垂直轴风力发电机的改进与调速

杨森

摘 要：随着经济的快速发展以及煤炭、石油和天然气等非再生资源的过度消耗，环境问题和能源问题越来越受到人们的关注，促进了新能源的研究与发展。而风能这种绿色环保能源随着对新能源的日益需求逐渐进入人们的生活当中，其中主要表现在利用风力发电。

关键词：风力发电；优点；调速

风力发电机机大体上可以分为以下几个重要组成部分：中心支架、固定叶片辅助支架、风轮轮毂、叶片、齿轮变速箱等。在世界上，普遍把风力发电机分为两大类：一是水平轴风力发电机，二是垂直轴风力发电机。

一、垂直轴风力发电机的优点

1.总体性能指标高。在构造上运用了直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，解决了叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题，垂直轴风力发电机的叶片按相同的角度差形成圆周，这样设计的目的可以降低对中心支架的压力；另外，齿轮箱、减速箱和传动装置等一系列的辅助设备都可放置在离地面相对近的工作平台上，减轻了风机本身的重量，一定程度上减少了风机的构造和维护成本，并且垂直轴风机可利用于建筑集成上，有利于城市建设。

2.降低噪音污染。采用了水平面旋转以及叶片应用飞机翼型原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度。

3.不需要安装辅助系统。垂直轴风机和水平轴风机相比，由于垂直轴风机的叶片旋转平面平行于地面，这样使得对风能的获取可以来自各个方向，不需要像水平轴风机那样增加偏航装置来调节接受风能的方向，总体结构上变的更加的简单，一定程度上减小了风机运行产生的振动，提升了其可靠性。

4.抗风能力强。水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风的压力小，可以抵抗每秒45米的台风。

5.叶片构造简单。由于垂直轴风机叶片对风能的捕获能力增强了，叶片受风力旋转时只受风机的压力以及旋转离心力对叶片的张力，所以对叶片材料的要求程度降低，选用的材料更加的通用，减少了购买叶片的成本。

6.转速范围变大。垂直轴风力发电机相比于水平轴风机，其可以达到的最大转速要比水平轴风机高的多，在强风速下的运行稳定性比水平轴风机好，最大值可以承受 60m/s 的高强度风速。只要控制策略和风机本身材料选择合适，垂直轴风机对风能的利用要远远地大于水平轴风机。

同时，垂直轴风力发电机具有以下缺点：一是垂直轴风机的启动性能指标比水平轴风机差，二是叶片在旋转一周中，在有些位置产生负力矩，导致风机输出效率低；三是所有风电机组的共同问题：抗震动问题，尤其是大型风机的震动问题；四是由于风是一种不确定的实时变化的因素，风力发电的输出功率的稳定性不如传统意义上的火力发电，导致波动大不容易并网。

二、垂直轴风力发电机的改进分析

搭建一个垂直轴风力发电机平台需要软件设计与硬件设计两大方面。在硬件设计中，主要包括风机的总体结构设计，零件的材料选取，各部分结构的尺寸设计等内容。在软件设计中主要包括对垂直轴风机的空气动力学分析，对于风机大的控制策略以及控制软件的开发等内容。软硬件设计两个方面既是独立的，又是联系的，每个方面都是建立在其他方面的基础上，最后软硬件结合形成一个统一的系统。由于软件的开发与应用在研究中复杂繁琐，这里不过多的介绍，下面主要介绍在硬件设计上对垂直轴风力发电机有着重要影响的硬件要求。对于垂直轴风机的开发与利用，不光要在控制策略等方面进行深入研究，而且对于风机的硬件条件也不容忽视。最终的目的是要使风机在各种条件对风机的各方面进行优化设计，使得风机能够更好地利用风能，确保风机的输出功率达到最高效率，并且对于风机本身而言，要使得它的使用寿命增加，维护更方便，构造与维修成品更加地符合经济性。

对于风机叶片数量的选择，一要看设计初衷里想要风机达到的输出功率是多少；二是需要考虑叶片与风机的齿轮箱变速箱之间的配合问题；三是考虑到风机对环境的噪声污染；四是考虑风机的构建与维护费用。现今，常见的H轴风机大多都是4叶片、6叶片和8叶片风机。

叶片数量在一定程度上影响着风机的整体性能。不管风机叶片的材料成分以及外形尺寸，对两叶片风机和三叶片风机进行比较，两者的输出功率相差不多，但是两叶片风机可以有较高的叶尖速比，当风速过大时，两叶片风机会比三叶片风机实用。

风轮的叶片数对风力机负载有一定影响，叶片数量多时，会增加风机的噪声，同时增大了对风轮的振动，对机器硬件的抗压抗震条件增加了硬性指标。但是从外观上考虑，三叶片风机由于其对称性等原因，更能被大众所接受。

两叶片风机由于叶片数量减少后，构造风机的成本以及维护成本会相应地减少，但也伴随着一些不利因素，因此，对风机叶片数量的选择要视具体情况而定，要确定构建风机的目的。比如家用风机、大型风机并网以及用于教学的实验风机，这些风机的叶片数都是不确定的。

三、转速控制

当风机达到额定功率后，此时的风机转速被称为风机的额定转速。额定转速是一个重要的标量，尤其是在变桨距风机中，控制系统控制对桨距角的变化，目的主要在于将风机控制在额定转速范围内，保证风机的输出功率一直在额定功率下，这样就使得风机的输出功率稳定，而且这个稳定值跟風机最大限度利用风能后的理想值相差最小。变桨距控制的最终目的就是要使得风机保持在这个最佳的额定转速下运行。

叶尖速比在风机整体运行过程中影响着风机各硬件的整体性能。当风速不变时，叶尖速比大说明此时风机的转速快，转速快一是说明接收到的风能多，二是转速快可以使得叶片产生较大的上升浮力，一定程度上减轻了风轮支架对主轴的重量，对有利于风机的使用寿命。所以在设计风机时，都会让风机具有较大的叶尖速比。另外，较高的叶尖速比减小了对叶片材料上的要求，降低了构造风机的成本。但是，如果当叶尖速比过高时，也会引发一些问题：比如首先会造成噪声污染，不利于人们的生活，其次会造成风机的振动问题，如果产生共振的话会直接威胁风机的使用寿命，如果该风机在城市中应用的话，甚至会威胁人类的生命安全。所以对风机的叶尖速比要选择合适的值。

参考文献：

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