微型风力发电机高效风车制作

　风力发电，是用风车捕捉流体的风来获取能量。

　　1．风车的种类
　　
　　(1)按输出分类
　　
　　风车的大小和输出功率的关系见下图。

　　●微型风力发电，数kW；
　　
　　●小型风力发电，20kW以下（旋翼直径7m以下）；
　　
　　●中型风力发电，300kW以下（旋翼直径30m以下）；
　　
　　●大型风力发电，lOOOkW以下c旋翼直径70m以下）；
　　
　　●超大型风力发电，lOOOkW以上。
　　
　　(2)按构造和形状分类
　　
　　首先，风车旋转轴分水平和垂直放置及特殊型（如扩压式和旋风式，现在尚处于探索性研究）三种。
　　
　　1)水平轴型。这是目前技术最成熟，生产量最多的风车。
　　
　　这种小型风车，一般有2—3个叶片，多数用玻璃钢材料粘贴，微型机也有木制的叶片或金属叶片。多数都是升力型叶片/如同飞机的翼型，风能利用率高。尾翼（或称尾舵）是调整风向用的，可使风车保持对准风向，同时也可用来停机，使风车偏离风向而停止旋转，特别是当风速过高时，尾翼可以起保护风车的作用。
　　
　　大中型水平轴风车有两种：一种为上风向风车，即由叶片组成的风轮在塔架前迎风，靠自动对风装置调整风车对准风向；另一种为下风向风车，它的风轮在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，这样就有塔影效应，影响风力机的出力，但可省掉对风装置，各有利弊。
　　
　　2)垂直轴型。凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风车就叫垂直轴风车。虽然这类风车尚未大量生产．但试制品种繁多，如φ型、△型、S型、H型等。它们有许多特点，主要是不用对风向，任何方向的风对垂直轴风机来说都一样；不需要大型塔架；发电机装在风轮下的底座中，维修方便；叶片一致性好，制造简便。主要问题是启动和停车较难。
　　
　　如最简单的S型是利用旧汽油桶对剖，安装在一根垂直轴上，外形呈S状，发电机装在垂直轴的底部，甚至可以在同一轴上叠层安装几个S轮，以提高效率。尽管结构非常简单，但大中型长期以来没有得到推广，关键是风能利用效率问题，且一般只适用于小型发电。
　　
　　3)风车的调速。大型风车的叶片非常讲究，分为两种类型：一种为固定桨距，即叶片角度不能改变，若因风力大小需要调整风轮转速时，可用辅助侧翼或铰接的尾翼或其他气动机构，使风轮绕垂直轴回转偏离风向，减少迎风面，达到调整的目的：另一种为可变桨距，就是叶片在风轮轮毂上的桨距是可以随时改变的，当风速变化时，利用气动压力或风轮旋转产生的离心力，使叶片改变角度，即桨距可变，以实现调速。大型风力发电机常备有伺服电机来变桨距调速。
　　
　　上述两种风车又都有两种类型，即利用风的阻力的阻力型和利用风的升力的升力型。风车按形状分类见下图。

　　
　　大型风车多选用效率高的螺旋桨型，微型或小型风车也多选用螺旋桨型。常见的是双叶片和三叶片风车，但也有一片或四片以上的风车。这种风车的翼形与飞机翼形相类似，为了提高启动性能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强度高、叶尖强度低带有螺旋角的结构。螺旋桨式风车，至少也要达到额定风速，才能输出额定功率。本文介绍螺旋桨式风车。

　　2．风车直径
　　
　　(1)风车获取的能量
　　
　　在理论上水平轴螺旋桨式风车获取的能量Pw[W]由下式求得：

　　风速[m/s]；CP:风能利用系数(0.3—0.4)[kg.m/s]
　　
　　在式中，Pw和风车的受风面积(下图)成正比，也与风速的立方成正比。
　　
　　实际上，从风车的机械能转换为电能会产生损失。
　　
　　自然风的能量，仅有一部分被风车获取，风能利用系数CP在理想风车的场合，最大值为0.59．即最多能获取风能的59%。
　　
　　此外，实际的微型风车，其叶片的个数和形状的变化，使功率系数只有0.35~0.45的程度。若再经过电气转换，取得的能量就更低了。
　　
　　中、大型风力发电机因为其风车旋转速度较慢，需要加装齿轮箱增速。风力发电机在运转时，风车风能利用系数CP约40%，增速器效率ηa约90%，发电机效率ηa约80%，控制、变换器效率ηc约80%，最终输出功率Pout[W]：

　　中Pw为风车获取的能量，最终只能得到风能的23%。

　　(2)风车直径及种类的选择
　　
　　从公式1可知，风车获取的能量与风车桨叶的面积无关，只与受风面积有关。即只要直径相同，一根桨叶风车和十根桨叶风车的输出相同。设风能利用系数Cp=0.3，水平轴螺旋桨风车获取的能量和直径、风速之间的关系如下图。根据此图，可按所需功率来选取风车的直径。如在风速5m/s时，想要得到25W的输出功率，查得风车直径约1.2m。因输出与风速的立方成正比，当风速增为2倍(lOm/s)时，输出增为8倍，即直径1.2m的风车可获取200W输出。在平均风速4m/s—6m/s的强风地区，强风时可达15m/s—20m/s．此时为避免超过发电机的额定输出，需启动发电机的电磁制动功能，使风车转速下降。

　　在风力发电机的综合效率中，风能利用系数是表达风车把风能转换为机械能的参数。下图是不同类型风车的风能利用系数与周速比的关系。所谓周速比，是风车在桨叶任意位置旋转方向上的速度Vb[m/s]与风速V[m/s]之比(Vb/V)，通常桨叶最外沿（叶尖）的周速比称为TSR。

　　3．风车单体的转矩特性
　　
　　风使风车旋转，产生转矩作用于发电机，使风能转变为电能。下面以半径60cm，直径(包含中心轮毂）1.3m的3桨风车的风力发电机为例，说明其转矩特性。
　　
　　(1)转矩的变化
　　
　　下图是上述风车的转矩和转数的关系曲线。在风车的形状和风速一定时，风车在刚开始启动时转矩小，随着转数的增加，转矩变大，至某一转数时转矩达到最大，然后转数再增加，转矩却开始下降。凶此，要得到最大输出，风车就要工作在最大转矩时的转数。

　　(2)周速比和功率系数的计算
　　
　　利用上图中的转矩特性，，可以求出风速6.5m/s时的周速比和风能利用系数，如下图。因为输出功率是转矩和转数的乘积，从转数可求出周速比：
　　
　　入=wr/V=πnR/60V--………(3)式中：w角速度[rad/s]，V风速【m/s]，n风车转数[rpm]，r风车半径[m]，R风车直径[m]。风能利用系数Cp，理想的风车为0.59。
　　
　　Cp值随风车种类、形状及转数的不同而变化，螺旋桨型风车的Cp值为0.35—0.45，算是最好的风车。周速比和风能利用系数的关系与风速无关。

 

　　4．最大输出点
　　
　　(1)输出功率与风速的关系
　　
　　下图是输出功率与风速的关系曲线。图中理论输出是以Cp=0.59计算的结果。风车机械输出与发电机输出的差，即是发电机的损耗。通常发电机的效率为70%—90%。从下图中可看出，当风速达12m/s—13m/s时，输出功率约500W。

　　(2)发电机的I-V曲线和最大功率点
　　
　　下图是I-V曲线。输出功率等于电压乘电流的积。各风速下的最大功率点同黑点表示。
　　
　　风车产生的转矩与风速的平方成正比，发电机的驱动转矩与从发电机得到的电流成正比，发电机产生的电压和其转数成正比，而转数和风速成正比，当发电机的负荷电流与发电电压的平方成正比时可得到最大输出。

　　实际上由于发电机绕组电阻的影响，输出电压与转数并不成比例。风车与发电机的最佳负荷如下图．当负荷电流与电压的约2—3次方成比例时，在各种风速下都可得到最大输出。

　　(3)桨叶材料
　　
　　叶片是用加强玻璃塑料(CRP)、木头和木板、碳纤维强化塑料(CFRP)、钢和铝合金构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5米，选择材料通常关心的是效率，而不是重量、硬度及叶片的其他特性。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。

 

　　5．发电机的特性
　　
　　(1)最好不用齿轮增速
　　
　　通常发电机转数高，输出就大，故过去常用齿轮箱增速。
　　
　　但这会增加重量、噪声和传动损耗。所以，微型风力发电机不用齿轮，采用风机直接驱动发电机的直接驱动方式。
　　
　　(2)发电机特性决定风车的大小
　　
　　为减轻发电机的负担，宜提高风车的转数，但受噪音及强度的制约，不能无限地提速。此外，如加大风车直径，理论输出虽可增大，但风车转数将降低。因而要根据发电机的发电特性，来决定风车的大小。
　　
　　(3)设计顺序
　　
　　首先根据要求的输出功率决定风车的大小，再由风车大小决定转数，最后按要求的性能选择发电机。
　　
　　(4)风车直径增加一倍，转数降低1/2
　　
　　风车直径增大会产生噪声和强度问题。通常，对高速型风车桨叶最外沿的周速比，以5~10为宜。
　　
　　例如最大额定风速为12m/s时，周速比选为10，则桨叶最外沿速度会达到VB=120m/s，差不多是音速的1/3。
　　
　　VB=πRn，60…………(4)设周速比为6，用上式计算的风车大小与转数的关系见下图。例如风车直径为Im、风速lOm/s，风车的转数约1146rpm。但若直径变成2m，转数就降低一半，变成573rpm。

　　（5)风车直径、转数及发电量的关系
　　
　　风力发电的输出与直径的平方成正比，虽然将直径扩大一倍可获得4倍的输出，但会使转数减半。因而不能过分增加风车直径，要根据发电机的性能来选择风车的直径。

　　风力发电，是用风车捕捉流体的风来获取能量。
　　
　　1．风车的种类
　　
　　(1)按输出分类
　　
　　风车的大小和输出功率的关系见下图。

　　●微型风力发电，数kW；
　　
　　●小型风力发电，20kW以下（旋翼直径7m以下）；
　　
　　●中型风力发电，300kW以下（旋翼直径30m以下）；
　　
　　●大型风力发电，lOOOkW以下c旋翼直径70m以下）；
　　
　　●超大型风力发电，lOOOkW以上。
　　
　　(2)按构造和形状分类
　　
　　首先，风车旋转轴分水平和垂直放置及特殊型（如扩压式和旋风式，现在尚处于探索性研究）三种。
　　
　　1)水平轴型。这是目前技术最成熟，生产量最多的风车。
　　
　　这种小型风车，一般有2—3个叶片，多数用玻璃钢材料粘贴，微型机也有木制的叶片或金属叶片。多数都是升力型叶片/如同飞机的翼型，风能利用率高。尾翼（或称尾舵）是调整风向用的，可使风车保持对准风向，同时也可用来停机，使风车偏离风向而停止旋转，特别是当风速过高时，尾翼可以起保护风车的作用。
　　
　　大中型水平轴风车有两种：一种为上风向风车，即由叶片组成的风轮在塔架前迎风，靠自动对风装置调整风车对准风向；另一种为下风向风车，它的风轮在塔架后面，风先经过塔架，再到风轮，这样就有塔影效应，影响风力机的出力，但可省掉对风装置，各有利弊。
　　
　　2)垂直轴型。凡风轮转轴与地面呈垂直状态的风车就叫垂直轴风车。虽然这类风车尚未大量生产．但试制品种繁多，如φ型、△型、S型、H型等。它们有许多特点，主要是不用对风向，任何方向的风对垂直轴风机来说都一样；不需要大型塔架；发电机装在风轮下的底座中，维修方便；叶片一致性好，制造简便。主要问题是启动和停车较难。
　　
　　如最简单的S型是利用旧汽油桶对剖，安装在一根垂直轴上，外形呈S状，发电机装在垂直轴的底部，甚至可以在同一轴上叠层安装几个S轮，以提高效率。尽管结构非常简单，但大中型长期以来没有得到推广，关键是风能利用效率问题，且一般只适用于小型发电。
　　
　　3)风车的调速。大型风车的叶片非常讲究，分为两种类型：一种为固定桨距，即叶片角度不能改变，若因风力大小需要调整风轮转速时，可用辅助侧翼或铰接的尾翼或其他气动机构，使风轮绕垂直轴回转偏离风向，减少迎风面，达到调整的目的：另一种为可变桨距，就是叶片在风轮轮毂上的桨距是可以随时改变的，当风速变化时，利用气动压力或风轮旋转产生的离心力，使叶片改变角度，即桨距可变，以实现调速。大型风力发电机常备有伺服电机来变桨距调速。
　　
　　上述两种风车又都有两种类型，即利用风的阻力的阻力型和利用风的升力的升力型。风车按形状分类见下图。

　　
　　大型风车多选用效率高的螺旋桨型，微型或小型风车也多选用螺旋桨型。常见的是双叶片和三叶片风车，但也有一片或四片以上的风车。这种风车的翼形与飞机翼形相类似，为了提高启动性能，尽量减少空气动力损失，多采用叶根强度高、叶尖强度低带有螺旋角的结构。螺旋桨式风车，至少也要达到额定风速，才能输出额定功率。本文介绍螺旋桨式风车。

　　2．风车直径
　　
　　(1)风车获取的能量
　　
　　在理论上水平轴螺旋桨式风车获取的能量Pw[W]由下式求得：

　　风速[m/s]；CP:风能利用系数(0.3—0.4)[kg.m/s]
　　
　　在式中，Pw和风车的受风面积(下图)成正比，也与风速的立方成正比。
　　
　　实际上，从风车的机械能转换为电能会产生损失。
　　
　　自然风的能量，仅有一部分被风车获取，风能利用系数CP在理想风车的场合，最大值为0.59．即最多能获取风能的59%。
　　
　　此外，实际的微型风车，其叶片的个数和形状的变化，使功率系数只有0.35~0.45的程度。若再经过电气转换，取得的能量就更低了。
　　
　　中、大型风力发电机因为其风车旋转速度较慢，需要加装齿轮箱增速。风力发电机在运转时，风车风能利用系数CP约40%，增速器效率ηa约90%，发电机效率ηa约80%，控制、变换器效率ηc约80%，最终输出功率Pout[W]：

　　中Pw为风车获取的能量，最终只能得到风能的23%。

　　(2)风车直径及种类的选择
　　
　　从公式1可知，风车获取的能量与风车桨叶的面积无关，只与受风面积有关。即只要直径相同，一根桨叶风车和十根桨叶风车的输出相同。设风能利用系数Cp=0.3，水平轴螺旋桨风车获取的能量和直径、风速之间的关系如下图。根据此图，可按所需功率来选取风车的直径。如在风速5m/s时，想要得到25W的输出功率，查得风车直径约1.2m。因输出与风速的立方成正比，当风速增为2倍(lOm/s)时，输出增为8倍，即直径1.2m的风车可获取200W输出。在平均风速4m/s—6m/s的强风地区，强风时可达15m/s—20m/s．此时为避免超过发电机的额定输出，需启动发电机的电磁制动功能，使风车转速下降。

　　在风力发电机的综合效率中，风能利用系数是表达风车把风能转换为机械能的参数。下图是不同类型风车的风能利用系数与周速比的关系。所谓周速比，是风车在桨叶任意位置旋转方向上的速度Vb[m/s]与风速V[m/s]之比(Vb/V)，通常桨叶最外沿（叶尖）的周速比称为TSR。

　　3．风车单体的转矩特性
　　
　　风使风车旋转，产生转矩作用于发电机，使风能转变为电能。下面以半径60cm，直径(包含中心轮毂）1.3m的3桨风车的风力发电机为例，说明其转矩特性。
　　
　　(1)转矩的变化
　　
　　下图是上述风车的转矩和转数的关系曲线。在风车的形状和风速一定时，风车在刚开始启动时转矩小，随着转数的增加，转矩变大，至某一转数时转矩达到最大，然后转数再增加，转矩却开始下降。凶此，要得到最大输出，风车就要工作在最大转矩时的转数。

　　(2)周速比和功率系数的计算
　　
　　利用上图中的转矩特性，，可以求出风速6.5m/s时的周速比和风能利用系数，如下图。因为输出功率是转矩和转数的乘积，从转数可求出周速比：
　　
　　入=wr/V=πnR/60V--………(3)式中：w角速度[rad/s]，V风速【m/s]，n风车转数[rpm]，r风车半径[m]，R风车直径[m]。风能利用系数Cp，理想的风车为0.59。
　　
　　Cp值随风车种类、形状及转数的不同而变化，螺旋桨型风车的Cp值为0.35—0.45，算是最好的风车。周速比和风能利用系数的关系与风速无关。

 

　　4．最大输出点
　　
　　(1)输出功率与风速的关系
　　
　　下图是输出功率与风速的关系曲线。图中理论输出是以Cp=0.59计算的结果。风车机械输出与发电机输出的差，即是发电机的损耗。通常发电机的效率为70%—90%。从下图中可看出，当风速达12m/s—13m/s时，输出功率约500W。

　　(2)发电机的I-V曲线和最大功率点
　　
　　下图是I-V曲线。输出功率等于电压乘电流的积。各风速下的最大功率点同黑点表示。
　　
　　风车产生的转矩与风速的平方成正比，发电机的驱动转矩与从发电机得到的电流成正比，发电机产生的电压和其转数成正比，而转数和风速成正比，当发电机的负荷电流与发电电压的平方成正比时可得到最大输出。

　　实际上由于发电机绕组电阻的影响，输出电压与转数并不成比例。风车与发电机的最佳负荷如下图．当负荷电流与电压的约2—3次方成比例时，在各种风速下都可得到最大输出。

　　(3)桨叶材料
　　
　　叶片是用加强玻璃塑料(CRP)、木头和木板、碳纤维强化塑料(CFRP)、钢和铝合金构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5米，选择材料通常关心的是效率，而不是重量、硬度及叶片的其他特性。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。

 

　　5．发电机的特性
　　
　　(1)最好不用齿轮增速
　　
　　通常发电机转数高，输出就大，故过去常用齿轮箱增速。
　　
　　但这会增加重量、噪声和传动损耗。所以，微型风力发电机不用齿轮，采用风机直接驱动发电机的直接驱动方式。
　　
　　(2)发电机特性决定风车的大小
　　
　　为减轻发电机的负担，宜提高风车的转数，但受噪音及强度的制约，不能无限地提速。此外，如加大风车直径，理论输出虽可增大，但风车转数将降低。因而要根据发电机的发电特性，来决定风车的大小。
　　
　　(3)设计顺序
　　
　　首先根据要求的输出功率决定风车的大小，再由风车大小决定转数，最后按要求的性能选择发电机。
　　
　　(4)风车直径增加一倍，转数降低1/2
　　
　　风车直径增大会产生噪声和强度问题。通常，对高速型风车桨叶最外沿的周速比，以5~10为宜。
　　
　　例如最大额定风速为12m/s时，周速比选为10，则桨叶最外沿速度会达到VB=120m/s，差不多是音速的1/3。
　　
　　VB=πRn，60…………(4)设周速比为6，用上式计算的风车大小与转数的关系见下图。例如风车直径为Im、风速lOm/s，风车的转数约1146rpm。但若直径变成2m，转数就降低一半，变成573rpm。

　　（5)风车直径、转数及发电量的关系
　　
　　风力发电的输出与直径的平方成正比，虽然将直径扩大一倍可获得4倍的输出，但会使转数减半。因而不能过分增加风车直径，要根据发电机的性能来选择风车的直径。