垂直轴风电机组模型制作与研究*

文 | 杜志强，徐庆坤



垂直轴风电机组模型制作与研究*

文 | 杜志强，徐庆坤

由于H型垂直轴风电机组的特性，因此它的应用方式、应用领域发生了改变。水平轴风电机组由于噪声、对风向等问题，要么用于风电场，要么用于边远地区解决无电问题，这些应用场合都远离城市中心区域。并且，在现代化能源紧缺的趋势下，新能源的多方面发展越来越重要，如今的风电机组以水平轴为主，以大型发电厂规模发展建设，并且极大地受到地区风能资源条件的限制。然而垂直轴风电机组恰好能填补这些自然条件缺陷，并且可接地气性强，具有在广大农村推广的潜力。针对以上情况，垂直轴风电机组则可以提供很好的补充，这些风电机组产生的电能虽然一般都不上网，可却成为用电系统不可或缺的能源之一。而在众多类型的垂直轴风电机组中，H型风电机组又由于其结构方面的特点，具有很大的发展潜力。因此对于H型垂直轴风力发电模型的研究具有重要意义。

垂直轴风电机组模型的理论依据

一、基本原理

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风电机组技术，当风向发生变化时，相比水平轴风电机组的对风偏航系统，垂直轴风电机组不管风向是否会发生变化，都无需对风，在这点上是其自身的一大优势，它不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力。

二、 H型垂直轴风电机组技术原理

该技术采用空气动力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会因变形而改变效率等；它用垂直直线3片－5片叶片组成，由三角形或五角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。

三、功率特性

根据H型垂直轴风电机组的原理，风轮的转速上升速度提高较快（力矩上升速度快），它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线因此变得饱满。在同样功率下，垂直轴风电机组的额定风速较现有水平轴风电机组要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。

垂直轴风电机组模型的设计与制作

一、垂直轴风力发电模型整体机构设计

风电机组模型整体结构由叶片、盘式发电机（120W）、塔架、控制箱及联接固定结构件组成。整体结构如图1所示。

二、发电系统选择与设计

考虑到风电机组的整体结构及传动链的效率，发电部分选用低阻尼、低转速、高效率、轻质量的直流永磁盘式电机，设计容量120W。它采用亚克力板为支撑平面，利用螺栓调节间距，将线圈置于亚克力板模具内，相互串并联，将永久性强磁固定在强度塑料板上做成转子，并以面包夹层结构一般，形成紧凑的双层结构，增大功率，并且具有良好的可延展性。图2为设计并完成与联轴器组装的盘式交流发电机。

三、垂直轴风电机组叶片设计

为了满足120W电机的负载需求，我们选择了三页片的H型垂直轴风电机组叶片，旋切角为14度与87度，叶弦长210.63mm，弓高15.27mm，长度 600mm，使其在三角不平衡的俯平面中，无论受到任意方向的风，均会产生一个向前缘方向的受力。因此，在支架的固定方向的受力与之形成旋转力矩，带动法兰以致主轴转动。并且在此设计参数下使得所受力矩较大，使得转矩较大，带动盘式电机较为合理。叶片的横截面CAD设计图如图3所示。

叶片采用泡沫为材料进行磨具加工，具有轻质、安全并且成本低和易加工、改进、优化等优点。在叶片的基础上用铜箔或铝箔装饰外表，显得格外美观，并且内部设有耐压导体螺栓。

四、控制箱结构设计

通过机械载荷计算，我们选择用5mm的铝板做机箱材料，这样才能达到较强的支撑结构和配重比，便于整体机组的稳定。控制箱中安装控制板的结构件考虑到强度、绝缘、易加工和便于安装等因素，故选用3mm的环氧板加工。

风电机组模型整机组装与试验测试

一、H型风电机组整机模型组装

完成整机组装的垂直轴风电机组模型如图4所示，在整机设计组装时还需要考虑几点因素：

（一）选用丝杆做支架，主要考虑螺纹连接便于拆卸和改进，并且在银锭的距离上紧固丝杆，使得整体稳固效果加强，也使得有更多的拓展空间。

（二）双外球面轴承座塔式重叠结构，具有调心和支撑作用，并且用丝杆连接，便于调节。

（三）在载荷要求上，支柱间需加紧固装置进行紧固和避震，以保证风电机组安全高效运行。

（四）叶片支架在传统的矩形构建方式下改进设计，以梯形方式搭建，在受力稳固上有极大的优点，并能增加叶片的使用寿命和降低故障率。但由于小量模具加工费用极高，因而只能采用简单的手工代替。

二、发电功率试验测试

由于试验设备所限，我们选用和风电机组叶片中心等高的大功率落地扇（风速可调）作为风源，对风电机组进行了发电功率测试。得到的测试数据和功率曲线分别为表1和图5所示。

表1 发电功率测试数据

结论

本次研究主要针对H型风电机组的经济性和实用性进行了探索，同时也是为了满足专业教学的需要。由图5的结果可以看出：该风电机组的启动风速在2m/s左右，当风速为10m/s时，可获得最大功率30W，这主要跟风电机组的结构有关。该H型垂直轴风电机组已经达到了设计和研究的目的。

H型垂直轴风电机组不管是对风能资源的要求，还是对地域的要求，其适应性都非常强，也必将是未来新能源普及中必不可少的一部分。因此，无论是教学还是应用，对H型垂直轴风电机组模型的设计和研究都具有重要的意义。

（作者单位：天津中德职业技术学院）

*基金项目：2014年天津中德职业技术学院校级科技项目“垂直轴风电机组模型研究”，项目编号：zdkt2014-003