劉萍，任君，李建平，鄔元，烏云高娃

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院，呼和浩特 010020；2. 內(nèi)蒙古華德新技術(shù)公司，呼和浩特 010020）

0 引言

我國(guó)多樣化的自然地理?xiàng)l件以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的不均衡性，決定了我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)分散居住居民的生產(chǎn)生活用電在短時(shí)期內(nèi)不可能通過延伸常規(guī)電網(wǎng)來解決。改革開放以來，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，各級(jí)政府通過各種途徑籌措資金，解決了相當(dāng)一部分偏遠(yuǎn)地區(qū)居民的生活用電問題。但截至“十一五”末，內(nèi)蒙古自治區(qū)依然有3.97余萬戶偏遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)牧民沒有電力供應(yīng)。這些居民居住地分散，交通不便，以小型汽油發(fā)電機(jī)等方式供電，發(fā)電能力和用電水平十分有限。本文研究開發(fā)的FD2.3－0.3風(fēng)電機(jī)組可以與100Wp－200Wp光伏組件組成風(fēng)/光互補(bǔ)供電系統(tǒng)，能夠滿足內(nèi)蒙古自治區(qū)無電地區(qū)大部分居民目前的用電需求?？梢杂糜谡彰?、看電視、收聽廣播，還可以使用小冰柜等生活電器，生活水平得到了明顯改善。

1 機(jī)組構(gòu)成及工作原理

FD2.3－0.3型風(fēng)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、永磁發(fā)電機(jī)、回轉(zhuǎn)體、塔架四大部分組成。

風(fēng)輪在風(fēng)的作用下帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到3.5m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組開始發(fā)電；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定風(fēng)速8m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組發(fā)出額定功率300W；當(dāng)風(fēng)速在10m/s時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值，約在300W－450W之間；風(fēng)速在18m/s以上時(shí)，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪自動(dòng)側(cè)偏并尾，以保護(hù)風(fēng)電機(jī)組。

2 機(jī)組的設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)輪的設(shè)計(jì)

機(jī)組風(fēng)輪由3只葉片和輪轂構(gòu)成，水平軸安裝，上風(fēng)向式運(yùn)行，直接驅(qū)動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)。風(fēng)輪葉片采用非常適合小型風(fēng)電機(jī)組使用的NACA632－615翼型，葉片由重量輕、強(qiáng)度高、成本低的玻璃纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料（玻璃鋼），采用先進(jìn)的拉伸擠壓工藝加工制成，這種工藝生產(chǎn)效率高，葉片的互換性好。輪轂由上下兩圓盤（葉片座、葉片蓋）組成，加工工藝簡(jiǎn)單。機(jī)組風(fēng)輪性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)為運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，機(jī)械振動(dòng)小。

根據(jù)所選葉片翼型構(gòu)成的風(fēng)輪的空氣動(dòng)力學(xué)性能，選定下列參數(shù)：

機(jī)組額定功率確定為300W，考慮到導(dǎo)線損耗、整流損耗等因素，發(fā)電機(jī)輸出額定功率應(yīng)增加10%，故PG=330W。

風(fēng)輪直徑的確定：

式(1)中：P為風(fēng)電機(jī)組功率，取P=300W；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)，取Cp=0.36；ρ為空氣密度，取ρ=1.09kg/m3，符合北方地區(qū)的自然條件；Vn為額定風(fēng)速，取Vn=8m/s；η為國(guó)標(biāo)GB/T10760.1－2003（小型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)條件）規(guī)定的發(fā)電機(jī)最低效率，取η=0.7[1]。由此得出風(fēng)輪直徑D=2.3m。

確定風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速需考慮風(fēng)輪葉片翼型的空氣動(dòng)力特性，發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)的便利性以及風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)的匹配，選定：

風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速n=400rpm

風(fēng)輪限速轉(zhuǎn)速

式(2)中λn為風(fēng)輪標(biāo)準(zhǔn)尖速比，取λn=7；vx為限制風(fēng)速，取vx=18m/s；R為風(fēng)輪半徑，取R=1.15m。由此得出風(fēng)輪限速轉(zhuǎn)速nx=535rpm。

風(fēng)輪的起動(dòng)力矩Mq

2.2 機(jī)頭的設(shè)計(jì)

從簡(jiǎn)化加工工藝的角度出發(fā)，機(jī)頭分成發(fā)電機(jī)和回轉(zhuǎn)體兩部分。考慮到電機(jī)的性能指標(biāo)、使用壽命及可靠性，發(fā)電機(jī)型式為永磁三相交流發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)磁鋼采用稀土永磁材料，使發(fā)電機(jī)重量輕、效率高、超載能力強(qiáng)、啟動(dòng)力矩小，從而降低了啟動(dòng)風(fēng)速，提高了風(fēng)能的利用率，增加了發(fā)電量，節(jié)約了發(fā)電成本。發(fā)電機(jī)外形采用流線型，不僅外形美觀，而且對(duì)風(fēng)輪周圍的空氣流有一定的改善作用。發(fā)電機(jī)引出線采用封閉式輸電滑環(huán)，可以解決電纜纏繞問題。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案以及機(jī)組的調(diào)速、調(diào)向性能以及并尾關(guān)車等因素，確定了主要的相關(guān)尺寸，設(shè)計(jì)了電機(jī)外殼、后端蓋和關(guān)鍵部件回轉(zhuǎn)體。

當(dāng)風(fēng)速V大于3m/s與風(fēng)輪軸成10°時(shí)，風(fēng)電機(jī)組所受力矩如圖1所示。

①摩擦力矩 Mm

風(fēng)輪所受壓力：

式（4）中：B為壓力系數(shù)，取B=0.78；S為風(fēng)輪有效受力面積，取S=4.9m2； V為風(fēng)速，取V=3m/s。

機(jī)頭回轉(zhuǎn)部分的重量作用在回轉(zhuǎn)中心的力矩值：

式（5）中：Q為機(jī)頭總重量,取Q=48.5kg；f為摩擦系數(shù)，取f=0.1（改性尼龍）；r為機(jī)頭回轉(zhuǎn)部分的重量著力點(diǎn)距回轉(zhuǎn)中心的距離，取r=0.03m。

②圖1中風(fēng)輪力矩M1和M2

式（6）、（7）中: e為風(fēng)輪與回轉(zhuǎn)中心的偏心距，取e=0.15m；f為風(fēng)輪平面到回轉(zhuǎn)中心的距離, 取f=0.28m。③尾翼力矩Mw

式（8）中：Cy為尾翼板的升力系數(shù)，取Cy=0.73；Cx為尾翼板的阻力系數(shù)，Cx=0.18；Sw為尾翼板面積，取Sw=0.3m2；V為風(fēng)速，取V=3m/s；K為風(fēng)速損失系數(shù)，取K=0.75；L為尾翼板風(fēng)壓中心到機(jī)頭回轉(zhuǎn)中心的距離，取L=1.62m。

④計(jì)算結(jié)果

由此可見，在風(fēng)速3m/s時(shí)，風(fēng)向與風(fēng)輪軸偏離10°時(shí)，尾翼可使風(fēng)輪自動(dòng)對(duì)風(fēng)，故所選尾翼各參數(shù)符合調(diào)向要求。

2.3 尾翼調(diào)速結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了使風(fēng)電機(jī)組在超過額定功率的情況下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)限速，根據(jù)力學(xué)原理，采用了尾翼軸斜置方式。通過對(duì)作用在風(fēng)輪上的氣動(dòng)力、尾翼上的氣動(dòng)力以及由于尾翼重力而產(chǎn)生的回位力的分析，以及材料的選擇、材料的機(jī)械性能、加工工藝、外觀和制造成本，確定了風(fēng)輪軸線至回轉(zhuǎn)軸線、尾翼銷軸至回轉(zhuǎn)體軸線的相關(guān)尺寸。

考慮到整體效果和美觀因素，在不影響調(diào)速性能的基礎(chǔ)上，并使整機(jī)減少振動(dòng)，確定了尾翼板的特殊結(jié)構(gòu)。

當(dāng)風(fēng)速大于10m/s時(shí)，風(fēng)輪應(yīng)開始偏離風(fēng)向自動(dòng)進(jìn)行限速，此時(shí)風(fēng)電機(jī)組所受的力矩如圖2所示。

①風(fēng)輪不同迎風(fēng)角時(shí)的風(fēng)輪力矩Mf[2]

②尾翼回位力矩Mh

根據(jù)限速時(shí)靜力平衡的計(jì)算，選取尾翼斜銷軸的后傾角α=3°，側(cè)傾角β=10°，回位力矩為：

式(12)中：G為尾翼重量，取G=10.8kg；γ為尾翼銷軸的實(shí)際傾角，取γ=10.42°；φ為風(fēng)輪軸與風(fēng)向的偏角；RG為尾翼重心到銷軸的垂直距離,取RG=1.16m。

③計(jì)算結(jié)果

不同風(fēng)速下Mf和Mh的值如表1所示。比較計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)風(fēng)速V大于9m/s時(shí)，風(fēng)輪偏離風(fēng)向開始限速；當(dāng)風(fēng)速V超過18m/s時(shí)，尾翼偏尾可使風(fēng)輪遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離風(fēng)向，對(duì)風(fēng)電機(jī)組起到保護(hù)作用。

2.4 塔架

表1 計(jì)算不同風(fēng)速下Mf和Mh的值

表2 切入風(fēng)速測(cè)定值

表3 性能試驗(yàn)結(jié)果

塔架為采用普通鋼管組成的，由4條鋼絲繩構(gòu)成的拉索式塔架。塔架上端的鋼絲繩采用鋼件壓頭將鋼絲繩在專用模具上壓制成形，這種結(jié)構(gòu)安裝拆卸十分方便，而且整體效果美觀。

3 機(jī)組的性能試驗(yàn)和可靠性考核

依據(jù)GB/T19068.2－2003（離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第2部分：試驗(yàn)方法）將樣機(jī)安裝于賽汗塔拉風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)組性能試驗(yàn)和可靠性考核。

試驗(yàn)中采用德國(guó)SMA公司的專業(yè)數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)進(jìn)行。試驗(yàn)樣機(jī)連續(xù)無故障運(yùn)行3個(gè)月以上，完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19068.1－2003關(guān)于機(jī)組可靠性不低于1500小時(shí)的要求[3]。

切入風(fēng)速測(cè)定值如表2，性能試驗(yàn)結(jié)果如表3。

該機(jī)組的功率輸出特性曲線如圖3所示。

由此，通過計(jì)算可得機(jī)組在不同年均風(fēng)速下的年平均發(fā)電量（AEP）曲線如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組的主要技術(shù)參數(shù)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且具有良好的輸出功率特性、可靠穩(wěn)定的調(diào)速、調(diào)向性能，運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高。

4 結(jié)語

在常規(guī)電網(wǎng)外，推廣獨(dú)立供電的風(fēng)電機(jī)組，滿足農(nóng)牧漁民照明、收聽廣播、看電視和用鼓風(fēng)機(jī)做飯、使用冰柜保鮮食物等需求，可大大改善偏遠(yuǎn)無電地區(qū)居民的用電條件，居民生活品質(zhì)得到了大幅的提升，有力促進(jìn)邊遠(yuǎn)地區(qū)社會(huì)文化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對(duì)于加強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)，促進(jìn)邊疆地區(qū)的穩(wěn)固與發(fā)展發(fā)揮了作用，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)對(duì)保護(hù)環(huán)境也具有重要的意義。本機(jī)組還可用于邊防連隊(duì)、哨所、道班、卡站、通信基站、海島居民家庭等，市場(chǎng)前景非常廣闊。

[1] GB/T10760.1-2003.小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)條件[S]. 上海電器科研所，2003.

[2] 姚興佳, 等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 [M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

[3] GB/T19068.2-2003.離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第2部分：試驗(yàn)方法[S],中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，2003.