0 引言

风能是可再生能源，资源丰富，来源广，具有安全、干净的特点[1]。为了缓解日益增长的能源问题和环境问题，世界各国的研究机构都在加速风力发电技术研究，着力开发各种风力发电机等设备[2]。风力发电机根据其功率大小可以分为50～1 000 w的微型风力发电机、1～10 kW的小型风力发电机、10～100 kW的中型风力发电机和100 kW以上的大型风力发电机组。还可以根据其风轮轴的布置形式分为水平轴和垂直轴两种[3]。水平轴风力发电机体型大，需安装在地势较高、风力较强的偏远地区；垂直轴风力发电机体型较小，且易于维修、检修和控制，可以安装在低地势地区和城市中间，但其发电效率较低、自启较难[4-5]。提出了一种垂直轴小型风力发电机结构，并综合考虑了其自启、电量存储等问题。

1 国内风力发电机应用情况

国内使用的风力发电一般有以下几种情况：一是家用。这种发电机可以单独操作，使用电池，直流输出或交流输出，容量100～300 w，可以满足家用电器如照明、电视电源的需求。二是隔离的小型住宅区以及尚未通电风区的电视差分转台、气象站、雷达站、边防站和无电小火车站等地，其风力发电机亦独立操作，可以直流输出或交流输出1～5 kw。三是大型风力发电场，与传统火力发电机组组合或太阳能结合，输出稳定[6-7]。

2 垂直轴风力发电机结构设计

在研究了现有风力发电机结构特点的基础上，基于贝茨基本理论，设计了一款垂直轴小型风力发电机，主要由叶片、轴毂、机架、支撑架、变向器等部分组成，如图1所示。这款风力发电机的制动器、离合器等部件可直接安装在地面上，结构简单，维修方便。叶片总体尺寸较小，选用易批量加工的ZL104材料，这种铸造铝合金具有铸造性能好、密度低、耐腐蚀、耐热性和可焊性好等特点，可通过热处理加以强化，最后表面抛光。叶片通过机架和轴毂与垂直主轴连接。支撑架用于支撑风力发电机，其设计有利于分散风机重量，支撑架底端与地面用螺栓连接。变向器采用传动比为1的锥齿轮传动机构，作用是将垂直输出转换为水平输出而不变速，结构如图2所示。

图1 垂直轴小型风力发电机结构示意图Fig.1 Structural diagram of vertical axis small wind turbine

图2 变向器的结构示意图Fig.2 Structure diagram of turning device

3 垂直轴风力发电机系统设计

3.1 调速系统设计

垂直轴风力发电机的工作受到风载条件的限制，往往需要根据环境条件调整其速度，以满足正常工作要求。对各种调速方式进行分析，结果如表1所示。所设计的垂直轴小型风力发电机须采用恒定扭矩输出器控制其输入转速，以达到稳定输出电能的要求，其电能可存储至指定蓄电设备或直接用于生产生活用电设备。由于所设计垂直轴小型风力发电机易于实现大批量生产，且总体成本较低，可以采用串联机组的方式进行大面积布置。此时需设计一套智能控制系统，根据风力情况开启一定数量的风力发电机，然后通过逆变设备等将其并入电网运行。

表1 垂直轴风力发电机调速方式Tab.1 Speed adjustment mode of vertical axis wind turbine调速方式调速原理特点实时调整叶片转动半径改变叶片受风面积叶片结构比较复杂,制造成本较高,控制难度较大,难以稳定在额定转速范围内实时调整叶片的迎风角改变叶片受风面积叶片结构比较复杂,制造成本较高,控制难度较大,难以稳定在额定转速范围内采用恒定扭矩输出器通过限制转矩控制风力发电机的转速叶片在运行过程中无需调整,结构设计难度和控制难度均较低,能稳定在额定转速范围内串联机组、并网运行充分利用风能,风力发电机发的电直接送至电网根据当地风能资源配置合理数量的垂直轴风力发电设备,所发电能通过逆变设备直接并入电网运行

3.2 启动系统设计

垂直轴小型风力发电机与大部分水平轴发电机一样，由于其叶片叶尖速比通常较低，难以实现自启动，需借助外力启动，才能正常运转。这里的外力可以用来直接推动叶轮旋转，如采用发动机驱动叶轮转动。也可以用来间接推动叶轮旋转，如通过改变叶片的形状，使其叶尖速比达到自启动阈值，即可驱动叶片达到驱动叶轮旋转的目的。

设计的垂直轴小型风力发电机配有蓄电设备，正常工作时，在满足正常生产生活供电需求的前提下，将多余的电能储存起来。达到储能阈值后，根据供能情况，发电机会智能选择停机或运行等模式。当风力发电机为停机状态时，蓄能器负责电力供应，当系统检测到蓄能器储能量不足时，将自动向发电机供电，此时发电机执行电动机的功能，驱动叶轮旋转使风力发电机启动。该风力发电机在智能控制系统的指挥下循环工作，可满足其功率范围内各种情况的电力需求。

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