风力发电机（共12篇）
风力发电机 篇1
0 引言
近年来全球地震频发,由于缺乏足够的预测手段,地震往往具有很强的不可预见性和突发性。对于风力发电机这样的工业设施,应对地震灾害,除了优化选址外,加强设施本身的抗震能力至关重要。大功率风力机由于其结构特点,在地震中除了会受到地震力载荷外,还会受到风力的作用。抗震技术的开发有赖于对风力设施在地震-风力联合作用下的性能分析研究。然而,目前我国在此方面开展的研究工作很少,尤其是对整机进行系统的动力响应特性研究的报道寥寥无几。因此,结合国内外风力发电结构的理论研究和工程背景,开展系统的结构动力响应特性研究已成为当前需要解决的重要课题[1,2,3]。
目前,通过了GL认证的国际风力发电专用计算软件GH Bladed是开展风力机结构动力学研究的重要工具和手段,但该软件代码都是封闭的,用户无法将不同的算法和模型应用在系统建模当中,在一些场合的应用受到限制。本文以某企业开发的大型风力机为研究对象,采用多柔体系统动力学理论建立风力发电机结构动力学分析模型,在FORTRAN下进行风力发电机系统结构动力学分析编程实现,采用动态入流理论进行气动载荷计算,用Euro code 8生成地震谱,计算风力机在地震-风力联合作用下的受力情况。作为参考和验证,将分析数据同权威计算软件GH Bladed的计算结果进行了比较。
1 多柔体系统动力学模型
Kane方法是建立多自由系统动力学方程的一种方法,其基本思想源于阿贝尔提出的伪坐标概念,即利用广义速率代替广义坐标作为独立变量描述系统的运动,Kane方法可以避免动力学函数求导的复杂步骤,而直接利用达朗贝尔原理建立系统动力学方程,兼有矢量力学和分析力学的特点,既适用于完整系统,也适用于非完整系统。对于自由度较多的复杂系统,Kane方法可以减少计算步骤[4,5,6]。
对于风力发电机组系统,当确定了每个刚体的偏速度和偏角速度,以及相应的广义主动力Fr和广义惯性力F*r之后,其Kane动力学方程可表示为
Fr+F*r=0 r=1,2,…,n (1)
即每个广义速率对应的广义主动力和广义惯性力之和等于零。设风力发电机组系统由w个刚体组成。假设对于刚体Ni,主动力施加在其质心Xi,则风力发电机组系统的广义主动力和其对应的广义惯性力分别为
式中,Eω(Ni)r和Ev(Xi)r分别为第Ni个刚体在惯性坐标系E中的第r偏角速度矢量和第r偏线速度质心处矢量;M(Ni)和F(Xi)分别为第Ni个刚体在惯性坐标系E中的主动力矩和主动力;m(Ni)为第Ni个刚体质量;Ea(Xi)为第Ni个刚体在惯性坐标系E中的第r偏角加速度矢量。
风力发电机组系统各个刚体所受的广义惯性力之和等于风力发电机组系统的广义惯性力,即
式中,F*r|X为基座的广义惯性力;F*r|T为塔架的广义惯性力;F*r|N为机舱的广义惯性力;F*r|H为轮毂的广义惯性力;F*r|B1为叶片1的广义惯性力;F*r|B2为叶片2的广义惯性力;F*r|B3为叶片3的广义惯性力;F*r|G为发电机的广义惯性力。
广义主动力由所有作用于风力机系统的力、不同刚体之间相互的作用力以及柔性部件的内力所产生。包括叶片和塔架上的气动力;作用在基座、塔架、偏航轴承、机舱、轮毂、叶片、叶尖刹车、尾翼的重力;发电机扭矩;高速轴刹车力以及齿轮箱摩擦力;偏航运动时,部件所受的约束力;柔性部件,如叶片、塔架和传动链的弹性和阻尼内力。
因此风力发电机组系统的广义主动力为
其中,广义主动力依次为:塔架所受气动力产生的广义主动力、叶片1所受气动力产生的广义主动力、叶片2所受气动力产生的广义主动力、叶片3所受气动力产生的广义主动力、基座所受重力产生的广义主动力、塔架所受重力产生的广义主动力、机舱所受重力产生的广义主动力、轮毂所受重力产生的广义主动力、叶片1所受重力产生的广义主动力、叶片2所受重力产生的广义主动力、叶片3所受重力产生的广义主动力、偏航弹簧力产生的广义主动力、偏航阻尼力产生的广义主动力、发电机扭矩产生的广义主动力、高速轴刹车产生的广义主动力、齿轮箱摩擦力产生的广义主动力、柔性塔架的弹性力产生的广义主动力、柔性塔架的阻尼力产生的广义主动力、柔性叶片1的弹性力产生的广义主动力、柔性叶片1的阻尼力产生的广义主动力、柔性叶片2的弹性力产生的广义主动力、柔性叶片2的阻尼力产生的广义主动力、柔性叶片3的弹性力产生的广义主动力、柔性叶片3的阻尼力产生的广义主动力、柔性传动链的弹性力产生的广义主动力、柔性传动链的阻尼力产生的广义主动力。
将式(4)和式(5)代入Kane动力学方程(式(1))中,可以得到风力发电机组系统动力学方程,其矩阵形式为
式中,C(q,t)为系统加速度的系数矩阵;
求解时,在每个时间步,方程的数值解的第一步是采用4阶Adams-Beshforth预测-修正算法的预测方法确定低阶项的值,并以此构成方程的右边项,然后采用Gauss消元法求解系统自由度的加速度,这些计算得到的加速度值用于修正预测值,以提高预测精度。经过几次迭代后,采用4阶Adams-Mounton预测-修正算法的修正方法确定加速度的值,并给出该时间步的最终解。由于该预测-修正算法不是自发的,前4个时间步的解需要用4阶Runge-Kutta法确定。
2 风载荷
风力机气动性能计算方法采用GDW理论,它基于无黏性、不可压缩气体流动的La place方程的势能流解,相较于叶素动量理论(BEM)可以描述风轮盘上的更一般的压力分布[7,8]。GDW理论中,关于诱导速度沿半径方向和方位角方向分布的规律可以表示为
式(5)中的径向形函数
为了确定诱导速度的分布,在式(9)中还需要知道系数αrj和βrj。因为连续的无黏性不可压缩流体的压强梯度分布满足La place方程,所以GDW理论的主控制方程为
式中,M为显式质量矩阵;V[Ls]-1为入流系数矩阵;τ为叶片的压力系数。
解该微分方程组,可以得到入流系数αrj、βrj和风轮上的诱导速度分布,从而计算出轴向、切向诱导速度因子a、a′。
3 地震载荷
地震载荷以加速度历程的形式作用于风力发电机组上,而加速度则依据结构规范中设计加速度的反应谱生成[9,10,11]。在工程设计中,欧洲规范(Euro code8)在世界上得到了广泛的使用。为具有普适性,在本文中,地震荷载以加速度时程的形式作用于风力发电高塔系统基底,而加速度则依据结构规范中设计加速度反应谱生成。因风力发电高塔系统属高耸结构,竖向地震荷载不可忽略,故本文生成了水平和竖直2个方向的加速度时程并作用于结构上。不失一般性,现以生成水平向加速度时程为例进行说明。依据Euro code8,地震荷载水平向加速度反应谱可表示为
式中,T为线性单自由度系统自振周期,取T=1s;TB、TC为加速度谱常数段界限,取TB=0.15s,TC=0.4s;TD为定义谱中常数位移反应范围的值,取TD=2s;ag为A类场地的地面设计加速度峰值,取ag=0.35g;S为土系数,与场地类别有关,取S=1;q为性能系数,与横截面类型有关,取q=1;β为动力系数,规范建议取β=0.2;η为阻尼修正系数,式中取ξ=0.05。
4 功率控制策略
大功率风力发电机组控制策略保证低风速时最大吸收风能,高于额定风速时,使功率稳定在额定值。当风速低于额定风速时,采用电机变速控制,以最大吸收风能,保证功率系数最大。其表达式为
式中,Cp,max为最大功率系数。
当风速高于额定风速时,对风力发电机进行变浆距控制,变浆距角随风速的变化计算公式为
式中,Prated为额定功率。
5 风力机系统分析模型编程实现
根据风机的系统特性,按照式(1)～式(14)在Fortran下进行风力发电机系统建模。风力发电机动力学建模简图见图1。
同时生成文件.adm和.acf,并建立adams_plant.dll动态链接文件。建立的Fortran风力机仿真模型主要部件包括风轮、塔架、齿轮箱、电机等部件模型,如图2所示。其中风轮和塔架均为柔性体,齿轮箱和电机只需要考虑传动比和电机反应扭矩以及质量分布即可,不必建立详细模型。
6 计算分析结果
对某2MW变速变桨风力发电机组进行动力学仿真分析。该2MW变速变桨风力机基本结构是三叶片上风向风力机,功率调节方式为变速变桨调节,主要参数如表1所示。
6.1 模态分析
先进行模态分析,分析结果与GH Bladed计算结果的比较如表2、图3和图4所示。结果显示,除塔架的2阶纵向模态相差比例在-18.62%,相对较大外,其他数据的相差 比例均在8%以内,差异不大,表明该结构动力学分析模型是正确的。
注*:相差比例=(本文计算结果-Bladed结果)/ Bladed结果
6.2 地震载荷谱
地震载荷谱的仿真结果如图5所示,其与GH Bladed计算结果的比较如表3所示,结果显示,本文的计算数据均比GH Bladed的计算数据偏小;此外,两者结果除塔架的变形量和变形速度
相差较大外(约18%),其他数据的差异均在合理范围,进一步验证了本文建立分析模型的正确性。
6.3 载荷分析
在验证完模型的正确性后,对模型风力发电机组的塔基载荷、叶根载荷和主轴载荷最大值进行了计算,结果如表4～表6所示。
注**:相差比例=(地震-不考虑地震)/不考虑地震
从上述数据及比较来看,地震对风力机载荷最大值的影响是很大的,最大影响出现在主轴载荷最大值上(增加了413.19%)。计算结果对风力机的抗震结构设计具有很好的参考意义。
7 结论
(1)通过将本文计算结果与GL认证软件Bladed的计算结果进行对比表明,本文所建立并使用的计算模型不仅正确可行,而且可以根据用户使用的算法和模型的需要修改子模型。
(2)将本文建立的模型应用于某大功率风力机地震-风力联合作用下的载荷仿真计算,比较准确、实时地模拟了其在各种工况下的受载情况。结果表明,地震时风力发电机载荷比正常情况下所受载荷要高出许多。
参考文献
[1]贺广零.考虑土-结构相互作用的风力发电高塔系统地震动力响应分析[J].机械工程学报,2009,45(7):87-94.
[2]贺广零,周勇,李杰.风力发电高塔系统地震动力响应分析[J].工程力学,2009,26(7):72-77.
[3]李长凤.风力发电结构动力反应的一体化有限元模型分析[J].特种结构,2008,25(2):17-19.
[4]洪嘉振.计算多体系统动力学[M].北京:高等教育出版社,2003.
[5]齐朝晖.多体系统动力学[M].北京:科学出版社,2008.
[6]Homer R,Steve R.Multi-body Dynamics Monito-ring and Simulation Techniques lll[M].London:Professional Engineering Pub.,2004.
[7]金鑫,何玉林,杜静,等.风力机结构耦合振动分析[J].中国机械工程,2008,19(1):9-13.
[8]刘桦,何玉林,金鑫,等.基于GDW理论的失速型风力机整机性能分析[J].太阳能学报,2008,29(3):343-348.
[9]Bazeos N,Halzigeorgious G D,Hondros I D.Static,Seismic and Stability Analyses of a Prototype WindTurbine Steel Tower[J].Engineering Structures,2002,24(8):1015-1025.
[10]European Committee for Standardization.BS EN1998-5-2004Eurocode8:Design of Structuresfor Earthquake Resistance[S].London:LondonSouth Bank University,2003.
[11]沈聚敏.抗震工程学[M].北京:中国建筑工业出版社[M],2004.
风力发电机 篇2
1.异步型
(1)笼型异步发电机;功率为600/125kW 750kW 800kW 12500kW
定子向电网输送不同功率的50Hz交流电;
(2)绕线式双馈异步发电机;功率为1500kW
定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送 有功或无功功率。
2.同步型
(1)永磁同步发电机;功率为750kW 1200kW 1500kW 由永磁体产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电
(2)电励磁同步发电机;由外接到转子上的直流电流产生磁场,定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电
根据叶片形式的不同，现有风力发电机分为以下两类：
1.水平轴
世界上目前利用最多的形式，功率最大5MW左右。
2.垂直轴
21世纪初由中国、日本、欧洲几乎同时发明的一种新型风力发电机，有别于最早的垂直轴风力发电机(达里厄型)，效率高于水平轴风力发电机，无噪音和转向机构，维护简单。已成为欧美市场中小型风力发电机的首选。世界上目前最大功率是由上海模斯电子设备有限公司(MUCE)生产的50千瓦垂直轴风力发电机，日本最大功率30千瓦，英美国家生产的功率在1千瓦到10千瓦之间。
最近，国内外多家公司提出了建造超大型垂直轴风力发电机的计划(10MW)，此项计划得到落实后，由于成本远低于目前的风力发电机，必将逐步取代水平轴风力发电机，成为世界新能源的主力军!
8风力发电机的选取标准
1.根据机械
负载性质和生产工艺对发电机的启动、制动、反转、调速等要求，选择发电机的类型。
2.根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度的要求
考虑发电机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择发电机的功率，并确定冷却通风方式、所选电动机的功率应留有余量，负荷率一般取0.8 ，0.9。
3.根据使用场所的环境条件，
如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护方式，选择发电的结构形式。
4.根据企业的电网电压标准对功率因数的要求
确定发电的电压等级和类型。
5.根据生产进行的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求
以及进行减速机构的复杂程度，选择发电机的额定功率
9风力发电机对风能以及其它的技术要求
9.1风力发电机对风能技术要求
大家对风能的发展展现出了浓厚的兴趣。伴随着使用风力发电机的热潮，现在需要对电力动态系统， 电力传输规划的设计评估。本文的第一个目的是提出一个准确的低阶动态模型的风力发电机组，它是 符合现代机电暂态模拟计算机程式的。 本文中，开发的模式着重于水平轴的风力发电机， 或风力机直接连到同步
网时采用异步发电机。 这其中还包含许多现代大型发电系统。 由于大型风力装置的构建是由许多个风力发电机组成的，风力发电场的建模是一个迫切的需求。因此， 本文的第二个目的是提供一种方法，它结合数个风力发电机连接到一个电网上，然后通过一个共同模式整合成一个单一的等效模型。 风力发电机主要分为定速或变速。以最小单位，涡轮驱动的感应发电机为例，它是直接连接到电网上的。 涡轮转速变化很小，那是由于陡坡的发电机转矩和转速的特性所制; 因此， 它被称为定速系统. 还有变速装置，发电机连接到电网利用电力电子变换的技术使涡轮速度受到控制，以最大限度地表现出来(例如，电力的控制) 。 这两种方法在风力工业均非常普遍。
在本文中， 我们将目光集中在建模定速装置和等效模拟几个固定转速风力发电集成园。第一种典型的风力机械频率是在0至10赫兹范围; 这也是各种机电振荡的频率。 因此，这涉及到机械振动的风力互动学与机电动力学。 这方面的例子参见本文。 因此，为了构建一个精确的模型，风力发电机可用于暂态稳定的研究。 第一种涡轮机械动力学必须能准确的代表模型。这里的风力发电机模型建出了导电模型，减少了一个详细的650阶有限元模型的一个典型的横向轴。 气动力和机械动力的减少与非线性四阶双涡轮惯性模型相结合生成了一个标准发电机模型. 模拟计算表明了模型的精确性。几个风力发电机连接到传输系统上通过一个单一的模型建模，因为每个涡轮暂态稳定系统都过于繁琐， 我们的目的是整和风力发电园成为相当于风力发电机模型的极小系统。我们对等价建模的风园涉及到把所有涡轮以同样的机械固有频率整和成单一当量的涡轮机。模拟结果表明，这种方法能够提供准确的结果。
9.2风力发电机建模的技术是暂态稳定系统
模拟结果表明，固定频率的风力发电机组主要集中在以下两个主要方法。第一种方式是把汽轮机和发电机转子作为一个单一的惯性体从而忽略系统的机械固有频率。 第二种方式是把涡轮叶片和枢纽之一的惯性体接上发电机加上一个弹簧 。 在所有这些论文中，弹簧刚度的计算是从系统的主要部分中提取的。我们的研究显示，较第一型机械频率来说第二型才是至关重要的一个精确的模型. 有限元分析表明，第一类动力的变化主要是因为灵活的涡轮叶片不够精确。 根据建模方法的算法，我们得知的主要事实是，小而灵活的机械部件是涡轮上的刀片。 结果集中表明了几个风力发电机系统和降阶风园模型的类型和与类型相结合的方法。这些模型中的大部分都采用动量理论来计算气动力。我们对发展涡轮动力的一个降阶模型为出发点，把所有机械和气动涡轮机动态效果以高度详细的用机电射程的形式表示出来。 在这个还原过程中，是以消费者的角度来分析涡轮轴驱动发电机的。目的是为了准确反映轴转速和扭矩特性与最小模型的秩序和复杂性。 数值调查表明，机械气动和机械效应的一个例子所展现的测试系统实现了有限元建模环境。该系统是一种新兴的横向风轴机床，包括三个31.7米叶片，叶片的一套点俯仰角度为2.6 ， 一个82.5米的主轴，它们的额定功率为18.2 - RPM和
1.5兆瓦，在15米/秒的风速条件下. 汽轮机是透过一个简单的异步发电机模型直接连接到60赫兹的机械。 它还利用ADAMS有限元软件(来自机械动力学 公司) ，加上毫微克(即由国家可再生能源实验室)软件进行模拟。 这两个软件一起被称为亚当斯. 所有参数测试系统的模型研制出一个现实的大型机器。 整个系统包含325个自由度，包括非常详细地模拟动力和外部作用力。 由于机械设计中的大多数水平轴风力涡轮机极为相似， 结果使该方法的适用面广。 研究者在用亚
当斯/分数制进行了研究以后，还广泛接触了以一个制动脉冲对该系统的瞬态响应的研究方法。为了模仿长达0.1毫米的三相短路，发电机轴对电路的混乱反应进行了分析。 系统的反应是一个阻尼振荡的过程。 详细的拟态分析表明，系统的振荡是由于外层部分的叶片振动对两者的内在部位的叶片的作用。这样的结果是很典型的.现代风力涡轮叶片非常大，有弹性，而且往往颤动。1表明，它主要包含4 Hz分量。这也是典型的大型涡轮机， 它通常有第一型机械自然频率在0至10赫兹范围内。因为这个范围也是典型的机电振荡频率范围， 这还是风力涡轮机的关键频率范围。而研究者会倾向于研究机电振荡的频率。 模态的第一振荡模式会产生一系列的主导反应。一个典型的系统，内部惯性主导地位取决于叶根和发电机的惯性量.许多研究者都推断整个涡轮机和发电机成为一个单一的惰性体从而忽略第一机械型动态系统的作用。别人都认同第一动态模式，但不认同模式叶片弹性模式.相反，这些作者都假设叶片是一个惯性体而把模型涡轮轴作为一个弹簧体. 但是，在一个典型的系统中，轴上的刀片相比其他元件来说灵活得多. 我们的研究表明，第一机械模式的叶片可以与竖轴作为一个刚体. 我们的研究还表明，正确建模是研究力学的关键，以获取准确的瞬态仿真结果.
9.3风力电动机技术之间的能量转换
因为主要组成部分能量是短暂的，那是由于汽轮机的惯性能量的影响， 而且失速型风力涡轮机可准确模拟这种方式. 乙发电机模型中的标准做法是行之有效的建模发生器.标准而详细的两轴感应机模型是用来代表异步发电机的.由此方程可知，凡是暂态开路的时间常数，滑移速度，都是同步的电抗，还是暂态电抗.而且并在D轴和q轴定子电压中， 并在D轴和Q轴的每单位定子电流中. 转矩的计算是从定子电流的计算中得到的，是通过发电机模型参数计算出的相关参数。
风园造型中的风园分为几个风力发电机连接到传输系统中整和为一个单一的系统.这需要建模，因为每个涡轮暂态稳定，可过于繁琐.我们的目标是整和风园成为一套最起码的等效模型.等价建模风园涉及到把所有涡轮以同样的机械固有频率成一个单一相当于涡轮机的系统. 每个这些等效的涡轮然后连接到异步发电机上.甲相当于水轮机模型的前提，我们的做法是: 因为轮机都离不开一个共同的系统，每个涡轮也受到了同样的干扰力矩. 因此，涡轮机的性能相似于震荡阶段.因此涡轮可合并为一个平行的机械组合.模态分析风力公园系统支持这个假说。 考虑要予以合并的涡轮相同的自然频率机械，那么等于涡轮建模方程中，弹簧和阻尼条件汽轮机分别是惯性体。涡轮得到的风力矩是利用，并迫使水轮机具有相同输出功率为涡轮的总和，是机组的功率系数为涡轮机. 乙相当于发电机模型用异步发电机参数的纳加权平均法来进行计算.用此方法，相当于机床参数和计算，以加权平均纳每一科的异步电机等效 H/c。
10 风力发电机在现实中的使用范例
在风速12米/秒的情况下进行的测试.该系统还设有四个同步发电机. 每个同步发电机配备了调速器和励磁系统.瞬态标准模型是随着励磁和调速用于同步发电机的模型.下列所有模拟执行了修改版的电力系统测试. 电力系统的工具箱作了修改以允许模拟风力发电机的情况.8风力发电机组显示出的两个混乱的组成造型. 在系统15日之后开放路线的循环故障. 研究者分析的双涡轮惯性反应表明两种模式的振荡:一块4.5赫兹模式和一个2.0赫兹的模式. 4.5 -赫兹模式，是机械方式的汽轮机和2.0赫兹模式是机电模式的汽轮机. 类似的分析中的一个
惯性反应表明只有一个模式，在240赫兹范围内.它是一种机电模式.由于失误， 单一惯性系统图在第一摇摆区间出现了振荡反应.电力工程师可能会得出不同的结论，不同的瞬态系统和小信号稳定性能的系统. 一个惯性反应表明，一个稳定的系统，以较低的首摆动偏差和高振荡阻尼这样的形式运动会更稳定.如其他的例子证明的情况下，单一的惯性反应，发生在稳定和更精确的双惯性反应之间时是不稳定的.这个例子表明了等效风园的等效建模方法.两个惯性与一个惯性涡轮响应. 实际运动的系统，以从17日至16日为例子.21个风力发电机每接到一个系统里后，17日就通过一项简短的输电线路整和成一个系统. 所有风力发电机是相同的双惯性系统.通过建模两例进行比较，首宗案件是一个具体的模型，每个风力发电机在该风园都是仿制的个体; 这实际上形成了126阶模式的风园.今年在头前7个风力发电机驱动下，风速14米/秒，并通过一条长1公里的配电线路接到系统17路. 第二组七个所带动的风速为11米/秒，并通过 2公里的配电线路接连到系统17日.对第二个例子，风园是仿制单一相当于风力发电机的使用方法中的第五节( 6阶模型)显示出了风园实际运行能力.从3中可以看出，等效模型非常准确地代表了详细的一个风力发电系统.其它仿真案件也证明这是正确的做法.我们比较两个惯性降阶汽轮机的响应.根据有限元模型，惯性模式的每种模式，然后连接到通过一个感应发电机.响应的有限元模型是列图.1. 5惯性模式再现了每个叶片边缘和瓣弹簧减震器; 在代表低速轴弹簧刚度特性中和气动模型采用涡轮力理论.惯性模式也包含了离心力，重力和科里奥利效应.推导的五个型号惯性载荷如第三节叙述的水轮机性能.它直接透过1.68兆瓦的风力发电系统连接到60赫兹.两个惯性降阶模型整和成一个6阶模型，而有限元模型大约有650阶 ，而五年惯性模式是18秩序.可以看出，两个惯性降阶模型密切配合的高度详细的有限元及五惯性模式.在这个例子中， 我们展示灵敏度的双气轮机模式而选择的叶片断裂点.6. 相同的模型中50%的突破点位叶片弹簧为中心的叶片半径上.在例子1 .这种反应是比较了43%断点和56%的突破点. 百分比显示的位置，从沿叶片半径枢纽叶片弹簧放置的位置中，反应的分歧也相当大，值得仔细挑选的是叶片断裂点。
我国虽然是利用风力进行发电的最早的国家之一，但在其应用技术以及应用范围上的发展却不容乐观。从现在开始，大力开展风力发电事业，我国未来的风力发电的前景是很有希望的，虽然国外的风力发电技术已比较成熟，但我们应大力开展自主研发。
本文根据我国现有的风力发电的基本理论，对风力发电机的风轮，主轴，回转体和刹车装置的结构进行了设计.根据实际工况要求和相关的设计参数对所设计的结构中的重要元件进行了校和.其中，风轮是重点进行设计的元件.风轮的结构包括桨叶，桨叶轴，圆盘及其上面的其他元件。通过对风力发电机的结构设计，使它基本实现了风能转化为电能。这就使自然风为我们人类所用.本文所设计的装置基本能保证五千瓦的功率输出，但设计过程中也会因为考虑的不全面而使功率损失掉一部分，这些还需要进一步进行研究。
通过此次长达几个月时间的毕业设计，让我大学最后的生活充实而充满挑战性，其中很多问题是在次前没有遇到过的，当我解决不了的时候，第一想到的是我们的老师，而他总是很耐心的给我们讲解，所以在这里首先要感谢的是老师，他本身教学任务繁重，还要指导我们的毕业设计，有时候连一个基本的中午休息时间都没有，对此我们感激不尽，相信即使大学毕业了也不会忘记他曾经给予的帮助;第二还要感谢同学，有的时候问题很棘手，我就会找同学讨论，感谢他们在这中间给予的帮助
大学生活即将结束，通过这次设计又将大学里所学的知识统统拿出来用了一遍，用知识去解决问题，我想即使以后走入社会也不惧任何困难。
参考文献
[1]丁元杰.风力发电机的原理与应用.北京：机械工业出版社，.
[2]童诗白，华成英. 模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，.
[3]常健生. 风力发电机检测与转换技术.北京：机械工业出版社，.
[4]阎石. 风力发电机数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，.
[5]王晓明. 电机的单片机风力发电机控制基础 北京：北京航空航天大学出版社，.
[6]陈伯时. 电力拖动自动控制系统―运动控制系统.北京：机械工业出版社，.
[7]刘剑.朱德文.电梯电器设计.北京;中国电力出版社，.
农用风力发电机叶片设计 篇3
关键词：风力发电；叶片；优化设计；三维建模
中图分类号： TM315 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）34-192-2
1 概述
对于我国农村地区，由于电力负荷分散密度较低，致使输送线路电能浪费。又因为干旱季节、农忙时节用电量大，其他时间用电量小，这样很难对电网资源进行有效配置，因此常规大电网不适于农业用电。小型农用风力发电机结构简单、成本低、安装维护方便，而且保护环境，有利于国家的可持续发展，因此，采用独立供电系统的小型风力发电机能够有效地解决农业用电问题。小型风力发电机分为水平轴和垂直轴两种类型，相对水平轴风力机，垂直轴风力机安装、维护方便，成本也低，更适合于农户使用。其中，风力机叶片是风力发电机组最为关键的部分，叶片的翼型和结构形式，直接影响了发电机组的性能、功率和使用寿命。本文基于风力机叶片翼型的几何参数及空气动力学特性，进行叶片设计及三维建模。本文选择NACA-0018翼型，为普通家庭用户提供电力，拟用300W永磁直驱式小型风力发电机组叶片，实现220V家用电器的电力供给[1-3]。
2 叶片设计的基本概念
翼型是组成风力发电机叶片的基本，发电机翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性作用。翼型的主要气动参数主要包括阻力、升力、升阻比、力矩、升阻比、升力系数、力矩系数、阻力系数、压力中心等[4]。翼型的主要气动几何参数包括翼型的前后缘、弦长、攻角、最大厚度、升力系数角等[5-6]，如图1所示。
3 风力发电机叶片设计
根据经验公式，风轮输出功率的最大值为Ne
Ne=0.25SV3 （1）
式中，Ne为风轮最大输出功率，W或kW；S为叶片扫掠面积，m2；V为自由来流风速，m/s。
根据经验，扫掠面积又可以表达为
S=8RH/3 （2）
式中，R、H分别为风轮的半径和高，得到R、H的关系后，与其他风力机比对，可初步确定R、H的数值。风轮半径R的确定：
R=3S/8H（3）
尖速比λ的确定：
λ=2πnR/60v （4）
叶片各处的尖速比：
λi=riλ/R（5）
式中：λi表示距转动中心不同半径的尖速比；ri表示叶片至转动中心不同位置的半径；R表示叶片最大转动半径。
叶片弦长L
L=5R/Kλ2 （6）
式中，L表示叶片弦长；K表示叶片数。
叶片距转动中心不同位置的半径的弦长Li
式中，Li表示叶片距转动中心不同半径的弦长，m；ri表示叶片距转动中心不同半径的半径，m。
增速比i的确定：
i=nD/n （8）
式中，nD表示发电机额定转速，r/min；n表示风轮额定转速，r/min；
叶片不同半径处的尖速比λi
D=1.75时，λ=2.28，即R=0.875m时，不同半径Ri时尖速比：
λi=Riλ/R（9）
叶片不同半径处的弦长Li：
li=5Ri/（Kλiλi）（10）
计算得到风轮主要气动几何参数：自然来流风速V，10m/s；叶片翼型高度h，1.2m；最大输出功率Ne，300W；风轮扫略面积S，1.2m2；风轮密实度ρ：0.08；风轮最大半径R： 0.875m；风轮高度H：0.52m；风轮叶片数B：4；风轮尖速比λ：2.28；风轮转速n：250r/min；叶片翼型弦长L：210mm。
采用NACA0018翼型，风轮直径1.2m，四叶片H型升力型垂直轴风力机，选用叶尖速比λ=2.28，翼型弦长C=210mm，获得风能最佳风能利用率。支持翼材料应用瓦楞状薄钢板，材料是普通碳素钢，叶片材料应用蜂窝状玻璃钢，主轴采用45号钢。
4 三维建模
利用Solidworks进行三维实体建模。通过建立二维草图，确定风轮的中心转轴，绘制平衡锤和离心锤，得到垂直轴风机叶片的立体结构，如图2所示。
5 结论
风力发电机有效地解决了农业用电问题，叶片为风力机的重要元件。本文根据风力发电机叶片设计理论及风能情况，设计了风力发电机叶片，为农用风力发电机的应用提供了技术参考。
参 考 文 献
[1] 鲁南.新能源概论[M].北京：中国农业出版社，1995.
[2] 李先允，陈小虎，唐国庆.大型风力发电厂等值建模研究综述[J].华北电力大学学报，2006，33（1）：42.
[3] 王亚荣，邵联合.风力发电与机组系统[M].北京：化学工业出版社，2013.
[4] 宋芳芳.小型风力发电机叶片设计及仿真分析[D].浙江大学，2012.
[5] 詹姆斯·曼韦尔，乔恩？麦高恩.风能利用——理论、设计和应用[M].西安交通大学出版社，2013.
风力发电机种类 篇4
a) 水平轴风力发电机, 风轮的旋转轴与风向平行。
水平轴风力发电机可分为升力型和阻力型两类。升力型风力发电机旋转速度快, 阻力型旋转速度慢。对于风力发电, 多采用升力型水平轴风力发电机。大多数水平轴风力发电机具有对风装置, 能随风向改变而转动。对于小型风力发电机, 这种对风装置采用尾舵, 而对于大型的风力发电机, 则利用风向传感元件及伺服电机组成的传动机构。
风力机的风轮在塔架前面的称为上风向风力机, 风轮在塔架后面的则成为下风向风机。水平轴风力发电机的式样很多, 有的具有反转叶片的风轮, 有的再一个塔架上安装多个风轮, 以便在输出功率一定的条件下减少塔架的成本, 还有的水平轴风力发电机在风轮周围产生漩涡, 集中气流, 增加气流速度;
b) 垂直轴风力发电机, 风轮的旋转轴垂直于地面或者气流方向。
风力发电机的分类总结 篇5
国内外风力机的结构形式繁多，从不同的角度有多种分类方法：
①(按风轮轴与地面的相对位置，分为水平轴式风力机和垂直轴（立轴）式风力机。
②按叶片工作原理，分为升力型风力机和阻力型风力机。
③按风力机的用途分类，有风力发电机、风力提水机、风力铡草机、风力脱谷机等。
④按风轮叶片的叶尖线速度与吹来的风速之比的大小来分，有高速风力机（比值大于3）和低速风力机（比值小于3）；也有把该比值2～5 者称为中速风力机。
⑤按风机容量大小分类：国际上通常将风力机组分为小型（100 KW 以下）、中型（100～1000 KW）和大型（1000 KW 以上）3种；
我国则分成微型（1 KW 以下）、小型（1～10 KW）、中型（10～100 KW）和大型（100 KW以上）4种；也有的将1000 KW以上的风机称为巨型风力机。
⑥按风轮的叶片数量，分单叶片、双叶片、三叶片、四叶片及多叶片式风力机。
二、又因为叶片工作原理不同，水平轴和垂直轴风力发电机又可细分为：升力型水平轴风力发电机，阻力型水平轴风力发电机；升力型垂直轴风力发电机，阻力型垂直轴风力发电机。
以下就是各种风力发电机的种类和特征概述：
1、风力机的种类及特征：垂直轴风力机
(1)桨叶式风力机 桨叶式风力机是一种阻力型风力机，因它的叶片形状而得名。这种风力机的关键集中在如何减少逆风方向叶片的阻力，对此有许多设计方案。使用遮风板的，也有改变迎风角的，不过桨叶式风力机的效率很低，除了在日本局部地区曾经使用过外，实际上几乎没有制造和使用的实例。一般来说，这种风力机归类为垂直轴型，但是也有把它设计成水平轴的。
(2)萨布纽斯式风力机 萨布纽斯式风力机是20年代发明的垂直轴风力机，它以发明者萨布纽斯的名字命名(我国有时称它为S型风力机)。这种风力机通常由两枚半圆筒形的叶片所构成，也有用三一四枚的。这种风力机往往上下重叠多层。效率最大不超过10％，能产生很大的扭矩。在发展中国家有人用它来提水、发电等。是一种传统的阻力型风力发电机。
(3)达里厄型风力机 达里厄风力机是一种新开发的垂直轴式风力机，以法国发明者达里厄的名字命
名，下图为普通的Φ形达里厄风力机和特殊的Δ形达里厄风力机。其叶片多为2—3枚。该风力机回转时与风向无关，是升力型的。它装置简单，成本也比较便宜，但起动性能差，因此也有人把这种风力机和一部萨布纽斯风力机组合在一起使用。
(4)旋转涡轮式风力机 垂直轴升力型旋转涡轮式风力机，这种风力杉L垂直安装3—4枚对称翼形的叶片。它有使叶片自动保持最佳攻角的机构。因此结构复杂价格也较高，但它能改变桨距、起动性能好、能保持一定的转速，效率极高。这种风机也有把同样的叶片固定安装的形式。
(5)弗来纳式风力机 在气流中回转的圆筒或球，可以使该物体的周围的压力发生变化而产生升力。这种现象叫马格努斯效应，利用这个效应的发电装置叫弗来纳式风力发电装置。在大的圆形轨道上移动的小车上装上回转的圆筒，由风力驱动小车，用装在小车轴上的发电机发电。这种装置，是1931年由美国的J·马达拉斯发明的，并实际制造了重15吨、高27米的巨大模型进行了实验。这个实验的详细情况不清，但时间很短便中止了。现在弗来纳式风力机装置又受到重视，美国的笛顿大学在重新进行开发和试验。
(6)费特·肖奈达式风力机 这种风力机是由德国费特公司的工程师肖奈达发明的，费特·肖奈达螺旋桨垂直地安装在船底下部作为船的推进器。推进器圆周的叶片，在刁；同的位置上能够改变方向，因随着叶片的角度和回转速度不同，其升力的大小和方向也不同，所以可以不用舵。把这种费特，肖奈达叶片上下相对可制成风力机(如下图)，其工作原理和旋转涡轮式风力机相类似。
2、风力机的种类及特征:水平轴风力机
（1）螺旋桨式风力机
作为风力发电使用最多的是螺旋桨式风力机.常见的是双叶片和三叶片风力机,但也有一片或四片以上的风力机.这种风力机的翼形与飞机翼形相类似,为了提高起动性能,尽量减少空气动力损失,多采用叶根强度高、叶尖强度低带有螺旋角的结构.螺旋桨式风力机,至少也要达到额定风速,才能输出额定功率,为了使风向正对风轮卧回转平面,需要进行方向控制.（2）荷兰式风力机
欧洲(特别是荷兰和比利时)使用的荷兰式风力机.现有900 台左右,一部分作为游览用在运行, 大型的有直径超过20 米的机组.（3）多翼式风力机
多翼式风力机在美国的中、西部的牧场大部分用来提水.19 世纪来有数百万台.多翼式风力机装有20 枚左右的叶片,是典型的低转速大扭矩风力机,目前不仅在美国使用,在墨西哥、澳大利亚、阿根廷、南美等地也有相当的数量在使用,也是多翼式的风力机,它是美国风力涡轮公司最近研究的自行车车轮式风力机,48 枚中空的叶片做放射状配置,性能比过去的多翼式风力机大有提高.用来发电的发电机用皮带或齿圈传动.（4）帆翼式风力机
布制帆翼式风力机在地中海沿岸及岛屿有很长的历史,大型的有直径10 米、20 枚叶片的,但大多数为直径4 米、6—8 枚叶片.绝大部分用来提水,一小部分用来磨面.下图是美国普林斯顿大学研究的新风
力机叶片.这种叶片看起来象是木质的整体,但实际上前缘用金属管,后缘使用的是纲索,叶片的主体部分用帆布制成.因此,它的重量很轻,性能与刚体螺旋桨没有什么两样,而且通过加在叶尖上的配重也可以控制桨距进行调速.（5）涡轮式风力机
轮式风力发电机和燃气涡轮、蒸汽涡轮一样由静叶片(定子)和动叶片(转子)构成,这种风力机尤其适用于强风地区.下图是日本大学粟野教授研制并在南极使用的涡轮式风力发电装置,它可耐南极40-50 米/秒的大风雪,制造得极其坚固并采用轴流涡轮方式以取得高效率.（6）多风轮式风力机
风力发电机叶片一次成型制备 篇6
目前国内外生产大中型风机叶片都采用分步制备、粘结成型工艺，即先分别制作叶片的上、下外壳和芯梁后，再粘成一体。这种工艺存在三个方面的不足。首先，由于粘接剂的强度比复合材料上下壳的强度低，粘结起来的叶片强度就远不如整体一次成型叶片（不使用任何粘接剂连接）的强度高；其次，多步成型一般很难确保叶壳、芯梁等部件在每一个截面的加工精度、粘接定位精度以及粘接时的压实精度，直接影响成型后的叶片外形精度和实际效率，除非有十分熟练的技工和完善的机械化加工装备；第三，分步制备中的每一个部件都需要一个专用模具，模具多、厂房占地面积大、生产周期长。
本项新技术是借助智能芯对叶片一次成型，不再使用任何粘结剂，提高了叶片的力学强度，其直接效果是可以显著降低材料用量；由于采用了智能芯，叶片外壳固化时智能芯膨胀形成足够高的挤压力，使得成型后的叶片外形与设计的外形相同，能够确保叶片的气动效率；由于这种高精度叶片外形是由加工工艺本身实现的，不是由生产员工的技能取得的，因而，新技术工艺对员工的技术要求就大大降低；一次成型叶片的生产周期比传统成型方法大大缩短。技术指标：外形精度高，与模具的形腔一致，从而能消除因加工误差导致叶片实际外形与设计外形不一致、气动效率降低的隐患。可应用于风力发电、冷却塔、机翼等。
废旧电机改装风力发电机 篇7
在我国某些偏远地区,供电十分困难,然而这些地区拥有得天独厚的自然资源———风能,如果能够在这些地区建立小型风力发电组,那么在一定程度上可以解决地方用电困难问题。而且随着电动车使用日益普及,大量废旧的电动机不能够得到有效处理,造成极大污染和浪费,如果将它改装成发电机,将一举两得。
1 系统整体框图
经过大量理论验证和科学计算,最终确定该发电系统由以下几部分组成:
(1)发电设备;
(2)电子处理设备;
(3)电机控制设备。
系统框图如下:
1.1 发电设备
发电设备由废旧的电动车、自行车和模型飞机上的桨叶组成,电机的输出电压由微处理器处理,实物图如图二所示。
1.2 电子处理设备
电子处理设备用于处理发电机产生的电压,并且将当前电压值显示出来。该设备主要以STC12C5410AD单片机为核心,外围设备由一些数字芯片和数码管共同组成。实物图片如图三所示:
1.3 电机控制设备
电机控制设备主要用于跟踪风向,使发电机时刻处于最大发电量状态。其核心部分由MG9950型号的大扭矩舵机组成,由微处理器控制其跟踪风向。实物如图四所示:
2 软件设计
发电系统的核心在于软件编程,在主程序中主要是完成显示及方向控制,而在中断处理中主要是完成数据的采集与处理。其主要功能如下:(1)实时调节发电机位置,使其迎风而对;(2)电压采集及处理,使结果在数码管上显示;(3)发电机实时状态指示,实时检测设备所处状态。软件流程图如图五所示,定时中断处理流程图如图六所示。
3 硬件设计
3.1 微处理器最小系统
根据实际需求,这里选择体型较小、性能优越的STC12C5410AD单片机,其内部集成有A/D转换器、PWM输出模块,可以很方便地采集电压数据和控制舵机。
3.2 微处理器外围电路设计
外围电路主要有数码管显示锁存芯片和译码电路等主要用于显示当前发电机发电量及工作状态。
4 结束语
废旧电机改装风力发电系统的设计在一定程度上可以解决局部用电问题,但由于设计相对简单,希望日后能够进一步完善系统。
参考文献
[1]丁玉美,高西全.数字信号处理(第二版)[M].西安:西安电子科技大学出版社,2001.
[2]张先庭.单片机原理、接口与C51应用程序设计[M].北京:国防工业出版社,2011.
[3]阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
风力发电机叶片制造 篇8
关键词：风力发电,风电叶片,叶片生产制造
1 背景介绍
风力发电机是一种将风能转化为机械能, 再由机械能转化为电能的机组和系统, 前一种转化是由风轮实现的, 后一种转化是由发电机实现的。风轮主要由两部分组成:叶片 (一般为3片) 和轮毂, 轮毂只起连接的作用, 叶片是将风能转化为机械能的唯一关键部件。叶片的外形决定了整个机组的空气动力性能, 一个具有良好空气动力外形的叶片, 可以使机组的能量转换效率更高, 获得更多的风能。同时, 叶片又承受着很大的载荷 (风力和质量力) , 自然界中的风况复杂多变, 叶片上承载的载荷也就很复杂, 整个风力发电机组主要载荷的来源是叶片, 所以叶片必须有足够的强度和刚度。
由此可见, 叶片的材料、结构和工艺是非常关键的。材料和结构保证叶片的强度和刚度, 并且重量要轻, 还要有合适的工艺和方法, 保证能够做出带有复杂的外形、符合空气动力学原理的外形的大尺寸构件。叶片的关键技术有下面几个部分:气动外形设计及性能和载荷计算、材料选择、结构设计与强度和刚度计算、成型工艺、模具设计与制造。
下面以某企业研制生产的1.5M W变速变桨距型风力发电机组叶片为例, 介绍叶片的规格、使用材料、性能、主要技术参数以及生产工艺过程等。
2 产品介绍
2.1 概述
该产品为某公司自行研制设计并生产, 适用于发电机组为水平轴、上风向、3叶片、变速变桨距调节型。叶片分两种规格:X F 37.5型和X F 40.25型, 具有良好的空气动力性能:φ82.5m风轮 (叶片长40.25m) 最大风能利用系数Cpm ax可达到0.493, φ77m风轮 (叶片长37.5m) 最大风能利用系数Cpmax可达到0.488。叶片与轮毂联接方式为叶根法兰连接, 在法兰盘直径1800mm圆周上均布M 30的螺栓孔。
两种叶片的翼型均选用适用于风电叶片的先进的N ACA、DU、F F A等系列翼型, 所用翼型的空气动力特性 (升力、阻力、力矩系数等) 在试验数据的基础上应用专业软件R foil进行了雷诺数和三维修正, 对叶片的气动设计进行了优化设计, 气动性能达到了国际先进水平。
X F 37.5型采用不饱和聚酯复合材料, X F 40.25型采用环氧复合材料。两种叶片均采用真空导注工艺, 采用该工艺制造叶片的质量稳定性好, 整体性好, 尺寸精度高, 叶片重量更易于控制, 能显著提高叶片的强度、刚度和其他物理特性。
2.2 主要技术参数
叶片主要安装尺寸、叶片参数、风轮参数、材料及运行条件如表1所示。
3 叶片生产过程
叶片的生产过程大致有下料、大梁和翼梁制作、层铺、真空吸注、合模和起模、型修、检验配平出厂等工序。
3.1 下料
根据强度、工艺性、经济性要求选择主要复合材料和金属材料。基体树脂选用进口的真空导注专用环氧树脂, 固化温度在80℃左右;增强材料选用国产玻璃纤维制品, 国内产品可大量供应, 成本低, 而且质量可靠;结构粘接胶选用可室温固化的环氧树脂类粘接胶, 进口或国产产品都有合适的产品;金属材料:主要是叶片连接金属件用材料, 采用国产优质合金钢。除按照工艺设计要求准备主材料之外, 下列准备工作也许格外注意以下几点。
(1) 螺栓套准备:堵盖、喷砂、缠丝、清洗、打压。
(2) 配合打磨组下料:前后缘外补强、内补强 (大梁) 所用布。
(3) 配合合模组下料:硫化阻尼板、斜纹布、海绵条、短切毡等。
(4) 叶片下料:P V C泡沫板缝制、聚氨脂泡沫、粘接舌头、楔形条切割打磨。
3.2 大梁、翼梁制作
在大梁模具和翼梁模具上分别制作和组装大梁 (前梁和后梁) , 制作和组装翼梁 (也称梁盖) , 粘结组装制动梁, 并制作叶尖和主体端头组件。其中的层铺和真空吸注、型修工艺参见后述有关叶片相关工艺。
3.3 层铺
在正式层铺之前, 先要将模具准备好, 包括:起模 (撬开预离模装置, 松模具锁紧装置, 松螺栓套螺丝, 吊半圆法兰) 、清理副模 (打蜡, 铺脱模布) 、清理半圆法兰、安装螺栓套、领料, 然后再按照工艺要求逐层进行铺布并缝布。
3.4 真空吸住
真空吸注是叶片生产过程中的关键工艺之一, 密封性、负压控制、导流管的铺设等, 都非常重要, 直接影响叶片的各项性能指标。真空吸注工序包括以下过程:准备 (铺放密封胶条, 铺放双面胶条, 铺放螺旋包套, 铺放脱模布) 、备料 (准备树脂、固化剂、真空罐标识) 、吸注 (连接真空罐、真空泵, 抽真空达到规定负压, 配胶、注胶) 、固化、清理注胶用Ω管和注胶块。
3.5 合模、起模
(1) 准备工作:真空吸注后要先对现场进行清理, 然后撕去脱模布、导流网和Ω管, 手糊预离模装置, 打磨分模面, 清理副模, 分胶。
(2) 试合模:固定梁、小梁、大梁划线, 上下壳铺阻尼, 清理大梁上脱模布。
(3) 合模:大梁锁紧, 叶壳内刮胶, 清理卫生。
起模:结构胶固化后, 松开锁紧装置, 将模具与叶片分离。
3.6 型修
将叶片吊运到一定高度, 切去飞边, 打磨需进行内补强和大梁补强的地方。然后将叶片吊上大圈车, 打磨需外补强的地方, 之后切13切面和窗口, 再进行内外补强和大梁补强。待内外补强和大梁补强固化后, 修理外补强光滑度, 再喷胶衣, 修理13切面和叶尖, 对胶衣光滑面处理。
3.7 检验、配平、出厂
对产品进行进行总体检验, 安装法兰盘、接闪器、标牌, 配平成套 (将3个质量、重心相近的叶片采取补充材料的办法, 使其质量相等、重心一致, 并编号成套) , 最后进行出厂检验。
4 结论
农用风力发电机叶片设计 篇9
对于我国农村地区, 由于电力负荷分散密度较低, 致使输送线路电能浪费。又因为干旱季节、农忙时节用电量大, 其他时间用电量小, 这样很难对电网资源进行有效配置, 因此常规大电网不适于农业用电。小型农用风力发电机结构简单、成本低、安装维护方便, 而且保护环境, 有利于国家的可持续发展, 因此, 采用独立供电系统的小型风力发电机能够有效地解决农业用电问题。小型风力发电机分为水平轴和垂直轴两种类型, 相对水平轴风力机, 垂直轴风力机安装、维护方便, 成本也低, 更适合于农户使用。其中, 风力机叶片是风力发电机组最为关键的部分, 叶片的翼型和结构形式, 直接影响了发电机组的性能、功率和使用寿命。本文基于风力机叶片翼型的几何参数及空气动力学特性, 进行叶片设计及三维建模。本文选择NACA-0018翼型, 为普通家庭用户提供电力, 拟用300W永磁直驱式小型风力发电机组叶片, 实现220V家用电器的电力供给[1,2,3]。
2 叶片设计的基本概念
翼型是组成风力发电机叶片的基本, 发电机翼型的气动特性对风力机的性能起着决定性作用。翼型的主要气动参数主要包括阻力、升力、升阻比、力矩、升阻比、升力系数、力矩系数、阻力系数、压力中心等[4]。翼型的主要气动几何参数包括翼型的前后缘、弦长、攻角、最大厚度、升力系数角等[5,6], 如图1所示。
3 风力发电机叶片设计
根据经验公式, 风轮输出功率的最大值为N
式中, Ne为风轮最大输出功率, W或k W;S为叶片扫掠面积, m2;V为自由来流风速, m/s。
根据经验, 扫掠面积又可以表达为
式中, R、H分别为风轮的半径和高, 得到R、H的关系后, 与其他风力机比对, 可初步确定R、H的数值。风轮半径R的确定:
尖速比λ的确定:
叶片各处的尖速比:
式中:λi表示距转动中心不同半径的尖速比;ri表示叶片至转动中心不同位置的半径;R表示叶片最大转动半径。
叶片弦长L
式中, L表示叶片弦长;K表示叶片数。
叶片距转动中心不同位置的半径的弦长Li
式中, Li表示叶片距转动中心不同半径的弦长, m;ri表示叶片距转动中心不同半径的半径, m。
增速比i的确定:
式中, nD表示发电机额定转速, r/min;n表示风轮额定转速, r/min;
叶片不同半径处的尖速比λi
D=1.75时, λ=2.28, 即R=0.875m时, 不同半径Ri时尖速比:
叶片不同半径处的弦长Li:
计算得到风轮主要气动几何参数:自然来流风速V, 10m/s;叶片翼型高度h, 1.2m;最大输出功率Ne, 300W;风轮扫略面积S, 1.2m2;风轮密实度ρ:0.08;风轮最大半径R:0.875m;风轮高度H:0.52m;风轮叶片数B:4;风轮尖速比λ:2.28;风轮转速n:250r/min;叶片翼型弦长L:210mm。
采用NACA0018翼型, 风轮直径1.2m, 四叶片H型升力型垂直轴风力机, 选用叶尖速比λ=2.28, 翼型弦长C=210mm, 获得风能最佳风能利用率。支持翼材料应用瓦楞状薄钢板, 材料是普通碳素钢, 叶片材料应用蜂窝状玻璃钢, 主轴采用45号钢。
4 三维建模
利用Solidworks进行三维实体建模。通过建立二维草图, 确定风轮的中心转轴, 绘制平衡锤和离心锤, 得到垂直轴风机叶片的立体结构, 如图2所示。
5 结论
风力发电机有效地解决了农业用电问题, 叶片为风力机的重要元件。本文根据风力发电机叶片设计理论及风能情况, 设计了风力发电机叶片, 为农用风力发电机的应用提供了技术参考。
参考文献
[1]鲁南.新能源概论[M].北京:中国农业出版社, 1995.
[2]李先允, 陈小虎, 唐国庆.大型风力发电厂等值建模研究综述[J].华北电力大学学报, 2006, 33 (1) :42.
[3]王亚荣, 邵联合.风力发电与机组系统[M].北京:化学工业出版社, 2013.
[4]宋芳芳.小型风力发电机叶片设计及仿真分析[D].浙江大学, 2012.
[5]詹姆斯·曼韦尔, 乔恩?麦高恩.风能利用——理论、设计和应用[M].西安交通大学出版社, 2013.
巧用废旧电机改装风力发电机 篇10
一、电动机简介
目前电动自行车使用的都是直流旋转式电动机。根据其磁场产生的不同方式，可分为励磁式电动机和永磁式电动机二种类型。直流励磁式电动机的磁场由线圈绕组产生，其特点是过载能力强，输出功率大，常用在电动三轮车等较大功率设备上;直流永磁式电动机的磁场由永磁体产生，由于无需绕组励磁，这样就省去了励磁绕组工作时消耗的电能，提高了电动机的转换效率。所以直流永磁式电动机被电动自行车普遍采用，也是我们改装小型风力发电机的首选。
为了使电机能保持单向旋转，必须使直流电机通过平衡点时电流要变换方向，通常有两种方法：一是用机械式换向器(电刷)来改变电枢线圈通过平衡位置时的电流方向，二是通过电子开关电路来切换电枢线圈通过平衡位置时的电流方向，通常称前者为直流有刷电机，称后者为直流无刷电机。在直流有刷电机中磁钢作为定子，线圈绕组作为转子，在转子上装有换向器，线圈绕组连接在换向器上，由换向器经电刷与外部电源相联，随着电动机转子转动时，电机绕组线圈交替与电源的正负极相连，从而完成绕组线圈电流的换向，使电机持续单方向旋转。直流无刷电机中磁钢为转子，线圈绕组作为定子，定子线圈由三个，在空间上均匀分布的绕组组成，当通入线圈的电流在位置传感器和电子开关的相互作用下顺次切换时，就会产生旋转磁场，从而驱动转子单向旋转。
二、永磁发电机的改装及注意事项
根据法拉弟电磁感应原理，闭合线圈在磁场中切割磁力线就会产生感应电流，在电动自行车中所用的电动机均为永磁式电动机，这就有了一个恒定的磁场，而电动机绕组即是一个闭合的线圈，这时只要电机的转子与定子间有相对运动，在绕组线圈中就会产生感应电流，由于结构的差异，有刷电机和无刷电机的改装方法略有不同，现简述如下：
1. 直流有刷电机
可直接充当发电机使用，此时输出的就是直流电，但转子旋转的方向不同，则输出电压的正负极性也会相反，为了使发电机输出电压的极性保持恒定，可在电压的输出端加接一个桥式整流电路，这样无论发电机输出的极性如何，均可保证输出端的极性始终恒定，如图1所示。为了使发电机输出尽可能多的电能，应使叶片正对风向，制作时可在风力发电机的尾部加装一个导向舵(如图2所示)，若风力发电机未能正对风向，则导向舵舵面二侧受力不等，其中对风的一侧受力大，背风的一侧受力小，同时由于导向舵的受风面较大，在风力的作用下会使整个风力发电机产生转动，直至导向舵平面与风向平行，舵面二侧受力均等，当然此时风力发电机的叶片刚好正对风向，桨叶受风面最大，确保了发电机输出的电压最大，输出电能的效率也最高。由于风力的大小往往并不恒定，同时根据所选用直流有刷电机的不同电压等级，如24V、36V、48V等，电机输出的电压会有所不同，实际应用中要以测量到的输出电压为准。因为改装选用的是电动自行车的废旧电动机，有些电机可能会有不同程度的损坏，根据笔者改装的经验，直流有刷电动机绕组线圈较少出现问题，绝大部分是电刷和换向器损坏，因为电刷和换向器工作时处于摩擦状态，长期工作后，电刷会磨损，换向器会出现烧蚀，污损等现象，如果换向器烧蚀不严重，可用细砂纸打磨换向器并更换电刷即可正常工作，如果电刷，换向器磨损严重无法修复，这时干脆去掉电刷，不用电刷，断开换向器上任意一处，引出两根线作为输出线，即可使用，不过这时输出的电流不再是直流而是交流，其频率、电压会随着电机旋转的的速度变化而变化，但经整流、滤波后，即可变为较平稳的直流电。
2. 直流无刷电机的改装
直流无刷电机的改装要简单得多，只要从输出的8根线中找出绕组线圈的3根引线即可，通常输出的8根线中有5根细线，其中一红一黑2根线是霍尔位置传感器的电源输入线;另3根是霍尔位置传感器的信号输出线，控制电子开关适时为3个绕组线圈提供电源，产生旋转磁场，驱动电机转动，这五根线在改装中没有作用，可包好接头放在一边，无需理会。另3根粗线即是我们需要的绕组线圈输出线，直流无刷电机的三相绕组线圈采用星形连接，当转子磁钢旋转时，绕组线圈输出的是三相交流电。经三相整流、滤波后，变为较平稳的直流电即可使用，如图3所示。在改装的过程中笔者发现磁钢脱落也是电动自行车废旧电动机的常见故障，因该种电动机工作环境恶劣，在雨天及潮湿环境中使用，极易受潮而致生锈。生成的铁锈在磁钢和支架之间膨胀，撑开磁钢，使磁钢脱落或移位。造成电动机定子与转子互相磨擦(俗称扫镗)，从而使电动机不能正常工作。这时可打开电机端盖，找出脱落或移位的磁钢，清理残余的树脂胶和铁锈，用AB胶重新粘牢磁钢，粘接时应注意按原来的方向校正好磁钢的位置，要求与其他磁钢面平整一致，待固化后装配好电机，即可恢复使用。改装好的风力发电机用手旋转转子时，用电压表在输出端应测到相应的输出电压，这时一台永磁式发电机就改装成功了。
三、电压调节器
由于风力的大小通常是不确定的，所以风力发电机发出来的电往往也是不稳定的，会随风力的变化而变化，这样的电源是不能实际使用的，为此笔者从市场上购买了一只开关电源，进行了简单的改造，由于开关电源的输入电压范围大、转换效率高、输出功率大、输出电压稳定，所以是做风力发电机电压调节器较理想的选择，当然读者朋友们也可以另行设计电压调节器，使风力发电机输出的电压在规定的范围保持恒定。
四、安装调试步骤及实例
发电机改造完毕后，就应该给改装好的风力发电机装上合适的叶片了，笔者选用的是大型排风扇的三个叶片做桨叶，由于现在的电动自行车都是电机和轮毂连在一起的，这样给改装带来极大的方便，将3个叶片空间上彼此相隔120°，分别固定在轮毂上即可 (见图4) 。在电机的后部装上一个导向舵，再在电机的下部装上一根转动轴，套上一段合适的金属管，使其在外力作用下可以自由转动 (见图5) 。把改装好的风力发电机固定在塔台上。高度应适当高一些，桨叶绝不能触接到地面上的人和物，至此一台风力发电机改制安装完成，即可试转发电。
风力发电机 篇11
一、合理选购
1.根据风力资源情况选型。年平均风速低，风力2级（风速2.5米/秒）以上的地区，可选用小型永磁式风力发电机。年平均风速高、风力在4 ~ 5级（风速6 ~ 8米/秒）以上的地区，可选用励磁式风力发电机。
2.根据电器负荷选型。一般所购发电机的额定功率应略大于家庭所用电器的总功率，以保证各种电器能正常工作。
3.根据无风期时间长短选购蓄电池。无风期短的地区，可选购小容量的蓄电池；无风期长的地区，可选购大容量的蓄电池。
二、正确使用
1.发电机组经安装调试全面检查无误后，再进行试运行。试运行中注意观察各零部件有无异常运转和异响，并及时排除故障；试运行结束后，全面检查各联接件，确认无松动后再投入正式作业。
2.风力发电机一般装有保护装置，当遇狂风时应使风轮停转或低速运转，以保证机组和用电设备的安全。除遇风暴外，切不可随意人为刹车使风轮停转，以免造成蓄电池亏电。
3.用电器的耗电量不得超出蓄电池额定输出功率。当风力减小时应节约用电，无风时应保证重点用电，以免蓄电池严重亏电。
4.发电机组一般装有逆变器，当有风时发电机给蓄电池充电，无风时蓄电池通过逆变器放电，以保证有风无风时均可供电。蓄电池、逆变器、控制器之间的联接导线应选用线径粗一些的铜导线，并尽可能缩短线距，以降低线路电损。
5.每年对发电机、机头回转体、风轮调速部位进行拆卸、清洗、润滑；安装时，两臂的零件不可互换，以免破坏风轮的平衡。
三、故障排除
1.风轮转速明显降低或不转。主要原因及排除方法：（1）发电机轴承润滑不良或卡滞，应加注润滑油或更换轴承。（2）风轮叶片变形，应校正或更换风轮叶片。（3）制动带与制动盘之间间隙过小，应予调整。（4）发电机轴断裂或磁块脱落，应更换发电机转子，嵌入新磁块，清除碎磁块。（5）风轮调向复位失灵，应排除异物，消除卡滞，拧紧尾翼松动处。
2.剧烈振动或异响。主要原因及排除方法：（1）塔架地脚螺栓或拉线松动、松脱，应予紧固，调整塔架保持竖直位置。（2）风轮静不平衡，可用涂漆法使其静平衡。
如何让风力发电机飞速运转 篇12
润滑点:高等级润滑油能预防微点蚀
在风力发电机上分布着多个润滑点。齿轮箱是风电机组的核心部件, 是风力发电机上最昂贵也最难润滑的组件。齿轮箱在出厂时都会填装合成润滑油, 确保风机正常运行3年, 而多数齿轮箱的标准质保期仅为1年。过了质保期, 维护人员就需要适时选择润滑油替换。受负载影响, 主齿轮箱很容易产生微点蚀 (一种表面疲劳现象, 会产生表面裂纹、细小凹坑、断裂表面, 直至齿轮破裂) , 故需要选择合适的齿轮润滑油来防止这一类型的磨损。美孚实验室成功进行了FVA 54微点蚀试验, 解决了这一难题。FVA 54微点蚀试验是在变化的负载、速度和温度条件下测量润滑油作用于轴承上的工作性能。整个实验过程包括磨损试验、混合摩擦试验、使用寿命试验和油泥试验, 能正确测量出齿轮润滑油的抗微点蚀保护性能。试验表明, 齿轮箱停机的最常见原因是润滑油质量较差、应用环境恶劣。而高标准的润滑油能有效避免微点蚀, 起到防止刮伤和保护轴承的作用。实验室专家建议维护人员选用“FLS>14”的润滑油。
黏度特性:高性能合成润滑油性能优越
风轮机常处于严苛的工作条件下, 风轮机的工作环境温度低者至-45℃、高者达80℃。要使风轮机在如此大温差的情况下正常运转, 需要润滑油具备优越的黏度特性 (润滑油在一系列低温及高温状态下保持其黏度的能力) 。美孚实验室通过ASTMD2270来测定黏度指数, 并对润滑油抵抗黏度随温度变化而变化的能力进行了评定。试验表明, 与矿物润滑油相比, 合成润滑油在黏度特性方面拥有巨大的优势, 能够在广泛的温度范围内提供出色的润滑性能。维护人员在日常保养过程中应使用合成润滑油产品, 并建议选用黏度指数为160或更高的产品。
过滤性:选对润滑油降低更换成本
通过润滑油的日常保养来延长过滤器的使用寿命是当务之急。但润滑油的过滤性 (在实际的现场工作条件下, 其通过且不堵塞过滤器的能力) 常被人忽略。一般, 过滤性指标都是以μm为单位。通常使用2μm肾循环过滤器和5μm主过滤器来滤清润滑油并保护风轮机齿轮箱部件。润滑油的过滤性会根据其干湿状态而变化, 特别是当润滑油中含水时, 其中的添加剂可能会被过滤掉, 或有被排出润滑油之外的趋势。如果在润滑油中增添有效的添加剂, 会大大提高润滑油的过滤性。由于维护人员对过滤性了解不多, 在选择润滑油时应向润滑油生产厂商和过滤器供应商咨询产品性能, 以确定哪款润滑油最适合你所使用的过滤器。
耐水性:避免产生残留物质
鉴于风力发电机的工作原理, 不可能将润滑油和水完全隔离。当风轮机叶片转动时, 齿轮箱的工作温度将高达95℃。当叶片停止转动时, 齿轮箱将逐渐冷却并从空气中吸收水分或湿气。当它开始“呼吸”的时候, 水分就会进入齿轮箱。水进入齿轮箱后, 会稀释、分解润滑油, 并导致残留物的产生, 损坏齿轮箱。为防止该问题, 应选用一款不易保留住水分的齿轮润滑油。同时, 如果润滑油能在包含少量水分的情况下为设备提供充分保护, 那就更完美了。润滑油的耐水特性可通过ASTM D1401评估, 该试验能够测量润滑油排除水分的能力。