无铁芯盘式垂直轴风力发电机特征及其风光互补系统的应用

众所周知，风能、太阳能现阶段成为行业发展的主攻方向，是因为它们是安全、清洁，充裕能提供源源不绝而又稳定的能源。它们均是个新兴的有前景的高新技术产业。预计2020年我国风电总装机容量要达到3000万千瓦，为风能产业的发展提供了很大的空间。据统计，架设5km电线及以后的电费投资，并远大于太阳能发电系统的一次性投资。若研制出风力与太阳能互补组合的发电系统即能为绿色能源扬长避短增添新的动力和前景。为此本文主要对新型无铁芯盘式垂直轴风力发电机应用特征及其所构建的风光互补发电系统，以及风光互补路灯系统和风光互补监控系统的架构与应用作分析说明。
1 无铁芯盘式垂直轴风力发电机的技术特征
（1）风力发电的理念
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，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。其风力发电机结构机舱、转子叶片、轴心、低速轴、齿轮箱、发电机、电子控制器、液压系统、塔及风速计及风向标。风力发电机由垂直轴无铁芯盘式风力发电机与磁悬浮及水平轴风力发电机等多种类型并由此它们所构成的风光互补型发电机系统。值此文章仅对垂直轴无铁芯盘式风力发电机为重点对其技术应用特征及由此构成的风光互补监控系统、风光互补发电系统及风光互补路灯系统等三种典型应用作分析说明。
（2）技术特征
为发展绿色新能源，新型无铁芯盘式垂直轴风光互补型风力发电机等小型风力发电设备已经呈现。该款风力发电机凭借着优越的微风起动，性能优异低速高效的发电效率。目前，风机主打机型有水平轴200W、400W和垂直轴400W、1000W风光互补型风力发电机，该系列机型是风能和太阳能结合的理想发电设备，外形美观小巧、性能可靠，坚固耐用，配置优良，是缺电和无电地区的首选机型。
该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4~5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。该技术原理根据空气片条理论，实际计算可选取垂直风机旋转轴的切面进行计算模型，按叶片实际尺寸，每个叶片的旋转轴心距离为N米；用CFD技术进行模拟气动系数计算，计算原理采用离散数字方法求解翼形断面的气动力，用网格方法对雷诺数流动涡量分布比较形成高雷诺数下对Navier-Stokes方程进行数字模拟计算的原理结果，因而成为风光互补系统的主要设备。
（3）结构特点
采用先进的无铁芯多级永磁发电机，减少能量损耗，磁瓦采用超强的钕铁硼材料，极大的提升了发电效率。基于空气动力学原理，整机采用5叶片结构设计，360°全角度捕捉来风，以减少风力发电机对高风速的需求，风速1.5m/s即开始旋转起动。风叶直接与机壳有机相连，降低了风叶在旋转时对中心轴的受力，从而提升了风力发电机的安全系数。整机系统人性设计，正常运行时无噪音，对周围坏境的影响小。图1为垂直轴无铁芯盘式发电机外形图。
（4）功率特性
根据风力发电机的原理，风轮的转速上升速度提高较快（力矩上升速度快），它的发电功率上升速度也相应变快，发电功率曲线变得饱满（见图2发电机转速电压功率图所示），同样功率的额定风速较现有水平轴风力发电机低，在低风速运转时发电量也较水平轴风力发电机大。
垂直轴无铁芯盘式发电机是一种较先进科技的发电机产品，其突出的优点越来越受到用户的青睐，其原因为：①启动风速低。垂直轴无铁芯盘式风力发电机由于采用了无铁芯技术，降低了转子的转动惯量，并不存在永磁与铁芯间的磁阻力，因而在微风状态下即可启动。经测试可在风速为1~1.5m/s时启动发电；②体积小，重量轻。此发电机依靠独特巧妙的设计和本身的无铁芯技术，重量为一般发电机的一半；③发电效率高。此发电机无铁芯导磁，经过试验和计算，从结构和选材上克服了无导磁所带来的发电效率低的缺点，同时发电机也不存在铁芯所带来的铁损现象。实践证明。此发电机发电效率比同类发电机高出20%~35%；④噪声低、寿命长。此发电机为直驱电机，所以不存在齿轮等传动机构的磨损现象，再加上垂直轴风力发电机其发电时转速低，受力均匀等优点，使得此发电机的寿命为普通发电机的2倍，而且噪声约为零，最适合居民区使用；⑤安装简单。由于此发电机为垂直轴风力发电机，所以安装时无需考虑风向的问题，再加上无动态联接的输电接头，在安装时比较方便。
（5）关于垂直轴无铁芯盘式发电机所构建的风力发电机（图3为风力发电机整机外形图）。
由于该设计结构采用了特殊的原理，风轮的受力主要集中于轮箍上，因此抗风能力较强；此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。
其技术规格参教（以WG-V1001）为例：叶片个数为3/5，启动风速(mis)为1.5，切入风速(mis)为2．8，工作风速(mis)为3~-25，最大设计风速(mis)为50，额定风速(mis)为10，额定功率(w)为1000，控制器输出电压/VOC)为48，逆变器输出电压(VAC)为220V/50Hz，发电机类型为三相交流永磁，安装高度(m)≥8.
整机特征：整机喷涂，防腐蚀、防盐雾，适用于多种恶劣环境场合；智能控制器具备过压、过放、过充、防短路等多重保护功能。具备通信接口，参数设置可以现场设定，也可以远程设定。轴承、磁钢选用优质品牌材料，保证发电机在恶劣环境下可靠运行。
（6）关于水平轴系列风力发电机
电机外壳采用高强度铝合金材料，重量轻，强度高且抗腐蚀防生锈。该风力发电机有着优越的启动性能，主轴启动扭矩≤20mN；采用高性能钕铁硼磁铁和纯铁组成磁路，有效减小电机体积，200W发电机电机重量≤4.5kg；电机前端盖采用独特的防水槽结构设计，有效实现防水，延长了风机使用寿命。
水平轴风力发电机采用三片式叶片，强度大、耐腐蚀、效率高。电机外壳采用优质铝合金材质，能保护电机在各种恶劣气候下可靠运行，而且安装维护方便，适用于偏远山区、草原牧区、沿海地带、渔船、边防哨所等解决其照明、电视等生活用电，也可做旅游景点、度假村等景观公共设施。
2 无铁芯盘式垂直轴风光互补系统及其应用
值此对无铁芯盘式垂直轴风光互补系统所包含的风光互补发电系统与风光互补路灯系统和风光互补监控系统等典型架构及应用作分析。它们的共同优势是：节约资源，不需要消耗市电、维护费用低、不需要挖沟埋线，可普及到偏远山区且由控制器智能控制，免除人工操作，施工工程量小，工期短，维护方便，能节约大量电缆成本。使用的是纯洁净可再生资源，是真正的新型环保节能科技产品，而其构特征建与应用分别在下文予以说明。
2.1 风光互补发电系统
该系统结合了两大绿色能源即太阳能和风能，从环保、节能等方面考虑而设计制作的。晴天可利用太阳光照发电，产生电能；阴雨天和夜晚可利用风力发电，产生电能，两种功能的互补将可产生更多的电能，实现风光互补，适合于户用或联户配套使用。其系统组成如图4所示。
（1）系统配置表：风力发电机组（数量为1）、太阳电池组件（数量为3）、多功能控制/逆变器）、储能型铅酸蓄电池、塔管（型号规格可以6m，数量为1）以及用电器（如照明、电视、冼衣机、冰箱、2相水泵）。上述配置只作参考，按当地自然资源及客户实际要求设计系统配置。
（2）系统主要特征为：机金制造，结构设计上采用了S型成型结构，保证了整机中心的一致性，而且在保持叶片足够强度的前提下，有较好的柔性和变形强度；风叶采用尼龙复合材料制造，有效降低叶片自身重量，造型优美，动平衡性能优良，风机安全性能大大提高。
（3）系统优异性：风力发电机其低速发电性能良好，永磁电机的效率可高达96%；太阳能组件采用高转换效率的电池片；控制/逆变器一体机，具有带感性负载能力强、启动功率大、空载损耗小、效率高、控制可靠、不易损坏等特点，可高效稳定的带动电冰箱、潜水泵等感性、容性负载；系统匹配合理，利用效率高，经济性好，适合户用或联户使用；整系统结构简单，维护费用低，安装方便。
（4）风光互补系统在景观路灯配制中的应用实例（以WG-H0201为例）
其风力发电机为200W，太阳能电池板为55W×2，蓄电池为60Ah×2，LED为24W，控制器为12VDC/200W.应用于楼顶、海边、湖边、广场、企业/政府电动门供电、游牧民供电、森林防火供电、通信基站供电、渔船供电、生态环保公园、林荫小道、别墅庭院等，其应用示意如图5所示。
2.2 风光互补路灯系统
（1）风光互补路灯系统理念与架构
相较于太阳能与传统路灯，风光互补路灯系统则具备了风能与太阳能产品的双重优点。没有风能时可以通过太阳能电池件来发电并储存在蓄电池；有风能没有光能时可以通过风力发电机来发电，弥补了风能供电或太阳能供电的单一性，使供电系统更具稳定性和可靠性。运行时通过蓄电池向负载放电，为负载提供电力。路灯开关无须人工操作，由智能时控器自动感应天空亮度进行控制。所以作为清洁可利用再生能源的风光互补路灯系统有望成为未来路灯新选择。发展风光互补路灯系统短期收益十分可观，这是在最短期间加速成为我国能源结构的最有效短平快而多快好省的做法。
对于风光互补路灯系统，路灯是人们日常生活中最常见的东西，它给人们夜晚的生活带来光明。虽然现在美观的路灯把城市的夜晚装点得多姿多彩。但路灯是一个耗电大户，由于路灯的低压输电线路长，不仅路灯耗电，输电线路上的耗电也很大，特别是远离电源点的市郊公路和高速公路更是耗电大户。所以，我国很多市郊公路和高速公路都没安装路灯。实际上，市郊公路和高速公路没有路灯带来了许多安全问题。风光互补路灯系统基本架构如图6所示。
该风光互补路灯系统利用风能和太阳能互补发电，将电能存储与蓄电池中，开关可智能控制路灯，无需人工操作，具有广泛的利用价值。它是节能环保和景观亮化的完美结合，具备风能和太刚能产品的双审优点，没有风能的时候可以通过太阳能组件发电，没有光能的时候可以通过风力发电机发电。例如9m灯杆，60W的LED路灯 灯头，适用于路宽小于24m的主干路，两灯间距30m，平均照度大于20lx.
（2）风光互补路灯配置：风力发电机1台，太阳能组件2块（每块可为30W），充电控制器1个，灯杆（可为6~9m，镀锌、喷塑）， 灯罩与灯源1套（24V/ 40W LVD），路 灯控制器（24V/10A），电控箱1个，蓄电池（12V60Ah）2个。
（3）系统特点：节能、环保，保护生态，它利用自然光源，无需消耗电能，而且太阳能取之不尽用之不竭，无污染，无辐射；科技含量高，设置的光控、时控开关装置可根据和人们在各种环境中需要的亮度自动调节和定时开关；经济效益好，不敷设电缆、不消耗常规能源；造型优美，可作为道路景观；采用高光效照明光源设计,具有亮度高、安装简便、工作稳定可靠、使用寿命长等优点；产品使用寿命长，安装成本低，维修方便。
（4）选用风光互补路灯要注意的问题
1）风机的选择：风机是风光互补路灯的标志性产品，风机的选择最关键的是要风机运行平稳。灯杆是无拉索塔，最担心因风机运行时的振动引起灯罩和太阳能 支架的固定件松脱。选择风机的另一个主要因素就是风机的造型要美观，重量要轻，以便减小塔杆的负荷。
2）供电系统最佳配置的设计：保证路灯的亮灯时间是路灯的重要指标，风光互补路灯作为一个独立供电系统，从路灯灯泡的选择到风机，太阳能电池及储能系统容量的配置都有一个最佳配置设计的问题，需要结合安装路灯地点的自然资源条件来进行系统最佳容量配置的设计。
3）灯杆的强度设计：要根据选定的风机及太阳能电池的容量及安装高度要求，结合当地的自然资源条件进行灯杆强度的设计，确定合理的灯杆尺寸和结构形式。环保和节能是社会可持续发展的保证，风光互补路灯是集环保和节能为一体的产品，随着全球常规能源短缺情况的加剧，风能和太阳能这种清洁可再生的自然能源的利用将会普及，风光互补路灯将代表着未来路灯的发展方向。
2.3 风光互补监控系统
图7为风光互补监控系统基本构建示意图。该系统利用风能和太阳能互补发电，应用于摄像监控系统，无需人工操作，具有广泛的应用价值。其技术规格参数（以WG-H0201L型为例）叶片个数为3，启动风速(m/s)为2.5，工作风速为3~25(m/s)；安全风速(m/s)为50，风机额定功率(W)为200，额定输出电压(VDC)为12/24V，蓄电池容量为100/120AH两块，太阳能电池板为40/60/80W两块，安装高度为≥6(m)适宜。
系统可应用场到高速公路、主干道路、次干路、支路、偏远山区、通信基站、机场、庭院、观风景区等区域。
2.4 风光互补控制器
风光互补路灯控制器适合于风光互补供电系统，尤其适用于风光互补路灯系统，不仅能够高效率地转化风力发电机和太阳能电池所发出的电能，而且还提供了强大的控制功能。智能型风光互补路灯控制器提供了太阳能电池防反冲、太阳能电池接反、蓄电池过充电、蓄电池过放电、蓄电池接反、蓄电池开路、风机自动刹车和手动刹车等多种保护。风光互补控制器原理太阳能光伏、风力控制器是对光伏电池板和风力发电机所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量按蓄电池的特性曲线对蓄电池组进行充电，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，以保护蓄电池。
（1）风光互补控制器优点
由于风力资源和阳光资源在不同的地域、季节、天气条件下分布不同，采用风光互补系统具有一定的互补性。还可同时充分利用风能和光能资源发电，减少采用单一能源可能造成的电力供应不足或不平衡。
（2）风光互补控制器典例
MPPT(自动功率跟踪)风光互补控制器采用先进的MPPT功率跟踪技术可电脑远程监控，软件升级和参数设置时控模式下自动学习天黑、天亮时间，自动开灯至指定时长并具有晨亮功能。LCD和指示灯显示风光互补控制器运行状况。具有2路负载独立输出功能，具有风力发电机智能停机系统。
内嵌智能控制芯片，实现对风光互补发电系统的智能控制，风光互补路灯控制器可设为光控模式和时控模式，智能路灯负载监控，具有过载LED代码告警指示风光互补路灯控制器采用市电辅助充电智能管理蓄电池，实现低压、过充保护太阳能电池板采用自动功率追踪（MPPT）风力发电机通过智能控制实现低风充电。
3 选择风光发电机及其使用
举例：某地区，年平均有效风速为3000H(≥4m/s)，选择LED灯额定功率为40W，每天需要照明8h，则40×8=320W，消耗电能0.32kW，每天则需发电机输出功率至少要大于0.32kW.
假设当地每天的有效风速时间为5H，选用额定功率200W风力发电机，则输出功率：200×0.35×5=350W，理论上可以确保LED灯正常工作。此外，可以从太阳能电池板上获得20％输出功率，假设太阳能电池板额定功率80W，当地每天有效光照时间为8H，则功率：80×0.2×8=128W.
风机和太阳能电池板输出总功率为478W，这样就可满足LED灯的每天使用。以上取值均是取最小值，同地区由于季节的变化，而导致的风速和光照对输出功率影响不大。根据以上算法，用户结合所用电器产品的功率，可以大致判定所需风力发电机功率。
风力发电机为200W、工作时间为5h；太阳能电池板为80W、工作时间为8h；LED为40W、工作时间为8h；蓄电池为120AH两块；一天总发电量为0.478kW；一天总耗电量为0.32kW.

　　如果在无风无光情况下，蓄电池容量按70％计算可供LED使用3~5天。实际上，由于风的多变性、间歇性，风既有大小的不同(风速)，又有吹刮时间长短的不同，同样光照也是有时强时弱和光照时间长短的问题。所以，在使用电器时要做到风况好时可适当多用电，风况差时则需要合理用电。总之，风机机型和太阳能电池板规格的选配要与所使用电器的总功率相匹配。用户在使用时可以总结以往使用经验，以确保设备长期稳定运行。