大（dà）功率发电机组的特性与转速（sù）控制

   大功率（lǜ）发电机（jī）组机大体上（shàng）可以分为以下几个重要组（zǔ）成部分：中心（xīn）支架、固定叶片辅助支架（jià）、风轮轮（lún）毂、叶片、齿轮变速箱等。在世界上，普遍把发电机组分为两大类：一是水平轴发电（diàn）机组，二是垂直轴发电（diàn）机组。

　　一、垂（chuí）直轴发电机组的优点

　　1.总体性能指标高。在构造上运用了直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，解决了叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题，垂（chuí）直轴发（fā）电机组的叶片按相同的角度差形成圆周，这样设计的目的可以（yǐ）降（jiàng）低对中心支架的压力；另外，齿轮箱、减速箱和（hé）传动装（zhuāng）置等一系列的辅助设备都（dōu）可放置在离地（dì）面相对近的工作平台上，减轻了柴油机本身（shēn）的重量，一定程度上减少了柴油（yóu）机的构造和维护（hù）成本，并且垂直轴柴油机可利用于建筑集成上，有利于城市建设。

　　2.降低噪音污染。采用（yòng）了水平面旋转以及叶片应用飞机翼型原（yuán）理设计，使得噪音降低（dī）到在自然环（huán）境下测量不到的程度。

　　3.不需要安装辅助系统。垂（chuí）直轴柴（chái）油机和水平轴柴油机相比，由于垂直轴柴油机的叶片（piàn）旋（xuán）转平面（miàn）平行于地面，这样使得对风能（néng）的获取可以（yǐ）来自各个方（fāng）向，不需要像水（shuǐ）平轴柴油机那样增加偏航装置来调节接受风能的方向，总体结构上变的更加的简单，一定程度（dù）上减（jiǎn）小了柴油（yóu）机运行产生（shēng）的振动，提（tí）升（shēng）了其可靠性。

　　4.抗风能力强。水平（píng）旋转和三角形双支点设（shè）计原理，使得它受风的压（yā）力小，可以抵抗每秒45米的台风。

　　5.叶片构造简单。由于垂直轴柴油机叶片（piàn）对风（fēng）能（néng）的（de）捕（bǔ）获能力增强了，叶片受旋转时（shí）只受（shòu）柴（chái）油机的压力以及旋转离心力（lì）对叶片的张力，所以对叶片材料的要（yào）求程度（dù）降低（dī），选用（yòng）的（de）材料更（gèng）加的通用，减少了购买（mǎi）叶片的成本。

　　6.转速范围变（biàn）大。垂直轴发电机组相比于水平轴柴油机，其可以达到的大转速要比水平轴柴油机高的多，在强（qiáng）风速下的运行稳（wěn）定性（xìng）比水平轴柴油机好，大值可以承受 60m/s 的（de）高强度风速。只要控制策略和柴油机本身材料选择（zé）合适，垂直轴柴油机对风能的利用要（yào）远远地大于水平轴柴（chái）油机。

　　同（tóng）时，垂直轴发电机（jī）组具有以下缺点：一是垂（chuí）直轴柴油机的启动性（xìng）能指标比水平轴柴油机差，二是叶片在（zài）旋转一周中，在有些位置产生负力矩，导致柴油机输出效率低；三是所有风电机组（zǔ）的共同问（wèn）题：抗震动问题，尤其是大型柴油机的震动问题；四是由于风是一种不（bú）确定的实时变化的因素，发电的输出功率的稳定性不如传统意义上的（de）火力发电（diàn），导致波动大不容易并网。

　　二、垂直轴发电机组的改进分析

　　搭（dā）建（jiàn）一个垂直轴发电机组平台（tái）需要软（ruǎn）件设计与硬件设计两大方（fāng）面。在硬件设计中，主要包括柴油机（jī）的总体结构设计，零件的材料选取，各部分结构的尺寸（cùn）设计等内容。在软件（jiàn）设（shè）计中主要包括对垂直轴柴油机的空气动力学分（fèn）析，对于柴油（yóu）机大（dà）的（de）控（kòng）制策略以及控制软件的开发等内容。软硬（yìng）件设计两个方（fāng）面既是独立的，又是联系（xì）的，每个方面都是建立在其他方面的基础上，后软硬件结合形成一（yī）个统一的系统。由于软件的（de）开发与应用在研究中复杂繁琐，这里不过多的介绍，下面主要介绍在硬件设计上对垂直轴发电机组有着重要影响的硬件要求。对于垂直轴柴油机的开发与（yǔ）利用，不光要在控制策（cè）略等方（fāng）面进（jìn）行深入研究，而且对（duì）于柴油机的硬件条件也不容忽视。终的目的是要使柴油机在（zài）各种条件对柴油机的各方面进行优化设（shè）计，使得柴油机能够更好地利用风能，确保柴油机的输出（chū）功率达到高（gāo）效（xiào）率，并且对于柴油机本身而言，要使得它的使用寿命（mìng）增加，维护更方便，构造与维修成（chéng）品更加地符合经济性。

　　对于柴油机叶片数量的选择，一要看设计（jì）初（chū）衷里想要柴油机达（dá）到的输出功率是多少；二是需要考虑（lǜ）叶片与柴油（yóu）机的齿轮箱变速箱之间的（de）配合问题（tí）；三是考（kǎo）虑到柴（chái）油机对环境的噪声污染；四是考虑柴（chái）油机的构建与维护费用。现今，常见的H轴柴油机大多都是4叶片、6叶片和（hé）8叶片柴油机（jī）。

　　叶片数量在一定程度上（shàng）影响着柴油机（jī）的整体性能（néng）。不管柴油机叶片的材料（liào）成分以（yǐ）及外形尺寸，对两叶片柴油机（jī）和（hé）三叶片柴油机进行比（bǐ）较，两（liǎng）者的输出功率（lǜ）相差不多，但是两叶片柴油机可以有较高的叶尖速比，当风速过大时，两叶片柴（chái）油机会比三叶片柴油机实用。

　　风轮的叶片数对机负载有一定影响，叶片数量多时，会增加（jiā）柴油机的噪声，同时增大（dà）了对风轮的振动，对机（jī）器硬件的抗压抗震条件增加了硬性（xìng）指标。但是从外观上考虑，三叶（yè）片柴油机由于其对称性等原因，更能被大众所接受。

　　两叶片柴油机由于叶片数量减少后，构造柴油机的（de）成本以及维护成本会相应地减少，但也伴随着一些（xiē）不利因素，因此（cǐ），对柴油机叶片数量的选择要视具体情况而定，要确定构建柴油机（jī）的目的。比如家用（yòng）柴油机、大型柴油机并网（wǎng）以及用于教学的实验柴油机，这（zhè）些柴油机的叶片数都是不确（què）定的。

　　三、发（fā）电机组的转速控制

　　当柴油机达到额定功率后，此时（shí）的柴油机转速被称为柴油（yóu）机的额（é）定（dìng）转速。额定转速是（shì）一个重要（yào）的标量，尤（yóu）其是在变（biàn）桨距柴油机中，控制系统控制对桨距角的（de）变化，目的主要在于将柴油机控制在额定转（zhuǎn）速范围内，保证柴油（yóu）机的输出功率一直在额定功率下，这样就使得（dé）柴油机（jī）的输出功率稳定，而且这个稳定值跟柴油机大限度利用风能后的理想值相差小。变桨距控制的终目的就是（shì）要使得柴油（yóu）机保持在这个佳的额定转速下（xià）运行。

　　叶尖速比在柴油（yóu）机整体运（yùn）行过程（chéng）中影响着柴油（yóu）机各硬件的整（zhěng）体性能。当风速不变时（shí），叶尖速比大说明（míng）此时柴油机的转速快，转速快（kuài）一是说明接收到的风能多，二是转速快可以使得（dé）叶片产生较（jiào）大的上升浮力，一定程度上减轻了风轮（lún）支架对（duì）主轴的重量，对有利于柴油机的使用寿命。所以在设计柴（chái）油机时，都会让柴油机具有较大的叶尖速比。另外，较（jiào）高的叶尖速比（bǐ）减小了对（duì）叶片材料上的要求，降（jiàng）低了构造柴油机的成本。但是，如果当叶尖速比过（guò）高（gāo）时（shí），也会引发一些问题：比如首先会造成噪声污染，不利于人们的生活，其次会造成柴油机的振动问题，如果产生共振的话会直（zhí）接威胁柴油机的使（shǐ）用寿命，如果该柴油机在城市中（zhōng）应用的话，甚至会威胁人类的生命安全。所以对柴（chái）油机的叶尖速比要选择合适的值。

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