新型垂直轴风力发电机的关键技术探讨

张立军，孙明刚

(1.中国石油大学 (华东)机电工程学院，山东青岛 266580; 2.青岛经济技术开发区泰合海浪能研究中心，山东青岛 266580)

新型垂直轴风力发电机的关键技术探讨

张立军1，孙明刚2

(1.中国石油大学 (华东)机电工程学院，山东青岛 266580; 2.青岛经济技术开发区泰合海浪能研究中心，山东青岛 266580)

简要叙述了目前垂直轴风力发电机的特点，并对目前常用垂直轴风力发电机结构中风轮、传动机构、塔架等重要部件的技术现状进行了分析与介绍。在此基础上，指出了目前垂直轴风力发电机存在的重要技术问题，并针对性地提出了相关建议。

风能;垂直轴风力发电机;传动机构;塔架

风能作为绿色可再生能源的一种，在中国的储藏量十分丰富。根据国家气象局的资料，中国离地10 m高的风能资源总储量约32.26亿千瓦，其中可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿千瓦，50 m高度的风能资源比10 m高度多一倍，大约有5亿千瓦;近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦［1］。2012年全国风电装机总量已达到400万千瓦。

风能利用就是将风的动能转换成机械能，再将其转换成其他能量形式。风力发电装置主要由风轮、传动机构、制动器、发电机、机座、塔架等组成。根据风轮及其在气流中的位置，可将风力机分为两大类:水平轴风力机和垂直轴风力机。目前，垂直轴风力发电机由于存在无须对风以及增速齿轮箱和发电机能安装在地面上、运行维修方便等优点而逐步被重视。

1 目前垂直轴风力发电机的特点

垂直轴风力发电机是指风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向，风轮围绕一个垂直轴旋转，作者设计的H型垂直轴风力机如图1所示。与传统的水平轴风力机相比，垂直轴风力机看上去像是“藏式转经筒”，体积虽小，但优势明显:(1)高效利用风场，占地面积小;(2)结构简单，质量较轻，维修方便;(3)对风性好，可以接受360°方位任何方向来风，抗风能力大，可达50 m/s;(4)设备使用寿命长;(5)叶片的尖速比要比水平轴小，噪声污染低;(6)不需尾翼和偏航系统来驱动桨叶;(7)增速齿轮箱和发电机能安装在地面上。

图1 H型垂直轴风力发电机

目前垂直轴风力发电机的缺点是:总体效率相对较低，自动启动能力差，且过速时的速度控制相对困难。

2 垂直轴风力发电机的技术现状

2.1 风轮型式

风轮是风力发电机中最关键的部件，它比较大，承受风力载荷，又在地球引力场中运动，重力变化相当复杂。一台转速为60 r/min的风轮，在它的20年寿命期内要转动3～5亿次，叶片由于自重而产生相同频次的弯矩变化［2］。

垂直轴风力机主要有两大类别:一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是S型风轮。由两个轴线错开的半圆柱形叶片组成，其优点是启动力矩大，噪声小，叶片设计简单;缺点是由于围绕着风轮产生不对称气流，易对它产生侧向推力。对于较大型的风力机，受偏转与安全极限应力的限制，采用这种结构型式较困难。

另一类是利用翼形的升力做功，最典型的是达里厄型风力机，是由法国人DARRIEUS于1925年发明的，1931年取得专利权。现在这种风力机是水平轴风力机的主要竞争者，并具有H型、Δ型、菱形、Y型和Φ型等，其中以H型和Φ型风轮最为典型。

H型风轮结构简单，但这种结构造成的离心力使叶片在其连接点处产生严重的弯曲应力。另外，直叶片需要采用横杆或拉索支撑，这些支撑将产生气动阻力。Φ型风轮所采用的弯叶片只承受张力，不承受离心力，从而使弯曲应力减至最小。由于材料可承受的张力比弯曲应力更强，所以对于相同的总强度，Φ型叶片比较轻，运行速度比直叶片高。但Φ型叶片不便采用变桨距方法实现自启动和控制转速。对于高度和直径相同的风轮，Φ型转子比H型转子的扫描面积要小一些［2］。

2.2 传动机构

风轮将风的动能转换成风轮轴上的机械能，然后再由高速旋转的发电机转换成电能。在转换过程中，由于风轮旋转速度较慢，一般大的风力机 (直径大于100 m)，转速在15 r/min或更低。为了使发电机不太重，且极对数少，对应的发电机转速就很高 (1 500～3 000 r/min)，因此必须在风轮与发电机之间设置一个增速齿轮箱，将转速提高到发电机的转速。

在目前的风力发电机中，常采用机械式齿轮增速箱。齿轮箱前端低速轴由风轮驱动，输出端与发电机轴连接，多采用单级或多级正齿轮或行星齿轮增速箱。风力机采用的齿轮箱一般分为两类:定轴线齿轮传动和行星齿轮传动。定轴线齿轮传动结构简单，维护容易，造价低廉。行星齿轮传动传动比大、体积小、质量小、承载能力大、工作平稳、在某些情况下效率高，缺点是结构相对复杂、造价较高。

2.3 塔架

风电塔架是风电机组的重要组成部分，不但承载着整个主机、轮毂和叶片等的重力，还承受来自叶片的水平风力载荷、剪切风速、叶轮质量偏心、疲劳载荷、设备运转的动力载荷以及各种复杂的交变载荷等［3－4］。

目前常见风电塔架形式主要有3种:拉索式 (单柱拉索塔、桁架拉索塔)、斜倾式、单柱式 (包括桁架单柱塔)。拉索式塔架是最经济的塔架，能最有效地使用材料，并对安装地点的要求比较灵活，对于较小的风电系统(＜10 kW)，易用专用的塔架安装工具 (如起重杆等)对分段的塔架组件进行现场安装。斜倾式塔架起吊方便，无需起重机，用绞车就能起吊，但必须有4根拉索;对地基的制作要求较高，尤其是在起落方向左右两侧地基的高度应一致;对台风多发地区，斜倾式塔架是较好的选择;但斜倾式塔架的造价比拉索式塔架贵约30%。单柱式塔架没有拉索，具有美观、占地少等优点;在城市景观、海岛等受到安装面积限制而不便于使用拉索式塔架的地区应用较多;单柱式塔架的造价比拉索式塔架贵1倍多［2］。

另外，风电塔架还有管塔式钢制塔架、反向平衡法兰塔架、锥形筒状塔架、圆筒式塔架、混凝土－钢混合塔架、预应力混凝土塔架等形式。

3 新型垂直轴风力发电机的技术分析与建议

3.1 目前垂直轴风力发电机存在的不足

(1)目前的H型垂直轴风力机风轮都是围绕同一根轴旋转的。但由于每一级风轮处于不同的高度，其所受的风速和扭矩不同，使同一根旋转轴上下位置处的扭矩相差较大，造成旋转轴的受力不平衡，影响风轮的作业效能。

(2)多级H型垂直轴风力机大多都是一个风轮带动与之配套的一台发电机工作，即“一对一”模式，这样当风速较低时，最低一级风轮所对应的发电机可能不能正常工作;当风速较大时，最低一级的风轮所对应的发电机可能因超负荷而被迫停止运行，造成相关设备的过大浪费和风能资源的不合理利用。

3.2 建议及其实现措施

图2 多层多轴塔架结构示意图

(1)采用多层多轴塔架式结构，如图2所示，每个风轮对应着各自的中心旋转轴，这些风轮全部安装在同一个立式多层塔架上。

(2)垂直轴风力发电机传动系统采用液压装置，其工作原理如图3所示。液压控制系统主要由低速大排量液压马达、电磁换向阀、液压蓄能中心、比例阀、高速变量马达等组成。H型垂直轴风力机风轮所驱动的各自的低速大排量液压马达输出的液压能全部送到同一个液压蓄能中心，液压蓄能中心再根据蓄能状况通过比例阀控制进入不同型号的高速变量液压马达的流量，液压马达再带动与其相匹配的发电机发电。这样可以避免低级风轮产生能量过小、高一级风轮产生能量过大带来的发电机工作不平衡的问题。系统中的转速反馈回路和电网电压反馈回路主要是保证发电机发出的电的频率不变。

图3 风力发电机液压控制系统原理图

【1】杜志杰，马丽娜.风力发电［M］.北京:化学工业出版社，2009.

【2】刘万琨，张志英，李银凤，等.风能与风力发电技术［M］.北京:化学工业出版社，2007.

【3】李宗福，张有闻，白云飞.风力发电机塔架设计综述［J］.低温建筑技术，2007(4):79－80.

【4】贾锐.陆上风力发电机机组用塔架结构综述［J］.山西建筑，2012，38(24):212－214.

【5】叶杭冶.风力发电机组的控制技术［M］.北京:机械工业出版社，2006.

Technology Discuss of New Type Vertical-axis Wind-driven Generator

ZHANG Lijun1，SUN Minggang2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao Shandong 266580，China; 2.Taihe Wave Energy Research Center，Qingdao Economic and Technological Development Zone，Qingdao Shandong 266580，China)

The characteristics of the vertical-axis wind-driven generator were briefly described.The technologies of wind wheel，drive gear and tower in the vertical-axis wind-driven generator were also analyzed.Based on this，the main problems，which existed in the present vertical-axis wind-driven generator，were pointed out，and some advices were proposed.

Wind energy;Vertical-axis wind-driven generator;Drive gear;Tower

TK83

A

1001－3881(2014)8－001－2

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.001

2013－03－15

中央高校基本科研业务费专项资金项目 (14CX02069A)

张立军 (1977—)，男，博士，副教授，研究方向为可再生能源发电。E－mail:zlj－2@163.com。