关于小型风力发电机结构的设计研究

龙海飚

摘 要：本文以小型风力发电机结构设计为研究视角，首先阐述了风力发电的基本原理，然后分析了小型风力发电机的结构以及各系统的功能和设计要求，最后在探讨风力发电技术发展趋势的基础上，阐释了在未来的风力发电机结构设计中需要解决的关键问题，并且提出了解决问题的方法。希望文章的阐述可以为相关设计工作的开展带去参考与借鉴。

关键词：小型风力发电机;结构设计;风力发电

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0164-02

0 引言

在经济快速发展的背景下，能源危机已经成为了世界性的问题，这就要求在未来的发展实践中积极利用新能源。风力发电是利用风能产能电能的过程，是对风能这一洁净、无污染绿色能源的有效应用，这就凸显出了风力发电机组的重要意义。所以如何实现风力发电机的优化设计已经成为集中关注的问题。

1 风力发电的基本原理

在自然中的空气流动就会形成风，风所呈现出的动能就被称之为风能，而风力发电就是有效利用自然中的风能去生产电力资源的过程。在实现风力发电的过程中，利用风力发电机去有效捕捉自然界中普遍存在的风能，通过风能对与机组叶片的作用力推动叶轮的转动，之后通过带动效应带动发电机的运行，最终产生电力资源。简而言之，风力发电就是将风能转变为机械能，之后再转变为电能的过程。用P表示风蚀风力发电机的输出功率，ρ表示空气密度，Cp表示功率系数，A表示扫风的面积，V表示风速，那么风力发电机输出功率可以利用式（1）表示：P=CpρAV3       （1）

对风力发电机的输出功率进行计算的时候，结合贝兹理论可以知道功率系数Cp极限值约为0.593，当Cp的值越大的时候，风力发电机在风能当中所能够获得能量也就越多，从而也就会使得风力发电机的工作效率越高，也就是说风力发电机组对于风能的转化将会达到更加理想的效果。通常情况下来讲，在风力发电机组当中所利用的风力发电机与发电机不尽相同，在系统运行的过程中所产生的能量损耗也就会不同，所以在结构设计的过程中，通常都会结合机组叶片的数量、叶片的翼型、叶片的功率等参数，将功率系数设定为0.25-0.45之间。在系统运行的过程中，风力发电机组的输出功率与风轮的直径呈现出正比例的关系，与空气环境中的风速立方值同样呈现正比例关系，并且还会受到空气密度的影响。基于此，风力发电机的叶轮直径通常都是比较大的，并且要求风力发电设备通常要选择在风能资源比较丰富的区域假设，区域内部的风俗达到3m/s以上的时候就可以实现风力发电。

2 小型风力发电机的结构分析

从风力发电机的容量这一角度出发，现阶段在我国风力发电领域，小型风力发电机通常是指风力发电机容量在1-100KW这一范围之内。从机组的类型上来看主要有两种，其一就是水平轴机组，其二是垂直轴机组，其中水平轴、上风向、三桨叶的风力发电机是最为常见的小型风力发电机，通常都由风轮、调速系统、发电系统、偏航控制系统、塔架五个部分构成。

2.1 风轮

将叶片组装在轮毂之上就构成了风轮。在小型风力发电机当中，叶片是基本的组成部门分，也是实现风力发电的关键构件，其可以将流动的风能有效地转化为推动风力发电机旋转的机械能，所以这一部分是实现风能向电能转化的基础。叶片的叶型种类是非常多的，通常使用的都是翼型，在风力发电机正常转动的过程中，叶片会受到风荷载以及离心力的作用，由于叶片的形状是细长的，所以其在受到流动空气的影响时，受力情况的变化也是非常复杂的。在风力发电机当中的叶片，要求使用强度极高、重量比较小的材料来制作，进而使得叶片即使在恶劣的气候环境之下依旧可以表现出稳定的物理性能与化学性能，所以现阶段通常都利用铝合金、不锈钢、玻璃纤维等材料去制作叶片。

2.2 调速系统

通常情况下来讲，由于叶轮在运行的过程中旋转的速度比较低，不能达到将机械能转化为电能的要求，此时就需要有效利用齿轮、皮带等构件实现叶轮的增速。在具有齿轮箱这一装置的风力发电机组当中，齿轮箱是实现风力发电的关键组成部分，通过齿轮箱的增速功能将叶轮在风能的作用下所产生的机械能快速的传递到发电系统当中进而可以使得叶轮的转数达到相关的要求。由于风力发电机组都是在户外的环境中运行的，相对来讲条件比较恶劣，同时安装的空间比较狭小，这对其维修等工作是具有一定困难的，所以针对风力发电机進行设计的时候，对于调速系统的要求是比较高的，不仅要求具有极强的可靠性，同时要具备使用耐久性的特征。

2.3 发电系统

通过前文的阐述可知，风力发电就是将风能转化为机械能、再将机械能转化为电能的过程，所以在风力发电机当中，发电系统是核心的组成部分。叶轮在受到风能的推动下发生转动，产生了机械能，之后将机械能传入到发电系统，发电系统通过一定的动作将这些能量转化为电能，才可以实现风力发电。在以前的发展中，小型风力发电机通常都会利用直流发电系统，由于这一系统在结构上比较复杂，在维修的过程中比较困难，所以现阶段已经很少利用，取而代之的是交流发电系统，如今同步交流发电系统和异步交流发电系统的应用十分广泛，并且获得了比较好的反馈效果。

2.4 偏航控制系统

对于垂直轴这一类型的小型风力发电机来讲，其可以在运行的过程中接受任意方向的风能，所以在设计的时候不需要设置偏航控制系统;但是对于水平轴这一类型的小型风力发电机来讲，若想确保机组当中的风轮可以准确的对准风向，进而提高对风能的利用效率，最终实现提高发电率的目标，就应该在设计的时候配置上相关的偏航控制系统。与此同时，在风能比较大的时候，偏航控制系统可以发挥锁紧力矩的功能，进而使得风力发电机可以安全稳定运行。结合小型风力发电机的基本特点，在设计的时候可以将偏航控制系统设计为主动型的偏航系统，也可以设置为被动型的偏航系统。

2.5 塔架

在风力发电机组当中，塔架可以称之为“地基”，其重要功能就是支撑风轮、发电系统、调速系统、偏航系统的构架。在进行风力发电机设计的时候，塔架的高度应该结合风轮的直径去确定，同时也要考虑到风力发电机所安装的附近的障碍物情况，另外风力发电机的运行功率、安装、费用等也需要设计工作者集中思考的。现阶段，对于小型风力发电机来讲，塔架的高度通常都会控制在6-20m这一区域之内。在设计塔架的过程中，设计工作者还应该结合塔架靜态以及动态的基本特性、塔架与机舱之间的连接、塔架运输的距离以及安装工艺等等。在结构上来看，塔架可以分为桁架式和塔筒式两种结构形式，前者在早期风力发电机组当中的应用比较广泛，在制造上的工艺流程比较简单、成本比较低廉、运输比较方便是其主要的优势，但是它也存在一定的不足之处，那就是搭建通向塔顶的梯子不好安排，进而使得安全性能不高;后者是现阶段风力发电事业当中针对塔架设计常用的类型，其不仅具备桁架式这一类型塔架的全部优势，同时可以呈现出更大的审美价值与安全性能。

3 小型风力发电机结构设计中需要解决的关键问题

从现阶段风力发电技术的发展趋势上来看，单机容量大型化是主要的发展趋势，实现这一目标主要就是增加叶轮的尺寸，从而使得风力发电机在运行的过程中可以获取更多的风能，进而提高对风能的利用效率。与此同时，随着风力发电事业的快速发展，现阶段风能资源比较丰富的地区已经基本开发完毕，所以针对低风速区域的风力发电技术已经成为关注的焦点，为了使得风力发电机组在运行的过程中可以在低风速的区域中获得同样的风力发电机功率，就要使得叶轮扫风的面积变大，所以叶片的长度就会增加，这对于塔架的高度来讲也要进行重新设计。进一步增加风力发电机组的柔度会使得风力发电机在运行的过程中引发较为严重的振动问题。而振动问题对于风力发电机来讲是不利的，对于其中的风轮、齿轮箱、塔架等相关部件都会带来一定的影响，在轻微振动问题的影响下，可能会导致各部件运行效率的降低、提高磨损的速度，在问题严重的时候甚至会引发重大安全事故，对风力发电机往往会带来毁灭性的破坏，这将影响风力发电事业的健康稳定发展。如果在设计的过程中仅仅依靠去加强风力发电机整体结构的强度以及刚度会使得风力发电机生产过程中所耗费的成本大幅度提高，这就需要设计工作者依靠风力结构动力学去解决相关问题，这也是未来小型风力发电机结构设计中需要集中关注的问题所在。以下以风力发电机叶片结构动力学为例做出详细分析：

众所周知，在风力发电机当中，叶片是受力最为复杂的构件。在风力发电机组运行的过程中，叶片处于不停的旋转状态下，其的激励作用是由惯性、重力、弹性共同引发的，同时还受到气动力的影响。在这一过程中每一种激振力基本上都会通过叶片这一构件传播出去，而叶片的结构特点是展向比较长、弦向比较短的细长体，并且叶片的柔度是比较大的，所以其在运行的过程中是最容易发生振动问题的部件，各种各样的机械性振动首先都是在叶片上发生的。叶片在实现转动的过程中，不仅会受到空气阻力的作用，同时还会生成升力，所以叶片是非常典型的气动弹性部件，所以也就使得在叶片这一部件上所呈现出的振动问题是最突出的。

对叶片的振动特性进行研究的过程中可以基于以下两种方法：第一，是当量弹性铰链法，第二就是模态法，这两种方法都将小扰动的线性方程作为基础。当量弹性铰链法是将叶片的全部弹性都集中在叶片这一部件的根部，也就是要将叶片当做为一个刚体进行考虑，就如同在一个弹簧的上面安装上一个刚体，通过这种简化之后的模型对叶片的结构动力学问题进行计算与求解，进而为叶片的优化设计提供数据支持。而模态法，是弹性体的形态，也就是所谓的振型，在弹性体的各阶主振型相互正交的情况下，将无穷多个频率的振动分解成具有单一频率的振动，也就是将叶片这一部件的振动特性转化为广义坐标之上的运动实现求解，进而也可以为叶片的优化设计提供科学依据。

4 结语

综上所述，在风力发电事业快速发展的背景下，实现小型风力发电机结构的优化设计是进一步提高风力发电机组运行效率与可靠性的需要，是提高风力发电机发电效率的需要，是推动风力发电事业可持续发展的需要。希望通过文章的阐述，可以使得相关工作人员认识到小型风力发电机结构优化设计的重要意义与必要性，结合我国风力发电事业的发展需要，将科学理论作为依据，将满足风力发电需求作为根本出发点与最终立足点，深刻认知在风力发电机结构设计过程中需要解决的关键问题，整合先进的技术方法与仪器设备，树立最新的设计理念，实现风力发电机结构的逐步优化。