2017年第7期
ScienceandTechnology&Innovation┃科技与创新文章编号：2095－6835（2017）07－0051－02风力发电机整机性能评估与载荷计算的探究李勇锋
（广东明阳风电产业集团有限公司，广东中山528400）摘要：20世纪70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源成为现代世界的一个重要课题。关键词：风能发电机；整机性能评估；载荷计算；静态载荷中图分类号：TM315文献标识码：ADOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.07.051发电机组。相对于水平轴风力发电机（horizantalaxiswindturbine）需要对风装置，垂直轴风力发电机（vericalaxiswindturbine）由于旋转轴垂直于风向，所以就不需要对风装置了。这是垂直轴风力发电机的一大优势。1.2塔架和机舱为了让风轮在地面上较高的风速中运行，需要用塔架把风轮支撑起来。这时，塔架承受2个主要载荷：①风力发电机的重力，向下压在塔架上；②风力发电机和塔架产生的风阻力，使塔架向风的下方弯曲。塔架有张线支撑式和悬臂梁式2种基本形式。塔架所用的材料可以是木杆、铁管或是其他圆柱结构，也可以是钢材做成的桁架结构。不论选择什么塔架，使用的目的是使风轮获得较大的风速。在选择塔架时，必须考虑塔架的.com.cn. All Rights Reserved.风能作为可再生的、无污染的自然能源又重新引起了人们的重视，所以对风能发电机的研究的重要性不言而喻。本文通过对风能发电机整机主要结构的分析，进而分别对性能进行评估，并展开荷载计算方法等方面的探究。1风力发电机整机主要结构1.1对风装置对于水平轴风力发电机，为了得到最高的风能利用率，应使风轮的旋转面经常对准风向。为此，需要用到对风装置。典型的对风装置有以下3种：①用尾舵控制对风是最简单的方法，小型风力发电机多采用这种方式；②在风力发电机两侧装有控制方向的舵轮，多用于中型风力发电机；③用专门设计的传感器与伺服电机相结合的传动机构来实现对风，多用于大型风力使用率，从而提高土地使用率；初步设计阶段可以使用BIM进行能量分析，再根据建筑的平面布置、体型、外围结构和材料特点，选择最优的设计方案；设备设计阶段，可以使用BIM的模型，模拟设备的使用状况，计算材料的需求量，估算用水量、用电量等，可以达到节地、节能、节水、节电、环保的目的。在整个设计阶段，可以随时使用BIM进行建筑能耗分析，为绿色建筑满足绿色标识要求提供前期保障。3.2设计各专业的协同性强在传统设计模式中，由于各专业在设计过程中沟通、协作不足，易出现冲突。BIM包括拓扑、物理、几何等信息，拓扑信息反映了组件之间的相关性，物理信息反映了组件的物理性质，几何信息反映了建筑三维空间的特点，把建筑项目整个生命周期的所有信息（维护管理、建造过程、施工进度等过程信息）整合到了一个单独的建筑模型中。使用BIM技术设计时，各专业都是基于同一个模型进行设计活动的，建筑师将成为团队的召集人，而不是决策者；结构工程师、设备工程师在设计初期阶段都将起到更加积极的作用，结构工程师和设备工程师的技术和经验，甚至专家的咨询意见，在设计过程中都将加以考虑。使用BIM创建的模型综合考虑了虚拟建造、功能模拟、性能分析、技术经济计算等应用的信息需求，以实现BIM模型及信息在后续环节中的充分利用。这种以建筑模型为核心的协作模式，其各专业系统方案之间的空间协调性较好，还可以模拟动态的施工过程，及时发现错误，强化了与施工阶段的衔接，缩短了设计时间，满足了绿色建筑不断发展对设计过程以及技术手段的需求。3.3节能分析更加及时、全面BIM技术代表软件可提供详尽、可靠的设计信息和深度的建筑模型细节，所有的信息能直接或经由工业标准格式转换导入软件，进而进行能量分析。BIM的应用可以使建筑师在设计中的任意阶段、任何时间采用快速的设计方案进行建筑物理环境化的评估，这对建筑的生态节能设计有重大意义。BIM是一个集成流程，可以在实际建筑建造之前通过数字的方式得到建筑物中的主要功能和物理特征。由于所使用的信息是协调一致的，因此，在实际施工之前，建筑师、工程师、承包商及业主都能够查看项目建成后的外形及性能，同时，也能进行各个方面的能源性能分析。比如，建立一个BIM基本模型，建筑能耗软件既能帮助建筑师从整个建筑设计过程来分析节能问题，也能模拟整年每个时刻的建筑和空调系统的能耗和负荷。4结束语随着绿色建筑、被动式建筑等新兴环保可持续发展建筑的提出、推广，要求建筑设计方法应改变。BIM用于绿色建筑的设计中，可使得工作协同性更好，符合全生命周期节能的目标。参考文献［1］张际达.中国建筑师缘何丧失“话语权”［J］.中国建设报，2012（11）.［2］李锐.LEED对我国绿色建筑评价体系的启示和借鉴［J］.山西建筑，2010（08）.［3］支家强，赵靖，辛亚娟.国内外绿色建筑评价体系及其理论分析［J］.城市环境与城市生态，2010（02）.［4］王祎，王随林，王清勤.国外绿色建筑评价体系分析［J］.建筑节能，2010（02）.〔编辑：张思楠〕·51·科技与创新┃ScienceandTechnology&Innovation成本，引起塔架破坏的载荷主要是风力发电机的重力和塔架所受的阻力，特别是塔架受力的频率与自身的振动频率接近时，会造成塔架共振。这是塔架遭到破坏的主要原因。因此，塔架的选择要根据风力发电机的实际情况来确定。大型风力发电机的塔架基本上是锥形圆柱钢塔架。1.3传动系统传动系统包括主轴、齿轮箱和联轴节。轮毂与主轴固定连接，将风轮的扭矩传递给齿轮箱。有的风力发电机组将主轴与齿轮箱的输入轴合为一体。大型风力发电机组风轮的转速一般在10～30r/min范围内，通过齿轮箱增速到发电机的同步转速1500r/min（或1000r/min），通过高速轴、联轴节驱动发电机旋转。1.4控制系统制动系统主要分为空气动力制动和机械制动2部分，有的风力发电机组只有机械制动。定桨距风轮的叶尖扰流器旋转约90°，或变桨距风轮处于顺桨位置均利用空气阻力使风轮减速或停止，属于空气动力制动；在主轴或齿轮箱的高速输出轴上设置的盘式制动器属于机械制动。通常在运行时要让机组停机，首先采用空气制动，使风轮减速，再采用机械制动使风轮停转。2风力发电机原理风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称“风车”。从广义来说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。风力发电利用的是自然能源，相比柴油发电要好得多。但是如果当应急来用，还是不如柴油发电机。风力发电不可视为备用电源，但是却可以长期利用。风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，以促使发电机发电。3风力发电机性能评估在不同来流风速下，将风率曲线的最优工作点连接起来，即可获得风轮的最优输出功率曲线。如果能通过试验方法获得发电机的功率曲线，就可对风轮和电机的匹配特性进行分析。只要发电机的功率曲线与风轮的最优功率曲线重合，发电机和风轮组成的风力发电机系统就可获得最优匹配特性。图1为风轮的最佳功率曲线。当选用的永磁电机功率曲线和最佳功率曲线重合时，风轮获得的风能才可能被最大限度地利用。但实际工作中，风力发电机的负载通常是变化的，负载的变化会导致发电机的输出功率发生变化，从而使发电机的实际功率曲线与最优功率曲线发生偏移，风能得不到有效利用。图1最佳功率曲线图2为不同来流风速下风轮的输出功率与发电机的匹配曲线，其中，曲线a，b，c分别为不同负载时发电机的功率曲线。发电机功率曲线与风率曲线的交点即为风力发电机的工作点。从图中可以看出，3种负载曲线与风轮的功率曲线的交点不同，对应的功率和转速也不同，通过对负载的调节，可以调节风力发电机的输出功率和工作转速。负载曲线c和负载曲线a的输出功率基本相同，但是曲线a对应风轮的转速明显要低于曲线c对应的转速。当风轮转速过高时，风力发电机系统的稳定性和可靠性会明显降低，因此可以在保证输出功率不变的·52·2017年第7期
情况下，改变发电机的负载大小，从而使风轮的转速降低。当负载功率曲线为a和c时，同样可调节改变发电机的负载大小，使风轮发电机工作在最佳转速下，从而保证最大的输出功率。图2不同风速下风轮的输出功率与发电机的匹配曲线4风力发电机载荷计算4.1风力机主要载荷的确定由于风力发电机运行在复杂的外界环境下，所承受的载荷情况也非常多，根据风力机运行状态随时间的变化，可以将载荷情况划分为静态载荷、动态载荷和随机载荷。动态载荷和随机载荷具有时间和空间上的多变性和随机性，要想准确计算比较困难。而静态载荷基本上不考虑风力机运行状态的改变，仅考虑环境条件改变的情况。本文就风力机的这种静态载荷计算作简要的讨论。风力机依靠叶轮将风中的动能转化为机械能，因此叶轮是风力机最主要的承载部件。作用在叶轮上的空气动力是风力机最主要的动力来源，也是各个零部件主要的载荷来源。要计算风力发电机组上的载荷，就必须先计算出空气在叶片上的作用力。目前，计算作用在叶片翼型上的空气动力的主要理论依据是叶素理论。4.2风轮载荷计算理论依据目前，计算风力发电机的气动载荷有动量—叶素理论、CFD等方法。动量—叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为“叶素”，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮上的力和力矩，算得旋翼的拉力和功率。动量—叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛应用于风力发电机的设计和性能计算中，而且还用来确定风力发电机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。CFD数值计算不需要对数学模型作近似处理，直接对流体运动进行数值模拟。从物理意义上说，数值求解N-S方程的CFD方法应该是计算风力发电机气动特性最全面、准确的方法。但是，由于极大的计算工作量、数值计算的稳定性等原因，目前CFD求解N-S方程方法还远不能作为风力发电机气动设计和研究的日常工具，作为解决工程问题的工具还不太实际。为此，在计算中应用动量—叶素理论方法来计算机组的气动载荷。5结束语风力发电机是将风能转化为电能的装置，主要由叶片、发电机、机械部件和电气部件组成。根据旋转轴的不同，风力发电机主要分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机2类。本文通过对风力发电机整机的描述，分析了其主要结构，在此基础上，对整体性能与荷载计算进行了初步探究。参考文献1］张展.风力发电机组的传动装置［J］.传动技术，2003（2）.2］曾杰.大型水平轴风力机载荷计算和强度分析的方法研究［D］.乌鲁木齐：农业大学，2001.3］叶杭冶.风力发电机组的控制技术［M］.北京：机械工业出版社，2015.〔编辑：刘晓芳〕.com.cn. All Rights Reserved.［［［
