關于小型風力發電機結構的設計研究

龍海飚

摘 要：本文以小型風力發電機結構設計為研究視角，首先闡述了風力發電的基本原理，然后分析了小型風力發電機的結構以及各系統的功能和設計要求，最后在探討風力發電技術發展趨勢的基礎上，闡釋了在未來的風力發電機結構設計中需要解決的關鍵問題，并且提出了解決問題的方法。希望文章的闡述可以為相關設計工作的開展帶去參考與借鑒。

關鍵詞：小型風力發電機;結構設計;風力發電

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）02-0164-02

0 引言

在經濟快速發展的背景下，能源危機已經成為了世界性的問題，這就要求在未來的發展實踐中積極利用新能源。風力發電是利用風能產能電能的過程，是對風能這一潔凈、無污染綠色能源的有效應用，這就凸顯出了風力發電機組的重要意義。所以如何實現風力發電機的優化設計已經成為集中關注的問題。

1 風力發電的基本原理

在自然中的空氣流動就會形成風，風所呈現出的動能就被稱之為風能，而風力發電就是有效利用自然中的風能去生產電力資源的過程。在實現風力發電的過程中，利用風力發電機去有效捕捉自然界中普遍存在的風能，通過風能對與機組葉片的作用力推動葉輪的轉動，之后通過帶動效應帶動發電機的運行，最終產生電力資源。簡而言之，風力發電就是將風能轉變為機械能，之后再轉變為電能的過程。用P表示風蝕風力發電機的輸出功率，ρ表示空氣密度，Cp表示功率系數，A表示掃風的面積，V表示風速，那么風力發電機輸出功率可以利用式（1）表示：P=CpρAV3? ? ? ?（1）

對風力發電機的輸出功率進行計算的時候，結合貝茲理論可以知道功率系數Cp極限值約為0.593，當Cp的值越大的時候，風力發電機在風能當中所能夠獲得能量也就越多，從而也就會使得風力發電機的工作效率越高，也就是說風力發電機組對于風能的轉化將會達到更加理想的效果。通常情況下來講，在風力發電機組當中所利用的風力發電機與發電機不盡相同，在系統運行的過程中所產生的能量損耗也就會不同，所以在結構設計的過程中，通常都會結合機組葉片的數量、葉片的翼型、葉片的功率等參數，將功率系數設定為0.25-0.45之間。在系統運行的過程中，風力發電機組的輸出功率與風輪的直徑呈現出正比例的關系，與空氣環境中的風速立方值同樣呈現正比例關系，并且還會受到空氣密度的影響。基于此，風力發電機的葉輪直徑通常都是比較大的，并且要求風力發電設備通常要選擇在風能資源比較豐富的區域假設，區域內部的風俗達到3m/s以上的時候就可以實現風力發電。

2 小型風力發電機的結構分析

從風力發電機的容量這一角度出發，現階段在我國風力發電領域，小型風力發電機通常是指風力發電機容量在1-100KW這一范圍之內。從機組的類型上來看主要有兩種，其一就是水平軸機組，其二是垂直軸機組，其中水平軸、上風向、三槳葉的風力發電機是最為常見的小型風力發電機，通常都由風輪、調速系統、發電系統、偏航控制系統、塔架五個部分構成。

2.1 風輪

將葉片組裝在輪轂之上就構成了風輪。在小型風力發電機當中，葉片是基本的組成部門分，也是實現風力發電的關鍵構件，其可以將流動的風能有效地轉化為推動風力發電機旋轉的機械能，所以這一部分是實現風能向電能轉化的基礎。葉片的葉型種類是非常多的，通常使用的都是翼型，在風力發電機正常轉動的過程中，葉片會受到風荷載以及離心力的作用，由于葉片的形狀是細長的，所以其在受到流動空氣的影響時，受力情況的變化也是非常復雜的。在風力發電機當中的葉片，要求使用強度極高、重量比較小的材料來制作，進而使得葉片即使在惡劣的氣候環境之下依舊可以表現出穩定的物理性能與化學性能，所以現階段通常都利用鋁合金、不銹鋼、玻璃纖維等材料去制作葉片。

2.2 調速系統

通常情況下來講，由于葉輪在運行的過程中旋轉的速度比較低，不能達到將機械能轉化為電能的要求，此時就需要有效利用齒輪、皮帶等構件實現葉輪的增速。在具有齒輪箱這一裝置的風力發電機組當中，齒輪箱是實現風力發電的關鍵組成部分，通過齒輪箱的增速功能將葉輪在風能的作用下所產生的機械能快速的傳遞到發電系統當中進而可以使得葉輪的轉數達到相關的要求。由于風力發電機組都是在戶外的環境中運行的，相對來講條件比較惡劣，同時安裝的空間比較狹小，這對其維修等工作是具有一定困難的，所以針對風力發電機進行設計的時候，對于調速系統的要求是比較高的，不僅要求具有極強的可靠性，同時要具備使用耐久性的特征。

2.3 發電系統

通過前文的闡述可知，風力發電就是將風能轉化為機械能、再將機械能轉化為電能的過程，所以在風力發電機當中，發電系統是核心的組成部分。葉輪在受到風能的推動下發生轉動，產生了機械能，之后將機械能傳入到發電系統，發電系統通過一定的動作將這些能量轉化為電能，才可以實現風力發電。在以前的發展中，小型風力發電機通常都會利用直流發電系統，由于這一系統在結構上比較復雜，在維修的過程中比較困難，所以現階段已經很少利用，取而代之的是交流發電系統，如今同步交流發電系統和異步交流發電系統的應用十分廣泛，并且獲得了比較好的反饋效果。

2.4 偏航控制系統

對于垂直軸這一類型的小型風力發電機來講，其可以在運行的過程中接受任意方向的風能，所以在設計的時候不需要設置偏航控制系統;但是對于水平軸這一類型的小型風力發電機來講，若想確保機組當中的風輪可以準確的對準風向，進而提高對風能的利用效率，最終實現提高發電率的目標，就應該在設計的時候配置上相關的偏航控制系統。與此同時，在風能比較大的時候，偏航控制系統可以發揮鎖緊力矩的功能，進而使得風力發電機可以安全穩定運行。結合小型風力發電機的基本特點，在設計的時候可以將偏航控制系統設計為主動型的偏航系統，也可以設置為被動型的偏航系統。

2.5 塔架

在風力發電機組當中，塔架可以稱之為“地基”，其重要功能就是支撐風輪、發電系統、調速系統、偏航系統的構架。在進行風力發電機設計的時候，塔架的高度應該結合風輪的直徑去確定，同時也要考慮到風力發電機所安裝的附近的障礙物情況，另外風力發電機的運行功率、安裝、費用等也需要設計工作者集中思考的。現階段，對于小型風力發電機來講，塔架的高度通常都會控制在6-20m這一區域之內。在設計塔架的過程中，設計工作者還應該結合塔架靜態以及動態的基本特性、塔架與機艙之間的連接、塔架運輸的距離以及安裝工藝等等。在結構上來看，塔架可以分為桁架式和塔筒式兩種結構形式，前者在早期風力發電機組當中的應用比較廣泛，在制造上的工藝流程比較簡單、成本比較低廉、運輸比較方便是其主要的優勢，但是它也存在一定的不足之處，那就是搭建通向塔頂的梯子不好安排，進而使得安全性能不高;后者是現階段風力發電事業當中針對塔架設計常用的類型，其不僅具備桁架式這一類型塔架的全部優勢，同時可以呈現出更大的審美價值與安全性能。

3 小型風力發電機結構設計中需要解決的關鍵問題

從現階段風力發電技術的發展趨勢上來看，單機容量大型化是主要的發展趨勢，實現這一目標主要就是增加葉輪的尺寸，從而使得風力發電機在運行的過程中可以獲取更多的風能，進而提高對風能的利用效率。與此同時，隨著風力發電事業的快速發展，現階段風能資源比較豐富的地區已經基本開發完畢，所以針對低風速區域的風力發電技術已經成為關注的焦點，為了使得風力發電機組在運行的過程中可以在低風速的區域中獲得同樣的風力發電機功率，就要使得葉輪掃風的面積變大，所以葉片的長度就會增加，這對于塔架的高度來講也要進行重新設計。進一步增加風力發電機組的柔度會使得風力發電機在運行的過程中引發較為嚴重的振動問題。而振動問題對于風力發電機來講是不利的，對于其中的風輪、齒輪箱、塔架等相關部件都會帶來一定的影響，在輕微振動問題的影響下，可能會導致各部件運行效率的降低、提高磨損的速度，在問題嚴重的時候甚至會引發重大安全事故，對風力發電機往往會帶來毀滅性的破壞，這將影響風力發電事業的健康穩定發展。如果在設計的過程中僅僅依靠去加強風力發電機整體結構的強度以及剛度會使得風力發電機生產過程中所耗費的成本大幅度提高，這就需要設計工作者依靠風力結構動力學去解決相關問題，這也是未來小型風力發電機結構設計中需要集中關注的問題所在。以下以風力發電機葉片結構動力學為例做出詳細分析：

眾所周知，在風力發電機當中，葉片是受力最為復雜的構件。在風力發電機組運行的過程中，葉片處于不停的旋轉狀態下，其的激勵作用是由慣性、重力、彈性共同引發的，同時還受到氣動力的影響。在這一過程中每一種激振力基本上都會通過葉片這一構件傳播出去，而葉片的結構特點是展向比較長、弦向比較短的細長體，并且葉片的柔度是比較大的，所以其在運行的過程中是最容易發生振動問題的部件，各種各樣的機械性振動首先都是在葉片上發生的。葉片在實現轉動的過程中，不僅會受到空氣阻力的作用，同時還會生成升力，所以葉片是非常典型的氣動彈性部件，所以也就使得在葉片這一部件上所呈現出的振動問題是最突出的。

對葉片的振動特性進行研究的過程中可以基于以下兩種方法：第一，是當量彈性鉸鏈法，第二就是模態法，這兩種方法都將小擾動的線性方程作為基礎。當量彈性鉸鏈法是將葉片的全部彈性都集中在葉片這一部件的根部，也就是要將葉片當做為一個剛體進行考慮，就如同在一個彈簧的上面安裝上一個剛體，通過這種簡化之后的模型對葉片的結構動力學問題進行計算與求解，進而為葉片的優化設計提供數據支持。而模態法，是彈性體的形態，也就是所謂的振型，在彈性體的各階主振型相互正交的情況下，將無窮多個頻率的振動分解成具有單一頻率的振動，也就是將葉片這一部件的振動特性轉化為廣義坐標之上的運動實現求解，進而也可以為葉片的優化設計提供科學依據。

4 結語

綜上所述，在風力發電事業快速發展的背景下，實現小型風力發電機結構的優化設計是進一步提高風力發電機組運行效率與可靠性的需要，是提高風力發電機發電效率的需要，是推動風力發電事業可持續發展的需要。希望通過文章的闡述，可以使得相關工作人員認識到小型風力發電機結構優化設計的重要意義與必要性，結合我國風力發電事業的發展需要，將科學理論作為依據，將滿足風力發電需求作為根本出發點與最終立足點，深刻認知在風力發電機結構設計過程中需要解決的關鍵問題，整合先進的技術方法與儀器設備，樹立最新的設計理念，實現風力發電機結構的逐步優化。