馬安安 胡浩 蔣涵穎 楊臻 高潤(rùn)龍

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

同步調(diào)整的活動(dòng)葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)說(shuō)明書

馬安安 胡浩 蔣涵穎 楊臻 高潤(rùn)龍

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,北京 102206)

本文提出了一種新型風(fēng)機(jī)——同步調(diào)整的活動(dòng)葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)。傳統(tǒng)S型垂直軸風(fēng)力機(jī)因?yàn)樵诖怪庇陲L(fēng)速的平面上葉片投影面積大小相等,且葉片凹面腔中產(chǎn)生渦旋流導(dǎo)致風(fēng)能損失,故風(fēng)能利用系數(shù)低。為解決這個(gè)問(wèn)題,本作品一方面通過(guò)減小一側(cè)葉片的擋風(fēng)面積來(lái)增大轉(zhuǎn)矩差,另一方面將葉片設(shè)計(jì)成平面形狀。葉片由葉片角度同步調(diào)整裝置與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸聯(lián)系,風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸和葉片旋轉(zhuǎn)中心軸上固定直徑比1:2的同步輪,因此風(fēng)輪整體在轉(zhuǎn)動(dòng)180°的同時(shí),葉片轉(zhuǎn)動(dòng)90°,從而使葉片從擋風(fēng)面到無(wú)阻力面的轉(zhuǎn)化,在提高轉(zhuǎn)矩的同時(shí)使葉片的振動(dòng)噪聲得到了有效控制。通過(guò)引入葉片角度同步調(diào)整裝置,增大了轉(zhuǎn)矩差,提高了風(fēng)能利用系數(shù),增加輸出功率;同時(shí)降低了啟動(dòng)風(fēng)速,增加風(fēng)力機(jī)年可利用小時(shí)數(shù),提高發(fā)電量。本裝置依靠純機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)葉片角度調(diào)整,使得相對(duì)的兩只葉片總是呈90°放置,不涉及任何外部控制,其運(yùn)行可靠性高,制造成本低。另外,可以根據(jù)客戶喜好設(shè)計(jì)不同的外形,在商業(yè)開發(fā)應(yīng)用方面有很大的潛力。

活動(dòng)葉片 葉片角度同步調(diào)整裝置 風(fēng)能利用系數(shù) 低風(fēng)速啟動(dòng) 可利用小時(shí)數(shù)

水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是當(dāng)前市場(chǎng)上的主流機(jī)型，與垂直軸風(fēng)電機(jī)組相比，其技術(shù)發(fā)展已趨于成熟，且風(fēng)能利用系數(shù)相對(duì)高。但水平軸適用于風(fēng)電場(chǎng)的大功率機(jī)組，其制造成本高，對(duì)風(fēng)資源的要求也高。除了水平軸風(fēng)機(jī)以外，還有轉(zhuǎn)軸垂直于地面的風(fēng)機(jī)，簡(jiǎn)稱垂直軸風(fēng)機(jī)。但利用垂直軸進(jìn)行發(fā)電的研究直到20世紀(jì)20年代后才開始，由于研究工具、方法的落后，結(jié)果導(dǎo)致認(rèn)為垂直軸風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用率不如水平軸風(fēng)機(jī)[6]，但垂直軸機(jī)組可以用于風(fēng)力資源較貧乏地區(qū)，而且其運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低，為分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供充分可能性。

1 項(xiàng)目研究背景及意義

傳統(tǒng)的S式風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪轉(zhuǎn)子周圍，有一對(duì)或者若干個(gè)凹凸曲面的翼葉。由于其兩側(cè)的翼葉形狀不對(duì)稱，氣流作用力差別懸殊，引起空氣阻力不同，由此產(chǎn)生一個(gè)繞轉(zhuǎn)軸的力矩差推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，但是因?yàn)閮蓚€(gè)葉片的垂直于風(fēng)速的平面上投影面積大小相等，風(fēng)力機(jī)凈推力小；且在風(fēng)輪的風(fēng)葉的凹面腔中不可避免的要產(chǎn)生渦旋流，即一部分風(fēng)能轉(zhuǎn)換為渦旋流而白白損失掉。故這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)低。風(fēng)能利用系數(shù)作為風(fēng)機(jī)性能的主要指標(biāo)，其高低直接影響風(fēng)機(jī)的發(fā)展前景。改善S型風(fēng)輪的機(jī)械結(jié)構(gòu)能本質(zhì)性地提高風(fēng)機(jī)性能。

2 設(shè)計(jì)思路

本裝置大體由三部分構(gòu)成，支撐基礎(chǔ)及中心軸、蝴蝶形葉片及旋轉(zhuǎn)十字架，大小同步輪及其傳動(dòng)部分。葉片可繞支架四端的葉片旋轉(zhuǎn)中心軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，葉片旋轉(zhuǎn)中心軸頂部固定有大同步輪，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸頂部固定有小同步輪。其中由大小同步輪及同步帶構(gòu)成的葉片角度同步調(diào)整裝置將風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸與四個(gè)葉片旋轉(zhuǎn)軸相連，且大小同步輪直徑比為2：1，其中小同步輪和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸及支撐基礎(chǔ)固定連接，風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸兩側(cè)的圓柱形突起配合滾珠軸承僅起導(dǎo)向作用。

圖1 工作原理俯視過(guò)程

圖2 Cp——V 比較曲線

裝置葉片角度調(diào)整原理如下，如圖1 俯視圖，當(dāng)裝置受到向下的風(fēng)力作用時(shí)，風(fēng)輪支架繞中心軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，工作過(guò)程為a-＞b-＞c，a圖中，風(fēng)力作用在葉片上，由于左側(cè)葉片完全擋風(fēng)，右側(cè)完全透風(fēng)，兩個(gè)葉片在垂直于風(fēng)速的平面上投影面積相差較大，因此會(huì)形成較大的轉(zhuǎn)矩差，驅(qū)動(dòng)風(fēng)輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同步帶相對(duì)于靜止的小同步輪產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使與大同步輪固定的蝴蝶形葉片繞葉片旋轉(zhuǎn)中心軸自轉(zhuǎn)。當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)過(guò)90°時(shí)，同步帶傳動(dòng)的路程為小同步輪周長(zhǎng)的1/4。因?yàn)橥綆У膫鲃?dòng)，大同步輪轉(zhuǎn)動(dòng)相同的路程，根據(jù)L=θ×r，由于大同步輪與固定的小同步輪直徑比為2：1，葉片旋轉(zhuǎn)45°，此時(shí)風(fēng)輪的支架以及葉片位置與初始位置是一樣的，保證了擋風(fēng)面始終在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心軸的同一側(cè)，因此，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，可以保持持續(xù)的較大的轉(zhuǎn)距差。本作品依靠純機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)葉片角度調(diào)整，不涉及任何外部控制，其運(yùn)行可靠性高，制造成本低。

3 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 功率計(jì)算相關(guān)變量說(shuō)明

A為風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積，0．2 m2；V 為自然風(fēng)速； ρ：空氣密度，1．225kgm3；n為風(fēng)力機(jī)葉片繞中軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速； Cs1為傳統(tǒng)S型風(fēng)力機(jī)凹葉片對(duì)著來(lái)風(fēng)的葉面的阻力系數(shù)，1．0； Cs2為傳統(tǒng)S型風(fēng)力機(jī)凸葉片對(duì)著來(lái)風(fēng)的葉面的阻力系數(shù)，0．2； CP為風(fēng)能利用系數(shù)； k：葉片角度同步調(diào)整裝置的傳動(dòng)系數(shù)，0．94。

3.2 風(fēng)能利用系數(shù)的理論計(jì)算

風(fēng)力機(jī)獲得的平均功率：旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)凈推力做功為 W：

風(fēng)能輸入的總功率：

風(fēng)能利用系數(shù)：

此外，由于本模型中依靠同步輪及同步帶將葉片與整個(gè)風(fēng)輪間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系聯(lián)系起來(lái)，葉片角度同步調(diào)整裝置的引入給風(fēng)輪增加了阻力，所以在凈推力前應(yīng)該乘以一個(gè)傳動(dòng)系數(shù) k，其值為0．94。葉片同步調(diào)整風(fēng)輪的其余風(fēng)能利用系數(shù) CP計(jì)算步驟及公式與傳統(tǒng)S型風(fēng)輪一致。

分別由上述方法計(jì)算，由式(7)得出傳統(tǒng)S型風(fēng)輪和葉片同步調(diào)整風(fēng)輪的風(fēng)能利用系數(shù)，比較得到，引入葉片角度同步調(diào)整裝置后，風(fēng)能利用系數(shù)提高了25%以上。

4 與傳統(tǒng)S型風(fēng)機(jī)的對(duì)比試驗(yàn)

實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)能利用系數(shù)的高低直接影響風(fēng)機(jī)的發(fā)電量，是衡量風(fēng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證引入葉片角度同步調(diào)整裝置后對(duì)發(fā)電效率的提升，我們進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)比較在相同風(fēng)況下，由實(shí)驗(yàn)得出葉片面積相等的傳統(tǒng)S型垂直軸風(fēng)力機(jī)和同步調(diào)整的活動(dòng)葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，比較兩者的優(yōu)劣。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將葉片面積相等，葉片高度一致的兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)置于相同的風(fēng)力環(huán)境下。并且在發(fā)電機(jī)輸出端分別連接阻值大小相同的電阻，待兩種風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)后，由萬(wàn)用表測(cè)兩者功率，由風(fēng)速儀讀出當(dāng)前風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)為減小實(shí)驗(yàn)誤差，每個(gè)風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次，最后取有效數(shù)據(jù)平均值。

再根據(jù)風(fēng)力機(jī)輸出功率關(guān)系式：

分別由各實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下的兩種風(fēng)力機(jī)平均功率，根據(jù)上式得出該風(fēng)速條件下兩種風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)。

用平滑曲線描繪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，得出兩種風(fēng)力機(jī)不同風(fēng)速下的風(fēng)能利用系數(shù) CP-v曲線，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由上圖可以看出，在任何一個(gè)風(fēng)速下，同步調(diào)整的活動(dòng)葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)均高于傳統(tǒng)S型垂直軸風(fēng)力機(jī)。傳統(tǒng)S型垂直軸風(fēng)機(jī)曲線峰值出現(xiàn)在7.6ms左右；而在風(fēng)速為6.8m s左右時(shí)，同步調(diào)整的活動(dòng)葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)達(dá)到峰值。故引入葉片角度同步調(diào)整裝置后，風(fēng)能利用系數(shù)峰值點(diǎn)前移，在更小的風(fēng)速下就能達(dá)到大的風(fēng)能利用系數(shù)，降低了對(duì)風(fēng)資源的要求。此外，從圖中可以看出，引入葉片角度同步調(diào)整裝置后，曲線變寬，因此風(fēng)速利用范圍更廣，更好地利用了風(fēng)資源。

5 應(yīng)用與推廣

(1)可以應(yīng)用在普通垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用的區(qū)域，如為路燈，廣告牌等公共設(shè)備供電。(2)此作品尤其適用于高樓間、山與山之間等由于狹谷效應(yīng)產(chǎn)生的穿堂風(fēng)，可以大力利用。(3)稍加改造，此作品的應(yīng)用范圍可推廣到應(yīng)用海流能發(fā)電等領(lǐng)域。(4)可以在葉片上加裝液晶顯示器，這樣在無(wú)風(fēng)的時(shí)候此產(chǎn)品變身成為360°可視的宣傳板，可投放公益廣告和商業(yè)廣告。

6 結(jié)論與展望

本作品與傳統(tǒng)S式垂直軸風(fēng)機(jī)進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，風(fēng)能利用系數(shù)提高了25%，與水平軸風(fēng)機(jī)相比也具有振動(dòng)小、外形美觀以及年可利用小時(shí)數(shù)高的優(yōu)勢(shì)。且本作品運(yùn)行穩(wěn)定，成本低。隨著垂直軸風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展，成本逐步降低。本作品因其優(yōu)良的性能、較低的成本、美觀的外形，有望大規(guī)模投入利用，并且可以推廣到海流能發(fā)電等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，具有廣闊的前景。

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