=4.9m2； V为风速，取V=3m/s。

机头回转部分的重量作用在回转中心的力矩值：

式（5）中：Q为机头总重量,取Q=48.5kg；f为摩擦系数，取f=0.1（改性尼龙）；r为机头回转部分的重量着力点距回转中心的距离，取r=0.03m。

②图1中风轮力矩M1和M2

式（6）、（7）中: e为风轮与回转中心的偏心距，取e=0.15m；f为风轮平面到回转中心的距离, 取f=0.28m。③尾翼力矩Mw

式（8）中：Cy为尾翼板的升力系数，取Cy=0.73；Cx为尾翼板的阻力系数，Cx=0.18；Sw为尾翼板面积，取Sw=0.3m2；V为风速，取V=3m/s；K为风速损失系数，取K=0.75；L为尾翼板风压中心到机头回转中心的距离，取L=1.62m。

④计算结果

由此可见，在风速3m/s时，风向与风轮轴偏离10°时，尾翼可使风轮自动对风，故所选尾翼各参数符合调向要求。

2.3 尾翼调速结构的设计

为了使风电机组在超过额定功率的情况下实现自动限速，根据力学原理，采用了尾翼轴斜置方式。通过对作用在风轮上的气动力、尾翼上的气动力以及由于尾翼重力而产生的回位力的分析，以及材料的选择、材料的机械性能、加工工艺、外观和制造成本，确定了风轮轴线至回转轴线、尾翼销轴至回转体轴线的相关尺寸。

考虑到整体效果和美观因素，在不影响调速性能的基础上，并使整机减少振动，确定了尾翼板的特殊结构。

当风速大于10m/s时，风轮应开始偏离风向自动进行限速，此时风电机组所受的力矩如图2所示。

①风轮不同迎风角时的风轮力矩Mf[2]

②尾翼回位力矩Mh

根据限速时静力平衡的计算，选取尾翼斜销轴的后倾角α=3°，侧倾角β=10°，回位力矩为：

式(12)中：G为尾翼重量，取G=10.8kg；γ为尾翼销轴的实际倾角，取γ=10.42°；φ为风轮轴与风向的偏角；RG为尾翼重心到销轴的垂直距离,取RG=1.16m。

③计算结果

不同风速下Mf和Mh的值如表1所示。比较计算结果可知，当风速V大于9m/s时，风轮偏离风向开始限速；当风速V超过18m/s时，尾翼偏尾可使风轮远远偏离风向，对风电机组起到保护作用。

2.4 塔架

表1 计算不同风速下Mf和Mh的值

表2 切入风速测定值

表3 性能试验结果

塔架为采用普通钢管组成的，由4条钢丝绳构成的拉索式塔架。塔架上端的钢丝绳采用钢件压头将钢丝绳在专用模具上压制成形，这种结构安装拆卸十分方便，而且整体效果美观。

3 机组的性能试验和可靠性考核

依据GB/T19068.2－2003（离网型风力发电机组 第2部分：试验方法）将样机安装于赛汗塔拉风电机组试验场进行机组性能试验和可靠性考核。

试验中采用德国SMA公司的专业数据采集和分析系统进行。试验样机连续无故障运行3个月以上，完全符合国家标准GB/T19068.1－2003关于机组可靠性不低于1500小时的要求[3]。

切入风速测定值如表2，性能试验结果如表3。

该机组的功率输出特性曲线如图3所示。

由此，通过计算可得机组在不同年均风速下的年平均发电量（AEP）曲线如图4所示。

实验结果表明，机组的主要技术参数均达到设计要求，且具有良好的输出功率特性、可靠稳定的调速、调向性能，运行平稳，可靠性高。

4 结语

在常规电网外，推广独立供电的风电机组，满足农牧渔民照明、收听广播、看电视和用鼓风机做饭、使用冰柜保鲜食物等需求，可大大改善偏远无电地区居民的用电条件，居民生活品质得到了大幅的提升，有力促进边远地区社会文化产业的发展。对于加强民族团结，促进边疆地区的稳固与发展发挥了作用，在发展经济的同时对保护环境也具有重要的意义。本机组还可用于边防连队、哨所、道班、卡站、通信基站、海岛居民家庭等，市场前景非常广阔。

[1] GB/T10760.1-2003.小型风力发电机技术条件[S]. 上海电器科研所，2003.

[2] 姚兴佳, 等. 风力发电机及其在农业上的应用 [M]. 北京:机械工业出版社, 2011.

[3] GB/T19068.2-2003.离网型风力发电机组 第2部分：试验方法[S],中国标准，2003.