一种实用型家用风力发电机的创新设计研究*

李丽萍，魏智强

(1.厦门工学院 机械与制造工程学院，福建 厦门 361021；2.友达光电(厦门)有限公司，福建 厦门 361101)

0 引言

风能是一种取之不尽的资源，对风能的研究利用具有一定的实际意义。我国沿海地区具有丰富的风能资源，针对当地地形复杂、人口众多、生活分散导致部分地区供电紧张甚至国家电网未能覆盖的问题，采用家用风力发电机供电可以较好地解决上述问题。

目前市场上，风力发电机种类繁多，但存在诸多问题，如发电机噪声太大、结构不紧凑、价格成本太高等。笔者经实地调查和研究家用风力发电机的工作特性，确定了风轮、塔架、传动轴、安装要求等重要技术参数，制定了一套经济实用的家用风力发电机总体设计方案，从而为推广垂直轴风力发电机设计提供更多可行的方法。

1 家用风力发电机创新设计

1.1 家用风力发电机的结构方案分析

根据风力发电机风轮和水平面的位置关系，将其分为水平轴和垂直轴两种形式。

水平轴风力发电机叶片少，结构简单，转速高，但因其噪声大，对周边环境影响大。由于水平轴风力发电机一般有2片～3片叶片，所以在实现质量平衡和气动平衡的问题上难度较大，其功率和载荷波动也比较大。此外，水平轴风力发电机需要对风装置，结构尺寸大，维修困难，价格贵。综合上述几点，水平轴风力发电机不满足家用风力发电要求。

垂直轴风力发电机[1]微风即可启动，无噪声，且其风轮无需对风，可以接受任何风向的风力作用，较容易安装，并且其结构紧凑，体积小，价格合理，适合家庭使用。但目前市场上大多数H型垂直轴风力发电机采用的是磁悬浮电动机发电，即通过塔架安装磁悬浮电动机，电动机直接与风轮轮毂连接。因磁悬浮电动机采用直接与风轮轮毂直接连接的方式容易导致其受到风轮等重力作用而损坏电机，且与其相配合的零件精度要求较高，整机成本较高，故目前尚未得到广泛应用。

综合以上调研，对H型垂直轴风力发电机进行改进，选用永磁式电动机[2]。电动机放置于塔架上，通过传动轴与其连接，传动轴通过轴承实现固定，再通过轮毂连接叶片。改进后的结构方案，可明显减小电动机直接承受叶片重量带来的外力影响。

1.2 风轮的设计

1.2.1 叶片

风轮是风力发电机的主要部件之一，综合考虑叶片数量少导致风能利用率低和叶片数量多导致向心力大的影响，此次创新设计叶片数量定为5片。如果在风轮运行时，风力发电机的叶尖速比λ比较大，并且机组要求转速比较高，那么风轮的实度比一般要取得比较小一些。可根据实度比的计算公式得出叶片弦长C的计算公式，如公式(1)所示：

(1)

其中：σ为风轮的实度比，一般取0.5～0.6，考虑沿海地区的实际风力大小，取值为0.6；B为风轮的叶片数，取为5片；R为风轮半径，由叶尖速比算出R=0.9 m。

将已知数据代入公式(1)，计算得叶片弦长C=0.216 m。

结合风轮的半径和高度，优选叶片高度L=1.8 m，材料选择玻璃钢。采用UG绘制叶片，如图1所示。

1.2.2 叶片支架

叶片采用支架作为连接杆，通过螺栓、特制橡胶垫片与轮毂相连，以传递扭矩。支架与叶片之间的连接选取M20×55螺栓、M20螺母及弹性垫片；支架与轮毂之间的连接选取M20×75螺栓、M20螺母及垫圈。支架材料选冷加工铝锻造6000系列产品，具有易涂层和良好的加工性，适用于有氧化性要求的场合。采用UG绘制的叶片支架如图2所示。

图1叶片图2叶片支架

1.2.3 轮毂的设计

轮毂是整个风轮与传动轴的连接核心，其结构、设计性能及尺寸精度[3]对整个风力发电机的气动性能有着直接的影响。轮毂设计主要考虑强度和安装定位要求，此外为了制造方便、降低加工成本，还要考虑加工性能的要求。轮毂的结构如图3所示，与此相关的设计主要包括轮毂盘、轮毂、轮毂端盖。轮毂安装在轮毂盘上，利用螺栓螺母连接，装上支架，配合轮毂端盖，锁上螺栓螺母即可。

至此，风轮的创新设计已经完成，风轮装配如图4所示。

图3轮毂图4风轮装配图

1.3 轴承座的设计

轴承座的主要作用是承载轴承重力。因家用风力发电机的传动轴安装在竖直方向，故将轴承座设计为圆筒形，如图5所示。

1.4 塔架的设计

H型垂直轴风力发电机的塔架高度一般根据风轮的直径大小来确定，综合考虑周围的障碍物，塔架高度H可用式(2)计算：

H=R+h+h′.

(2)

其中：h为最近障碍物距离风力发电机的高度，此处据实地调研，取值为3.1 m；h′为叶片最低点到地面障碍物最高点的距离，常取值1.5 m～2 m，此处取值2 m。

将上述数据代入式(2)，计算得塔架高度H=6 m。

图5 轴承座

在整个风力发电机中，塔架的主要作用是支撑风力发电机的主体。从成本上看，塔架占家用小型风力机总设备费用的50%。所以塔架的设计、制造和安装等也是机组设计、安装、运行等过程的一个重要环节。

垂直轴家用风力发电机，因结构尺寸较小，故采用圆筒形的塔架即可。圆筒塔架总高为6 000 mm，分为上塔架、下塔架和电动机安装架。上塔架外径为Φ180 mm，内径为Φ164 mm，壁厚为8 mm，高度为2 690 mm；下塔架外径为Φ220 mm，内径为Φ200 mm，壁厚为10 mm，高度为3 000 mm；电动机安装架外径为Φ220 mm，内径为Φ200 mm，壁厚为8 mm，高度为310 mm。

塔架的地基设计应满足风力发电机在安装时的结构强度要求，可以承受动载荷和静载荷的综合作用。此外，不能有明显的不均匀或下沉现象，以防止整个风力发电机安装后的倾斜，保证风力发电机的使用性能。

2 风力发电机其他主要部件

2.1 电动机

从家用风力发电机的结构、性能等综合因素来看，永磁电动机较符合要求。这类电动机结构紧凑、质量轻、体积小，符合家用需求，其基本参数如表1所示。

表1 电动机主要参数

2.2 蓄电池

蓄电池是风力发电系统中的主要部件之一，因为风速在自然状态下具有不可预测的特点，因此家用风力发电机所产生的电量并非一成不变，而是不断变化的。为了使风力发电机产生的电量在使用中保持稳定，家用风力发电机需要连接一个蓄电池。通过控制器调节，将蓄电池储蓄的电能再供给用户，这样用户就能得到稳定的电能。

选择储能型铅酸蓄电池，这类蓄电池对电解液的比重、充电的电流大小和时间长短、放电电流大小以及使用温度等具有严格的要求，但因其价格便宜，被广泛使用。蓄电池的主要参数如表2所示。

表2 蓄电池主要参数

3 风力发电机的整机安装

H型垂直轴风力发电机的主要机构包括风轮、传动轴、塔架以及其他标准件如电动机、蓄电池等[4]。电动机置于塔架上，通过传动轴连接，再通过轮毂连接叶片，这种连接方式有效地减小了电动机直接承受整个叶片带来的重力影响。将电动机直接置于塔架的创新模式明显减少了传动距离，有效地提高了传动效率。

H型垂直轴风力发电机各部分安装关系如图6所示。

1-地基;2-下塔架;3-上塔架;4-发电机安装架;5-轴承座;6-支架;7-轮毂;8-叶片

4 结论

新型家用风力发电采用H型垂直轴式结构，能较好地提高风能的利用率[5]，具有结构简单紧凑、安装使用方便、价格低廉的特点，适合缺电农村沿海地区的消费水平。发电机可采用围绕用户的屋顶或房屋以小型模块化方式放置，形成一种新型的发电模式，具有较好的实际意义。