探析小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用與故障排除

羅四云

摘 要

隨著資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)的不斷推進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電的受關(guān)注程度大幅提升，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)也成為各領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)?；诖?，本文將簡單分析小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并圍繞小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型和使用要點(diǎn)、故障排除開展深入研究，希望研究內(nèi)容能夠?yàn)橄嚓P(guān)生產(chǎn)廠家和用戶帶來一定啟發(fā)。

關(guān)鍵詞

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī);故障排除;使用要點(diǎn)

中圖分類號： TM315 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 45

0 前言

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在使用過程中很容易出現(xiàn)故障，如劇烈振動(dòng)、輸出異常、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速異常、調(diào)向不靈、電壓下降過快、電壓偏低或不穩(wěn)、燒壞用電器等。為快速有效的處理各類故障，正是本文圍繞小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用與故障排除開展具體研究的原因所在。

1 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

1.1 水平軸

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可細(xì)分為水平軸與垂直軸兩類，在設(shè)計(jì)方法、風(fēng)能利用率、起動(dòng)風(fēng)速、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)方面，兩類小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在顯著區(qū)別。水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用“動(dòng)量-葉素”理論進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)，如Wilson法、Glauert法，葉片外形設(shè)計(jì)受到的影響較小，但風(fēng)輪的風(fēng)能利用率會受到較大影響。一般情況下，水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率在23%～29%左右，起動(dòng)風(fēng)速一般在4～5m/s區(qū)間。在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，在重力和慣性力的綜合作用下，受始終不變的重力方向和隨時(shí)變換的慣性力方向影響，葉片將受到交變載荷的影響，其疲勞強(qiáng)度會因此受到較大挑戰(zhàn)。以圖1所示的30kW的永磁小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，其一般啟動(dòng)風(fēng)速為2.5m/s，工作風(fēng)速為3-20m/s，安全風(fēng)速為52.5m/s，這類小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安裝、維護(hù)和檢修工作需關(guān)注多方面因素影響[1]。

1.2 三葉輪

風(fēng)輪屬于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要機(jī)構(gòu)之一，由輪轂、葉片等部件組成，負(fù)責(zé)將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，需采用具有空氣動(dòng)力學(xué)外形的葉片。三葉輪屬于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)常用風(fēng)輪，具備輪轂簡單、受力平衡好、穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)荷載小的特點(diǎn)，在高葉尖速比運(yùn)行時(shí)，三葉輪的風(fēng)能利用系數(shù)較高。

1.3上風(fēng)向主動(dòng)對風(fēng)偏航方式

水平軸小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)需進(jìn)行偏航控制，以此保證風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的吸收，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)便需針對性選擇偏航方式，上風(fēng)向主動(dòng)對風(fēng)偏航方式便屬于其中典型。上風(fēng)向主動(dòng)對風(fēng)偏航方式采用液壓或電動(dòng)的可控對風(fēng)方式，該主動(dòng)偏航機(jī)構(gòu)由偏航電機(jī)、減速機(jī)、回轉(zhuǎn)軸、軸承、渦輪等組成，典型的上風(fēng)向主動(dòng)對風(fēng)偏航機(jī)構(gòu)如圖2所示[2]。

2 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型和使用要點(diǎn)

2.1 選型要點(diǎn)

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型直接影響使用效果，因此需根據(jù)風(fēng)力資源情況、風(fēng)速、電器負(fù)荷、無風(fēng)期時(shí)間長短進(jìn)行選型?；陲L(fēng)力資源情況，需對當(dāng)?shù)仫L(fēng)速活動(dòng)規(guī)律及分布情況進(jìn)行調(diào)查，一年中連續(xù)無風(fēng)期、年平均風(fēng)速、主要風(fēng)向也需要得到選型中得到考慮;基于風(fēng)速，可選擇小型永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)用于年平均風(fēng)速2.5m/s（風(fēng)力2級）以上地區(qū)，其能夠在風(fēng)速6m/s（風(fēng)力4級）以上時(shí)達(dá)到額定功率，且能夠在風(fēng)速4～5m/s（風(fēng)力3級）以上時(shí)充電。如區(qū)域年平均風(fēng)速在6～8m/s（風(fēng)力在4～5級）以上時(shí)，可選擇勵(lì)磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其會在風(fēng)速6m/s以上時(shí)充電，額定功率會在風(fēng)速8m/s以上時(shí)達(dá)到;基于電器負(fù)荷，需保證家庭所用電器的總功率略小于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定功率，滿足各電器能正常工作需要;基于無風(fēng)期時(shí)間長短，需針對性選擇小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)配套的蓄電池，以此合理控制蓄電池容量。

2.2 使用要點(diǎn)

在完成小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選型后，需對其進(jìn)行全面的調(diào)試、檢查，以此保證安裝后各零部件不存在異響和異?，F(xiàn)象，各類故障也需要及時(shí)排除。各聯(lián)接件檢查需要試運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后全面進(jìn)行，正式投入作業(yè)前需保證各聯(lián)接件無松動(dòng);小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般會設(shè)有保護(hù)裝置，以此實(shí)現(xiàn)狂風(fēng)時(shí)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)或輪停，保證用電設(shè)備和機(jī)組的安全。但值得注意的是，人為制動(dòng)使風(fēng)輪停轉(zhuǎn)僅可在風(fēng)暴天氣進(jìn)行，否則將導(dǎo)致蓄電池虧電;需保證蓄電池額定輸出功率不大于所用電器的耗電量，無風(fēng)時(shí)應(yīng)僅開展重點(diǎn)用電，風(fēng)力減小應(yīng)適當(dāng)節(jié)約用電，以此避免虧電問題出現(xiàn);對于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝的逆變器，需保證其能夠較好滿足有風(fēng)、無風(fēng)時(shí)的供電需要，并采用線徑粗一些的銅導(dǎo)線作為控制器、逆變器、蓄電池間的聯(lián)接導(dǎo)線，線距應(yīng)盡可能縮短，線路電損可由此降低;風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔架及拉線應(yīng)禁止兒童攀爬、不得拴牲畜，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)不得進(jìn)行其他作業(yè)或站人，并避免風(fēng)機(jī)拆卸、安裝、運(yùn)輸過程抬葉片及尾翼，否則將導(dǎo)致尾翼變形或葉片折斷;發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況需得到經(jīng)常性檢查，開式螺旋緊線扣和線夾的脫扣現(xiàn)象、拉線地釘和地錨的松動(dòng)情況、塔架異響或劇烈抖動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)等情況需得到重點(diǎn)關(guān)注;需每年拆卸、清洗、潤滑風(fēng)輪調(diào)速部位、機(jī)頭回轉(zhuǎn)體、發(fā)電機(jī)，并避免風(fēng)輪的平衡被破壞[3]。

3 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障排除方法

3.1 劇烈振動(dòng)故障排除方法

作為小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的常見故障，劇烈振動(dòng)故障一般表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)機(jī)身及機(jī)頭存在明顯振動(dòng)、風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，松動(dòng)的緊固件如立柱拉索、發(fā)電機(jī)底座螺栓、尾翼固定螺釘、塔架地腳螺栓均可能引發(fā)振動(dòng)，風(fēng)輪葉片表面結(jié)冰或葉片變形、變槳距風(fēng)輪卡住、風(fēng)輪與其他部位有摩擦、發(fā)電機(jī)軸承損壞，也可能導(dǎo)致劇烈振動(dòng)故障出現(xiàn)。在故障排除過程中，需明確故障源頭，針對性采用緊固松動(dòng)部件、清理葉片表面異物和冰塊、更換發(fā)電機(jī)軸承或風(fēng)葉等措施。

3.2 輸出異常故障排除方法

輸出電壓較低或無電流輸出屬于小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出異常故障的主要表現(xiàn)。多種原因均可能導(dǎo)致輸出電壓較低，如導(dǎo)線線徑太細(xì)、低電壓輸電線路過長、控制器或定子繞組存在短路、電機(jī)轉(zhuǎn)速低。無電流輸出主要原因包括發(fā)電機(jī)軸承損壞、輸出線路接觸不良或斷路、電機(jī)交流斷路、控制器中整流器損失、發(fā)電機(jī)過熱等。在故障的排除過程中，需對線路進(jìn)行檢查，針對性開展線路調(diào)整，保險(xiǎn)絲、發(fā)電機(jī)軸承、整流器等損壞元件的更換，其他部位與風(fēng)輪的間隙調(diào)整也需要得到重視。

3.3 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速異常故障排除方法

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速異常故障主要表現(xiàn)為風(fēng)輪不轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速明顯降低，發(fā)電機(jī)軸承潤滑不良或損壞、調(diào)速后的變槳距風(fēng)輪葉片未能及時(shí)復(fù)位、控制器開關(guān)在停機(jī)位置、制動(dòng)盤與制動(dòng)帶間隙過小、風(fēng)輪調(diào)向復(fù)位失靈、發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子摩擦、風(fēng)輪葉片變形等均可能引發(fā)這類故障。在具體的故障排除過程中，需對相關(guān)元件間的間隙進(jìn)行針對性調(diào)整，以此實(shí)現(xiàn)摩擦力的減小，發(fā)電機(jī)軸承的更換、添加潤滑油等方法也需要得到重視。

3.4 調(diào)向不靈故障排除方法

低風(fēng)速時(shí)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)會因調(diào)向不靈故障出現(xiàn)機(jī)頭轉(zhuǎn)動(dòng)困難、不迎風(fēng)現(xiàn)象，高風(fēng)速時(shí)則會出現(xiàn)長時(shí)間超速旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象并導(dǎo)致風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性被破壞。調(diào)向不靈故障主要源于塔架上端軸承潤滑不良或損壞、機(jī)座回轉(zhuǎn)體內(nèi)存在過多泥沙異物或油泥、立柱上端發(fā)生變形。在具體的故障排除過程中，可采用添加潤滑油、更換軸承、定期清理回轉(zhuǎn)體內(nèi)泥沙和油泥等措施。

3.5 開展科學(xué)有效的維護(hù)

為更好預(yù)防和處理小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的各類故障，科學(xué)有效的維護(hù)開展也需要得到重視。在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行過程中，需對風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)正常情況進(jìn)行經(jīng)常性觀察，如出現(xiàn)機(jī)頭振動(dòng)或噪聲、運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)等現(xiàn)象，需立即開展停機(jī)檢查，保證故障能夠及時(shí)排除;地錨、緊固件螺栓、拉索鋼絲繩的松動(dòng)情況需定期進(jìn)行檢查，大風(fēng)過后的檢查極為關(guān)鍵，及時(shí)調(diào)整的開展也不容忽視;電機(jī)軸承和立柱軸承、回轉(zhuǎn)體與立柱上端的光軸等潤滑部位也需要得到嚴(yán)格檢查，以此保證潤滑油補(bǔ)充的及時(shí)性，避免潤滑油不足現(xiàn)象出現(xiàn)，潤滑保養(yǎng)最長應(yīng)3個(gè)月進(jìn)行1次，回轉(zhuǎn)體內(nèi)的油泥和風(fēng)沙清理也需要得到重視;在霜凍、大學(xué)等天氣下，需做好葉片結(jié)冰情況檢查并做好清理工作;蓄電池的日常維護(hù)也需要得到重視，電解液的液位高度檢查、導(dǎo)線連接緊固的保持、放電后及時(shí)充電的落實(shí)均不容忽視。

4 結(jié)論

綜上所述，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速異常故障排除方法、調(diào)向不靈故障排除方法等內(nèi)容，則提供了可行性較高的故障排除路徑。為更好保證小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，圍繞啟動(dòng)、噪音等方面開展的針對性研究也需要得到重視。

參考文獻(xiàn)

[1]杜文強(qiáng)，劉雄飛.基于GE智能平臺的中小型風(fēng)力機(jī)偏航參數(shù)測量系統(tǒng)開發(fā)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2019（08）：46-48.