200_W风力发电装置结构设计_彭子航.pdf

设 计 与 研 究43200 W 风力发电装置结构设计彭子航黄鑫李博炜黄佳豪（华北理工大学，唐山 063210）摘要：随着全球能源危机愈演愈烈，世界各国均加快了对新能源的研究和应用。在可再生能源中，风能以其无污染、适用区域较广、效率高等优势获得了快速发展，已成为重要的新能源。基于此，研究基于 200 W微型垂直轴风力发电装置的总体结构及关键部件，旨在提高风力发电装置的运行效能。关键词：风力发电机；机械结构；结构设计200 W Wind Power Plant Structure DesignPENG Zihang,HUANG Xin,LI Bowei,HUANG Jiahao(North China University of Technology,Tangshan 063210)Abstract:With the growing global energy crisis,countries all over the world have accelerated the research and application of new energy sources.Among the renewable energy sources,wind energy has gained rapid development with its advantages of no pollution,area of application and high efficiency,and has now become one of the most important new energy sources.Based on this,the study is based on the overall structure and key components of a 200 W miniature vertical axis wind turbine,with the aim of improving the operational efficiency of the wind turbine.Keywords:wind turbine;mechanical structure;structural design风能是一种资源丰富、广泛可用、安全清洁的可再生能源。为了有效应对能源危机和环境问题，全球各地研究机构正在加快对风能技术的研究，重点是开发各种风力发电装置及其配套设备。据统计，截至2022 年底，我国还有 273 万人没有用上电，其中大部分人居住在偏远地区，且相对分散。如果使用传统电网供电，经济上是不可行的。此外，在偏远地区架设新的电力线非常昂贵，而采用独立运行的风力发电系统可有效解决供电问题。因此，开发性能优越、设计简单、成本低的垂直轴风力发电装置意义重大。1总体结构微型 200 W 垂直轴风力发电装置的机械部分主要由连接杆、螺母、套筒、风轮叶片、上/下支撑臂、电缸、发电机、手动截止阀、支座以及制动机构组成，结构如图 1 所示，三维模型如图 2 所示。上、下连接杆一端与法兰盘连接，另一端与风轮叶片连接，以固定风轮叶片。水平连接杆主要用于调整风轮叶片的角度，一端与法兰盘连接，另一端连接电缸连接。法兰盘经由锥孔与风轮的主轴连接，驱动发电机的主轴同时旋转。垂直轴风力发电装置有 3 个风轮叶片，上、下连接杆连接到风轮叶片上构成张紧装置。电缸驱动风轮叶片围绕上、下连接杆的轴线旋转，并调整风轮叶片角度1。1.连接杆；2.螺母；3.套筒；4.风轮叶片；5.上支撑臂；6.电缸；7.下支撑臂；8.发电机；9.制动器；10.支座；11.手动截止阀。图 1200 W 风力发电装置总体结构2风轮叶片设计风力发电装置是风力发电站最重要的组成部分。风力发电装置可以将风的动能转化为机械能并使之可用。因此，风轮机的设计对风轮机影响很大，直接决定了风轮机的功率系数，是衡量风轮机性能的一个重要指标2。2.1材料选择在风力发电装置的发展中，风轮叶片通常由木材、DOI:10.16107/ki.mmte.2023.0190现代制造技术与装备442023 年第 3 期总第 316 期铝合金以及复合材料制成。其中，木质叶片的耐腐蚀性低，铝合金叶片由于空气动力学效率低也较少使用。复合材料叶片是在环氧树脂和不饱和树脂中掺加玻璃纤后制成的，具有轻质强韧、耐腐蚀、耐氧化等性能。本文选择的是玻璃纤维复合材料叶片，分为基体和增强体两部分。基体的主要成分是树脂，作为黏合剂，约占总体积的 30%。强化物增强体由玻璃纤维组成，作为强化剂，约占总体积的 70%。图 2200 W 风力发电装置三维图风轮叶片的支撑机构负责保证叶片在纵向、横向、侧向的强度和刚度。本设计选用厚为 0.5 mm 的不锈钢板制作叶片支撑机构。2.2风轮叶片尖速比为了评价风轮在不同风速下的运行状况，将叶片尖端做圆周运动时的速度与风速的比值称为尖速比。在速度未超过合理范围的前提下，风轮的尖速比越大，表示风轮的运行效率越高。尖端速度比和风轮效率之间关系密切。尖速比计算公式为3 2=6060NNwRnRVV=（1）式中：R为风轮叶片的旋转半径，取 2.15 m；n为风轮转速，取 180 rmin-1；VN为设计风速，取 10 ms-1。将上述数值代入式（1），计算得到尖速比为 4.05。2.3叶片数量叶片的数量取决于尖速比4。一般来说，尖速比较大的风轮机叶片数量较少。设计的 200 W 垂直轴风力发电装置属于低尖速比风力发电装置，即叶尖与叶尖速度比为 4.05（小于 5），故设计叶片数量取 5，叶片角度为 72，以保证风力发电装置平稳运行。2.4设计风速设计风速V一般根据当地年平均风速确定。它与年平均风速的比值范围为 1.56 2.00。设计的 200 W 垂直轴风力发电装置面向无电的偏远地区供电，并为城市提供额外的电力5-7。因此，有必要确保风力发电装置能够在全国大部分地区安装和使用，初始风速为 3 m s-1，运行稳定。根据国内风资源分布，设计风速为 10 m s-1，运行风速为 5 26 m s-1，安全风速为 50 m s-1。此外，可以通过韦布尔双参数计算设计风速。风力发电装置输出功率W(V)为 131()exp2kkk VVW VSVeee=|（2）式中：S为风轮叶片扫掠面积；为空气密度；V为瞬时风速；k为形状参数；e为尺度参数。W(V)最大时的风速即为设计风速VN，有 12kNkVek+=|（3）根据当地历史气象资料，得到k=2、e=9.5，带入式（3）求得VN为 13.4 ms-1。当地风速年平均值 6 ms-1时，考虑最大输出功率，设计风速确定为 10 m s-1。2.5风轮直径风轮直径D的计算公式为3224pNPCVD=（4）式中：P为风力发电装置功率，即 200 W；Cp为风能效率系数；对于低尖速比的小微型风力发电装置，取值范围为 0.31 0.36；为空气密度，通常取 1.29 kg m-3；VN为设计风速，取 10 m s-1；n为传输效率与风轮机效率的乘积，通常取 0.85 0.95；为风力发电机效率，取 0.85。将上述数值代入式（4），求得风轮直径D为 0.78 m。2.6叶片形状风轮机叶片的形状对风力发电装置的能量转换效率有直接影响。根据空气动力学可知，传统风车叶片的轮廓通常采用成熟的航空翼型8-9。风力发电装置中使用最多的是 NACA 翼型，主要特点是最大升力系数高，最小阻力系数低。设计使用 NACA 4412 机翼，叶片高为 165 cm，剖面弦长为 23 cm。设 计 与 研 究453发电机选用直接驱动的永磁同步发电机直接耦合到风力发电装置风轮叶片的支撑杆和套筒，利用风驱动风轮叶片，而风轮叶片驱动发电机的转子旋转实现发电。与传统的风力发电系统相比，直接驱动发电系统的结构更简单，体积更小，重量更轻，损耗更小，效率更高，可靠性更高10-12。直接连接到风力发电装置的能力简化了整体安装，提高了发电机的可靠性，也减少了噪声。设计选择一台 500 W 的永磁同步电机，采用永磁体的垂直轴直接驱动，额定转速为 100 r min-1。4手动截止阀设计手动截止阀是确保系统安全性和可靠性的关键部件，开闭范围应在 0.25 1.50 圈，且需明确标明开闭方向，做到快速开闭。手动截止阀应设置在便于操作的位置，阀体应避免直接安装在操作室内。风力从截止阀的一端进入，从另一端流出。当旋转手轮时，可开/关气瓶与风力压力调节器通路。阀芯作用是截止风力，端部设有密封垫，防止漏风13-14。在阀杆、内螺帽间设有密封膜片，避免手动截止阀打开时漏风。5套筒设计套筒在垂直风力发电装置中发挥着重要作用，是将支撑臂连接到发动机缸体的关键部件。它的设计重点在于确保整个风力发电装置的运行性能和结构稳定性。套筒直接驱动电机转动，但会限制电机的额定转速，成本高，套筒的重心偏高，影响风力发电装置的实际运行稳定性。将法兰盘安装在电机套筒的中心，套筒的重心与电机轴线在一条线上，重心明显下降，大大提高了稳定性。6支承臂及连接部分设计叶片与上下支撑臂连接的区域是负荷最大处。支撑臂是连接风力发电装置的叶片和套筒的元件，由无缝钢管制成，其中两端连接是设计的焦点。支撑臂连接板、套筒通过螺栓连接，支承臂、连接板通过焊接连接。支撑臂和风轮机叶片骨架之间的连接由固定销、自润滑轴套、分割销以及支撑臂组成。7制动器该风力发电装置采用蹄式制动器，主要优点是自主制动，可靠性高，摩擦系数高，制动效果稳定。牵引绳通过滑轮对杠杆施加力，制动盘的直径增大，与发电机轴上法兰盘接触，使风力发电装置减速并制动。通过发电机轴下法兰盘控制拨叉，使销轴盘上移，销轴滑入销轴盘孔中，可以避免消耗电能。当需要工作时，夹头的向下运动由夹头执行器曲柄控制，使销环和销轴向下移动，可以提高风力发电装置的 可靠性。8结语通过设计合理的垂直轴风力发电装置的机械结构、风轮叶片、支撑架、套筒、手动截止阀等关键部件，根据风速调整风轮叶片角度，使风电装置在大风中可以保持恒定的额定转速，避免损坏发电装置，可为小微型垂直轴风力发电装置的设计提供参考。参考文献1 陈扬东，龚俊杰，吉灵龙，等.新型风力压电发电装置设计及发电性能 J.压电与声光，2017（4）：515-519.2 伍玩秋，潘新宇，林毅贞，等.阻力型垂直轴风力发电机风轮结构的优化设计 J.装备制造技术，2021（7）：47-51.3 杜晓东，邢永恒.关于风力发电机刹车装置的改进研究与设计 J.河北企业，2017（8）：197-198.4 陈慧珍，洪超.变桨锁定装置结构设计及有限元分析 J.机械研究与应用，2019（3）：127-129.5 张炳文.双风轮风力发电装置的结构研究 C/2006 年节能与可再生能源发电技术研讨会论文集，2006.6 高红星.中型永磁直驱同步风力发电机设计与研究 J.船电技术，2017（6）：23-25.7 张俊，欧金生，张宇舟.某型号永磁风力同步发电机设计可行性分析 J.船电技术，2022（7）：19-23.8 赵红玉，张智勇，马振兴，等.基于单片机的小型户用风力发电控制实验装置设计方案 J.科技创新与生产力，2022（7）：59-61.9 金才智.新型风力压电发电装置设计及发电性能分析 J.集成电路应用，2021（1）：116-117.10 王雨晨，虞效益.2kW 小型风力发电装置叶片设计与分析 J.能源与环境，2021（1）：62-65.11 朱星光，刘畅.车载行李箱前置风力发电装置的原理与设计 J.商情，2020（25）：134-135.12 范栋浩，莫利毫.新型悬浮式风力发电装置设计 J.节能，2020（7）：39-40.13 吴同福.小型轴流风力发电装置叶轮设计、仿真与试验研究 D.杭州：浙江理工大学，2019.14HAMDAN M F，YASIR M F，KAMAL A F，等.混合风力涡轮机：未来用于小型油田的小型发电装置 J.石油科技动态，2019（4）：93-96.