風力發電機整機性能評估與載荷計算的探究

李勇鋒

摘 要：20世紀70年代初期，由于“石油危機”，出現了能源緊張的問題，人們認識到常規礦物能源供應的不穩定性和有限性，于是尋求清潔的可再生能源成為現代世界的一個重要課題。

關鍵詞：風能發電機；整機性能評估；載荷計算；靜態載荷

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.051

風能作為可再生的、無污染的自然能源又重新引起了人們的重視，所以對風能發電機的研究的重要性不言而喻。本文通過對風能發電機整機主要結構的分析，進而分別對性能進行評估，并展開荷載計算方法等方面的探究。

1 風力發電機整機主要結構

1.1 對風裝置

對于水平軸風力發電機，為了得到最高的風能利用率，應使風輪的旋轉面經常對準風向。為此，需要用到對風裝置。典型的對風裝置有以下3種：①用尾舵控制對風是最簡單的方法，小型風力發電機多采用這種方式；②在風力發電機兩側裝有控制方向的舵輪，多用于中型風力發電機；③用專門設計的傳感器與伺服電機相結合的傳動機構來實現對風，多用于大型風力發電機組。相對于水平軸風力發電機（horizantal axis wind turbine）需要對風裝置，垂直軸風力發電機（verical axis wind turbine）由于旋轉軸垂直于風向，所以就不需要對風裝置了。這是垂直軸風力發電機的一大優勢。

1.2 塔架和機艙

為了讓風輪在地面上較高的風速中運行，需要用塔架把風輪支撐起來。這時，塔架承受2個主要載荷：①風力發電機的重力，向下壓在塔架上；②風力發電機和塔架產生的風阻力，使塔架向風的下方彎曲。塔架有張線支撐式和懸臂梁式2種基本形式。塔架所用的材料可以是木桿、鐵管或是其他圓柱結構，也可以是鋼材做成的桁架結構。不論選擇什么塔架，使用的目的是使風輪獲得較大的風速。在選擇塔架時，必須考慮塔架的成本，引起塔架破壞的載荷主要是風力發電機的重力和塔架所受的阻力，特別是塔架受力的頻率與自身的振動頻率接近時，會造成塔架共振。這是塔架遭到破壞的主要原因。因此，塔架的選擇要根據風力發電機的實際情況來確定。大型風力發電機的塔架基本上是錐形圓柱鋼塔架。

1.3 傳動系統

傳動系統包括主軸、齒輪箱和聯軸節。輪轂與主軸固定連接，將風輪的扭矩傳遞給齒輪箱。有的風力發電機組將主軸與齒輪箱的輸入軸合為一體。大型風力發電機組風輪的轉速一般在10～30 r/min范圍內，通過齒輪箱增速到發電機的同步轉速1 500 r/min（或1 000 r/min），通過高速軸、聯軸節驅動發電機旋轉。

1.4 控制系統

制動系統主要分為空氣動力制動和機械制動2部分，有的風力發電機組只有機械制動。定槳距風輪的葉尖擾流器旋轉約90°，或變槳距風輪處于順槳位置均利用空氣阻力使風輪減速或停止，屬于空氣動力制動；在主軸或齒輪箱的高速輸出軸上設置的盤式制動器屬于機械制動。通常在運行時要讓機組停機，首先采用空氣制動，使風輪減速，再采用機械制動使風輪停轉。

2 風力發電機原理

風力發電機是將風能轉換為機械功的動力機械，又稱“風車”。從廣義來說，它是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用發動機。風力發電利用的是自然能源，相比柴油發電要好得多。但是如果當應急來用，還是不如柴油發電機。風力發電不可視為備用電源，但是卻可以長期利用。風力發電的原理是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，以促使發電機發電。

3 風力發電機性能評估

在不同來流風速下，將風輪功率曲線的最優工作點連接起來，即可獲得風輪的最優輸出功率曲線。如果能通過試驗方法獲得發電機的功率曲線，就可對風輪和電機的匹配特性進行分析。只要發電機的功率曲線與風輪的最優功率曲線重合，發電機和風輪組成的風力發電機系統就可獲得最優匹配特性。圖1為風輪的最佳功率曲線。當選用的永磁電機功率曲線和最佳功率曲線重合時，風輪獲得的風能才可能被最大限度地利用。但實際工作中，風力發電機的負載通常是變化的，負載的變化會導致發電機的輸出功率發生變化，從而使發電機的實際功率曲線與最優功率曲線發生偏移，風能得不到有效利用。

圖2為不同來流風速下風輪的輸出功率與發電機的匹配曲線，其中，曲線a，b，c分別為不同負載時發電機的功率曲線。發電機功率曲線與風輪功率曲線的交點即為風力發電機的工作點。從圖中可以看出，3種負載曲線與風輪的功率曲線的交點不同，對應的功率和轉速也不同，通過對負載的調節，可以調節風力發電機的輸出功率和工作轉速。負載曲線c和負載曲線a的輸出功率基本相同，但是曲線a對應風輪的轉速明顯要低于曲線c對應的轉速。當風輪轉速過高時，風力發電機系統的穩定性和可靠性會明顯降低，因此可以在保證輸出功率不變的情況下，改變發電機的負載大小，從而使風輪的轉速降低。當負載功率曲線為a和c時，同樣可調節改變發電機的負載大小，使風輪發電機工作在最佳轉速下，從而保證最大的輸出功率。

4 風力發電機載荷計算

4.1 風力機主要載荷的確定

由于風力發電機運行在復雜的外界環境下，所承受的載荷情況也非常多，根據風力機運行狀態隨時間的變化，可以將載荷情況劃分為靜態載荷、動態載荷和隨機載荷。動態載荷和隨機載荷具有時間和空間上的多變性和隨機性，要想準確計算比較困難。而靜態載荷基本上不考慮風力機運行狀態的改變，僅考慮環境條件改變的情況。本文就風力機的這種靜態載荷計算作簡要的討論。風力機依靠葉輪將風中的動能轉化為機械能，因此葉輪是風力機最主要的承載部件。作用在葉輪上的空氣動力是風力機最主要的動力來源，也是各個零部件主要的載荷來源。要計算風力發電機組上的載荷，就必須先計算出空氣在葉片上的作用力。目前，計算作用在葉片翼型上的空氣動力的主要理論依據是葉素理論。

4.2 風輪載荷計算理論依據

目前，計算風力發電機的氣動載荷有動量—葉素理論、CFD等方法。動量—葉素理論是將風輪葉片沿展向分成許多微段，稱這些微段為“葉素”，在每個葉素上的流動相互之間沒有干擾，葉素可以認為是二元翼型，在這些微段上運用動量理論求出作用在每個葉素上的力和力矩，然后沿葉片展向積分，進而求得作用在整個風輪上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。動量—葉素理論形式比較簡單，計算量小，便于工程應用，估算機組初始設計時整機的氣動性能，被廣泛應用于風力發電機的設計和性能計算中，而且還用來確定風力發電機的動態載荷，不斷地被進一步改進和完善。CFD數值計算不需要對數學模型作近似處理，直接對流體運動進行數值模擬。從物理意義上說，數值求解N-S方程的CFD方法應該是計算風力發電機氣動特性最全面、準確的方法。但是，由于極大的計算工作量、數值計算的穩定性等原因，目前CFD求解N-S方程方法還遠不能作為風力發電機氣動設計和研究的日常工具，作為解決工程問題的工具還不太實際。為此，在計算中應用動量—葉素理論方法來計算機組的氣動載荷。

5 結束語

風力發電機是將風能轉化為電能的裝置，主要由葉片、發電機、機械部件和電氣部件組成。根據旋轉軸的不同，風力發電機主要分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機2類。本文通過對風力發電機整機的描述，分析了其主要結構，在此基礎上，對整體性能與荷載計算進行了初步探究。

參考文獻

[1]張展.風力發電機組的傳動裝置[J].傳動技術，2003（2）.

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[3]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2015.

〔編輯：劉曉芳〕