文 | 杜志強(qiáng)，徐慶坤

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垂直軸風(fēng)電機(jī)組模型制作與研究*

文 | 杜志強(qiáng)，徐慶坤

由于H型垂直軸風(fēng)電機(jī)組的特性，因此它的應(yīng)用方式、應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了改變。水平軸風(fēng)電機(jī)組由于噪聲、對風(fēng)向等問題，要么用于風(fēng)電場，要么用于邊遠(yuǎn)地區(qū)解決無電問題，這些應(yīng)用場合都遠(yuǎn)離城市中心區(qū)域。并且，在現(xiàn)代化能源緊缺的趨勢下，新能源的多方面發(fā)展越來越重要，如今的風(fēng)電機(jī)組以水平軸為主，以大型發(fā)電廠規(guī)模發(fā)展建設(shè)，并且極大地受到地區(qū)風(fēng)能資源條件的限制。然而垂直軸風(fēng)電機(jī)組恰好能填補(bǔ)這些自然條件缺陷，并且可接地氣性強(qiáng)，具有在廣大農(nóng)村推廣的潛力。針對以上情況，垂直軸風(fēng)電機(jī)組則可以提供很好的補(bǔ)充，這些風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能雖然一般都不上網(wǎng)，可卻成為用電系統(tǒng)不可或缺的能源之一。而在眾多類型的垂直軸風(fēng)電機(jī)組中，H型風(fēng)電機(jī)組又由于其結(jié)構(gòu)方面的特點，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。因此對于H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電模型的研究具有重要意義。

垂直軸風(fēng)電機(jī)組模型的理論依據(jù)

一、基本原理

風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。依據(jù)目前的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時，相比水平軸風(fēng)電機(jī)組的對風(fēng)偏航系統(tǒng)，垂直軸風(fēng)電機(jī)組不管風(fēng)向是否會發(fā)生變化，都無需對風(fēng)，在這點上是其自身的一大優(yōu)勢，它不僅使結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化，而且也減少了風(fēng)輪對風(fēng)時的陀螺力。

二、 H型垂直軸風(fēng)電機(jī)組技術(shù)原理

該技術(shù)采用空氣動力學(xué)原理，針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機(jī)翼形形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，它不會因變形而改變效率等；它用垂直直線3片－5片葉片組成，由三角形或五角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成風(fēng)輪，由風(fēng)輪帶動稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電送往控制器進(jìn)行控制，輸配負(fù)載所用的電能。

三、功率特性

根據(jù)H型垂直軸風(fēng)電機(jī)組的原理，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它的發(fā)電功率上升速度也相應(yīng)變快，發(fā)電曲線因此變得飽滿。在同樣功率下，垂直軸風(fēng)電機(jī)組的額定風(fēng)速較現(xiàn)有水平軸風(fēng)電機(jī)組要小，并且它在低風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)電量也較大。

垂直軸風(fēng)電機(jī)組模型的設(shè)計與制作

一、垂直軸風(fēng)力發(fā)電模型整體機(jī)構(gòu)設(shè)計

風(fēng)電機(jī)組模型整體結(jié)構(gòu)由葉片、盤式發(fā)電機(jī)（120W）、塔架、控制箱及聯(lián)接固定結(jié)構(gòu)件組成。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

二、發(fā)電系統(tǒng)選擇與設(shè)計

考慮到風(fēng)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)及傳動鏈的效率，發(fā)電部分選用低阻尼、低轉(zhuǎn)速、高效率、輕質(zhì)量的直流永磁盤式電機(jī)，設(shè)計容量120W。它采用亞克力板為支撐平面，利用螺栓調(diào)節(jié)間距，將線圈置于亞克力板模具內(nèi)，相互串并聯(lián)，將永久性強(qiáng)磁固定在強(qiáng)度塑料板上做成轉(zhuǎn)子，并以面包夾層結(jié)構(gòu)一般，形成緊湊的雙層結(jié)構(gòu)，增大功率，并且具有良好的可延展性。圖2為設(shè)計并完成與聯(lián)軸器組裝的盤式交流發(fā)電機(jī)。

三、垂直軸風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計

為了滿足120W電機(jī)的負(fù)載需求，我們選擇了三頁片的H型垂直軸風(fēng)電機(jī)組葉片，旋切角為14度與87度，葉弦長210.63mm，弓高15.27mm，長度 600mm，使其在三角不平衡的俯平面中，無論受到任意方向的風(fēng)，均會產(chǎn)生一個向前緣方向的受力。因此，在支架的固定方向的受力與之形成旋轉(zhuǎn)力矩，帶動法蘭以致主軸轉(zhuǎn)動。并且在此設(shè)計參數(shù)下使得所受力矩較大，使得轉(zhuǎn)矩較大，帶動盤式電機(jī)較為合理。葉片的橫截面CAD設(shè)計圖如圖3所示。

葉片采用泡沫為材料進(jìn)行磨具加工，具有輕質(zhì)、安全并且成本低和易加工、改進(jìn)、優(yōu)化等優(yōu)點。在葉片的基礎(chǔ)上用銅箔或鋁箔裝飾外表，顯得格外美觀，并且內(nèi)部設(shè)有耐壓導(dǎo)體螺栓。

四、控制箱結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過機(jī)械載荷計算，我們選擇用5mm的鋁板做機(jī)箱材料，這樣才能達(dá)到較強(qiáng)的支撐結(jié)構(gòu)和配重比，便于整體機(jī)組的穩(wěn)定?？刂葡渲邪惭b控制板的結(jié)構(gòu)件考慮到強(qiáng)度、絕緣、易加工和便于安裝等因素，故選用3mm的環(huán)氧板加工。

風(fēng)電機(jī)組模型整機(jī)組裝與試驗測試

一、H型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)模型組裝

完成整機(jī)組裝的垂直軸風(fēng)電機(jī)組模型如圖4所示，在整機(jī)設(shè)計組裝時還需要考慮幾點因素：

（一）選用絲桿做支架，主要考慮螺紋連接便于拆卸和改進(jìn)，并且在銀錠的距離上緊固絲桿，使得整體穩(wěn)固效果加強(qiáng)，也使得有更多的拓展空間。

（二）雙外球面軸承座塔式重疊結(jié)構(gòu)，具有調(diào)心和支撐作用，并且用絲桿連接，便于調(diào)節(jié)。

（三）在載荷要求上，支柱間需加緊固裝置進(jìn)行緊固和避震，以保證風(fēng)電機(jī)組安全高效運(yùn)行。

（四）葉片支架在傳統(tǒng)的矩形構(gòu)建方式下改進(jìn)設(shè)計，以梯形方式搭建，在受力穩(wěn)固上有極大的優(yōu)點，并能增加葉片的使用壽命和降低故障率。但由于小量模具加工費(fèi)用極高，因而只能采用簡單的手工代替。

二、發(fā)電功率試驗測試

由于試驗設(shè)備所限，我們選用和風(fēng)電機(jī)組葉片中心等高的大功率落地扇（風(fēng)速可調(diào)）作為風(fēng)源，對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了發(fā)電功率測試。得到的測試數(shù)據(jù)和功率曲線分別為表1和圖5所示。

表1 發(fā)電功率測試數(shù)據(jù)

結(jié)論

本次研究主要針對H型風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和實用性進(jìn)行了探索，同時也是為了滿足專業(yè)教學(xué)的需要。由圖5的結(jié)果可以看出：該風(fēng)電機(jī)組的啟動風(fēng)速在2m/s左右，當(dāng)風(fēng)速為10m/s時，可獲得最大功率30W，這主要跟風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)有關(guān)。該H型垂直軸風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計和研究的目的。

H型垂直軸風(fēng)電機(jī)組不管是對風(fēng)能資源的要求，還是對地域的要求，其適應(yīng)性都非常強(qiáng)，也必將是未來新能源普及中必不可少的一部分。因此，無論是教學(xué)還是應(yīng)用，對H型垂直軸風(fēng)電機(jī)組模型的設(shè)計和研究都具有重要的意義。

（作者單位：天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

*基金項目：2014年天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科技項目“垂直軸風(fēng)電機(jī)組模型研究”，項目編號：zdkt2014-003