便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法淺談

摘 要：基于便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，從風(fēng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、回轉(zhuǎn)部分的設(shè)計(jì)，風(fēng)機(jī)的調(diào)速、控制與變流等方面簡(jiǎn)要分析如何優(yōu)化便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)；永磁發(fā)電機(jī)

1 便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)概述

便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)理論的基礎(chǔ)上對(duì)原始相對(duì)大型的設(shè)備進(jìn)行精簡(jiǎn)和放縮而產(chǎn)生的一種具有折疊收納功能的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，同一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，其特點(diǎn)在于精和小，并且便于攜帶。整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置在收納箱中，整體設(shè)備大小就是發(fā)電箱蓋體形成的中空容置空間，是一種極為方便的發(fā)電設(shè)施。

便攜式發(fā)電機(jī)的發(fā)電系統(tǒng)主要包括發(fā)電單元、電力單元、風(fēng)葉組和電力儲(chǔ)存單元，風(fēng)葉組以折疊狀態(tài)可以收容于空置空間，發(fā)電單元與風(fēng)葉組連接，由風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電單元工作，進(jìn)而產(chǎn)生電力，電力單元與儲(chǔ)存單元一般分設(shè)于箱體之上。發(fā)電系統(tǒng)的各組件能夠相互形成電連接。因此該設(shè)備不僅是一種能夠提供電力的發(fā)電設(shè)備，也是一種便于攜帶的儲(chǔ)電設(shè)備。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)組成上已經(jīng)足夠精簡(jiǎn)，因此便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是對(duì)于發(fā)電效率的提高，即以發(fā)電單元為核心的風(fēng)葉、發(fā)電機(jī)的優(yōu)化。

2.1 風(fēng)葉設(shè)計(jì)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中所說(shuō)的風(fēng)葉設(shè)計(jì)一般是指氣動(dòng)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而這類設(shè)備在優(yōu)化中的約束條件就是發(fā)電機(jī)風(fēng)葉從自然風(fēng)中得到的輸出功率比例，即所謂的輸出功率系數(shù)的最大化，即設(shè)備在自然風(fēng)影響下產(chǎn)生的機(jī)械能的最大化，是風(fēng)葉設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心思路。主要能夠采取的措施有以下幾種。

1）風(fēng)葉設(shè)計(jì)成有一定彎度的尾流翼型，這種設(shè)計(jì)能夠延遲氣流分離時(shí)間，提高風(fēng)阻比例，葉片表面的延展向和弦向壓力梯度變化也會(huì)有所降低，這種設(shè)計(jì)思路能夠有效提高自然風(fēng)向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化效率。

2）優(yōu)化風(fēng)葉弦長(zhǎng)和安裝角的組合。通過(guò)改變風(fēng)葉弦長(zhǎng)和安裝角的組合、分布能夠有效提高楓葉的轉(zhuǎn)動(dòng)效率，通常安裝角的線性分布以及梯形的葉片平面形狀能夠有效提高轉(zhuǎn)動(dòng)效率。同時(shí)這種設(shè)計(jì)方便制造和組裝也具有良好的起動(dòng)特性。

3）風(fēng)葉單元在設(shè)計(jì)和使用時(shí)并非葉片越多效率越高，多風(fēng)葉能夠利用更多的風(fēng)阻，但是風(fēng)葉單元的穩(wěn)定性容易出現(xiàn)問(wèn)題、葉片的強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，起動(dòng)性能也是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。為了使風(fēng)葉能夠穩(wěn)定工作，風(fēng)葉數(shù)量應(yīng)盡量使用三葉片或雙葉片的組合，其中三葉片較雙葉片相比，用材更加精簡(jiǎn)、展弦比更高，更有利于氣動(dòng)功率的提高。

4）葉片材料的選擇上也需要格外注意，便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境一般處于野外或風(fēng)力不穩(wěn)定的環(huán)境中，因此楓葉材料應(yīng)當(dāng)具備耐磨、不易氧化變形等特征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，木材外粘環(huán)氧玻璃纖維的葉片是便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)葉的最優(yōu)材料。

2.2 發(fā)電機(jī)和回轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)是便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部門(mén)，風(fēng)葉是將自然風(fēng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的單元，而發(fā)電機(jī)和回轉(zhuǎn)部分是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電單元。便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)雖然是體積較小、便于攜帶，但其總體是個(gè)完整的發(fā)電系統(tǒng)，因此一個(gè)先進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)是全系統(tǒng)所有單元的有機(jī)配合，從而實(shí)現(xiàn)各單元的效率運(yùn)行。所以在便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡可能將所有部件作為一個(gè)整體來(lái)設(shè)計(jì)，這樣發(fā)電單元的各個(gè)結(jié)構(gòu)能夠相互依托聯(lián)結(jié)，這樣能夠有效提高部件的剛度和耐用性，一定程度上能夠節(jié)約制造材料，減少組裝時(shí)的消耗時(shí)間，同時(shí)也有效降低了使用過(guò)程中的故障率。

一般的便攜式小型發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)是通過(guò)直聯(lián)的方式進(jìn)行連接，這么做的好處是對(duì)于機(jī)械能的需求會(huì)相應(yīng)降低，發(fā)電效率也有所提高，因此發(fā)電機(jī)選擇上應(yīng)當(dāng)使用用永磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)能夠在低轉(zhuǎn)速的條件下穩(wěn)定發(fā)電，是一種適合在野外和風(fēng)力不穩(wěn)定環(huán)境下持續(xù)發(fā)電的最佳發(fā)電設(shè)備。永磁發(fā)電機(jī)還具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，故障率低等特點(diǎn)，但是也有其固有缺點(diǎn)：1）起動(dòng)阻力相對(duì)較高，如果風(fēng)力較小，風(fēng)葉無(wú)法產(chǎn)生足夠的機(jī)械能，永磁發(fā)電機(jī)就難以起動(dòng)，更不能進(jìn)行發(fā)電作業(yè)。2）永磁發(fā)電機(jī)在使用時(shí)摩擦阻力較大，發(fā)電效率相對(duì)較低。3）永磁發(fā)電機(jī)的造價(jià)也相對(duì)較高。4）永磁發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，外形尺寸上的彈性選擇空間較少，因此在便攜式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的適用性有待驗(yàn)證。

針對(duì)上述永磁發(fā)電機(jī)的不足，在對(duì)便攜式小型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝過(guò)程中進(jìn)行以下技術(shù)改進(jìn)：1）發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)改為份數(shù)槽設(shè)計(jì)。2）對(duì)用永磁發(fā)電機(jī)的軸承密封進(jìn)行改裝，使用無(wú)摩擦阻力的迷宮結(jié)構(gòu)降低永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力，來(lái)提高機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化率。3）使用切向磁路轉(zhuǎn)子代替原有轉(zhuǎn)子，以此來(lái)提高自然風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)葉產(chǎn)生的機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化效率。

3 綜述

綜合來(lái)說(shuō)便攜式風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為一種發(fā)電野外使用的便攜式發(fā)電設(shè)備，有其廣闊的發(fā)展空間。現(xiàn)階段這種便攜的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)尚不成熟，有很多可以進(jìn)一步改進(jìn)的方向。例如風(fēng)葉的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高風(fēng)葉的穩(wěn)定性和風(fēng)阻系數(shù)，從而使其在自然風(fēng)帶動(dòng)下穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，將自然風(fēng)中的能量轉(zhuǎn)化為風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)電單元運(yùn)作，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電；在發(fā)電單元方面，主要優(yōu)化思路就是通過(guò)降低轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的能量損耗并提高轉(zhuǎn)子的發(fā)電效率來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化升級(jí)；在儲(chǔ)電單元方面，通過(guò)改變儲(chǔ)電單元的材料組成，來(lái)提高儲(chǔ)電過(guò)程中電能的轉(zhuǎn)化效率并降低電能的流失速率，從而實(shí)現(xiàn)有效的儲(chǔ)電；此外能夠優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有很多方面，例如轉(zhuǎn)速控制、發(fā)電機(jī)能各單元間的效率連接等。

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作者簡(jiǎn)介：繆曉賓（1980-），男，漢族，四川成都人，碩士，副教授，研究方向：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。