風力發電機大體上可以分為以下幾個重要組成部分: 中心支架, 固定葉片輔助支架, 風輪輪轂, 葉片, 齒輪變速箱等. 在世界上, 普遍把風力發電機分為兩大類: 一是水平軸風力發電機, 二是垂直軸風力發電機.
一, 垂直軸風力發電機的優點
1.總體性能指標高. 在構造上運用了直葉片和三角形雙支點設計, 並且主要受力點集中於輪轂, 解決了葉片脫落, 斷裂和葉片飛出等問題, 垂直軸風力發電機的葉片按相同的角度差形成圓周, 這樣設計的目的可以降低對中心支架的壓力;另外, 齒輪箱, 減速箱和傳動裝置等一系列的輔助設備都可放置在離地面相對近的工作平台上, 減輕了風機本身的重量, 一定程度上減少了風機的構造和維護成本, 並且垂直軸風機可利用於建築整合上, 有利於城市建設.
2.降低噪音汙染. 採用了水平面旋轉以及葉片應用飛機翼型原理設計, 使得噪音降低到在自然環境下測量不到的程度.
3.不需要安裝輔助系統. 垂直軸風機和水平軸風機相比, 由於垂直軸風機的葉片旋轉平面平行於地面, 這樣使得對風能的獲取可以來自各個方向, 不需要像水平軸風機那樣增加偏航裝置來調節接受風能的方向, 總體結構上變的更加的簡單, 一定程度上減小了風機運行產生的振動, 提升了其可靠性.
4.抗風能力強. 水平旋轉和三角形雙支點設計原理, 使得它受風的壓力小, 可以抵抗每秒45米的颱風.
5.葉片構造簡單. 由於垂直軸風機葉片對風能的捕獲能力增強了, 葉片受風力旋轉時只受風機的壓力以及旋轉離心力對葉片的張力, 所以對葉片材料的要求程度降低, 選用的材料更加的通用, 減少了購買葉片的成本.
6.轉速範圍變大. 垂直軸風力發電機相比於水平軸風機, 其可以達到的最大轉速要比水平軸風機高的多, 在強風速下的運行穩定性比水平軸風機好, 最大值可以承受 60m/s 的高強度風速. 只要控制策略和風機本身材料選擇合適, 垂直軸風機對風能的利用要遠遠地大於水平軸風機.
同時, 垂直軸風力發電機具有以下缺點: 一是垂直軸風機的啟動性能指標比水平軸風機差, 二是葉片在旋轉一周中, 在有些位置產生負力矩, 導致風機輸出效率低;三是所有風電機組的共同問題: 抗震動問題, 尤其是大型風機的震動問題;四是由於風是一種不確定的即時變化的因素, 風力發電的輸出功率的穩定性不如傳統意義上的火力發電, 導致波動大不容易併網.
二, 垂直軸風力發電機的改進分析
搭建一個垂直軸風力發電機平台需要軟體設計與硬體設計兩大方面. 在硬體設計中, 主要包括風機的總體結構設計, 零件的材料選取, 各部分結構的尺寸設計等內容. 在軟體設計中主要包括對垂直軸風機的空氣動力學分析, 對於風機大的控制策略以及控制軟體的開發等內容. 軟硬體設計兩個方面既是獨立的, 又是聯繫的, 每個方面都是建立在其他方面的基礎上, 最後軟硬體結合形成一個統一的系統. 由於軟體的開發與應用在研究中複雜繁瑣, 這裡不過多的介紹, 下面主要介紹在硬體設計上對垂直軸風力發電機有著重要影響的硬體要求. 對於垂直軸風機的開發與利用, 不光要在控制策略等方面進行深入研究, 而且對於風機的硬體條件也不容忽視. 最終的目的是要使風機在各種條件對風機的各方面進行優化設計, 使得風機能夠更好地利用風能, 確保風機的輸出功率達到最高效率, 並且對於風機本身而言, 要使得它的使用壽命增加, 維護更方便, 構造與維修成品更加地符合經濟性.
對於風機葉片數量的選擇, 一要看設計初衷裡想要風機達到的輸出功率是多少;二是需要考慮葉片與風機的齒輪箱變速箱之間的配合問題;三是考慮到風機對環境的雜訊汙染;四是考慮風機的構建與維護費用. 現今, 常見的H軸風機大多都是4葉片, 6葉片和8葉片風機.
葉片數量在一定程度上影響著風機的整體性能. 不管風機葉片的材料成分以及外形尺寸, 對兩葉片風機和三葉片風機進行比較, 兩者的輸出功率相差不多, 但是兩葉片風機可以有較高的葉尖速比, 當風速過大時, 兩葉片風機會比三葉片風機實用.
風輪的葉片數對風力機負載有一定影響, 葉片數量多時, 會增加風機的雜訊, 同時增大了對風輪的振動, 對機器硬體的抗壓抗震條件增加了硬性指標. 但是從外觀上考慮, 三葉片風機由於其對稱性等原因, 更能被大眾所接受.
兩葉片風機由於葉片數量減少後, 構造風機的成本以及維護成本會相應地減少, 但也伴隨著一些不利因素, 因此, 對風機葉片數量的選擇要視具體情況而定, 要確定構建風機的目的. 比如家用風機, 大型風機併網以及用於教學的實驗風機, 這些風機的葉片數都是不確定的.
三, 轉速控制
當風機達到額定功率後, 此時的風機轉速被稱為風機的額定轉速. 額定轉速是一個重要的標量, 尤其是在變槳距風機中, 控制系統控制對槳距角的變化, 目的主要在於將風機控制在額定轉速範圍內, 保證風機的輸出功率一直在額定功率下, 這樣就使得風機的輸出功率穩定, 而且這個穩定值跟風機最大限度利用風能後的理想值相差最小. 變槳距控制的最終目的就是要使得風機保持在這個最佳的額定轉速下運行.
葉尖速比在風機整體運行過程中影響著風機各硬體的整體性能. 當風速不變時, 葉尖速比大說明此時風機的轉速快, 轉速快一是說明接收到的風能多, 二是轉速快可以使得葉片產生較大的上升浮力, 一定程度上減輕了風輪支架對主軸的重量, 對有利於風機的使用壽命. 所以在設計風機時, 都會讓風機具有較大的葉尖速比. 另外, 較高的葉尖速比減小了對葉片材料上的要求, 降低了構造風機的成本. 但是, 如果當葉尖速比過高時, 也會引發一些問題: 比如首先會造成雜訊汙染, 不利於人們的生活, 其次會造成風機的振動問題, 如果產生共振的話會直接威脅風機的使用壽命, 如果該風機在城市中應用的話, 甚至會威脅人類的生命安全. 所以對風機的葉尖速比要選擇合適的值.
