摘要:本文首先研究了垂直軸風力發電機的分類以及各種不同結構的優缺點,並在此基礎上設計了一種新型的垂直軸風力發電機,該新型風力發電機提高了發電機的能量轉換效率,同時具備了低風速啟動的效能,占用空間體積較小,安全性高。
關鍵詞:風力發電機垂直軸風輪結構設計
小型風力發電機的型式有兩種:垂直軸風力發電機和水平軸風力發電機,比較兩者後可發現垂直軸風力發電機具有風向影響小、風能利用係數高、啟動風速低、可靠性高、安全風速工作範圍大、雜訊汙染小、外形美觀等諸多優勢,因此，本文將設計一種新型的垂直軸風力發電機。
1 垂直軸風力發電機的分類
垂直軸風力發電機可分為兩個主要類別[1]：一類是利用空氣動力的阻力作功,典型的結構是s型風輪。它由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成,其優點是啟動轉矩較大,缺點是由於圍繞著風輪產生不對稱氣流,從而對它產生側向推力。
對於較大型的風力發電機,因為受偏轉與安全極限應力的限制,採用這種結構形式是比較困難的：另一類是利用翼型的公升力作功,最典型的是達里厄(darrieus)型風力發電機,是水平軸風力機的主要競爭者。達里厄風力發電機有多種形式,基本上是直葉片和彎葉片兩種。
葉片具翼型剖面,空氣繞葉片流動產生的合力形成轉矩。
簡而言之,垂直軸風車可分為兩大類,一類是阻力型垂直軸風車;一類是公升力型垂直軸風車。阻力型垂直軸風車以薩夫紐斯風車為代表;公升力型垂直軸風車以達裡厄(darrieus)型風車為代表。
2 垂直軸風力發電機的基本引數計算
式中:p為當地空氣密度,kg／m3;
s為風輪掃風面積,m2;
v為上游風速,m／s。
式中:n為風輪轉速,r／min;
r為葉尖半徑,m;
v為上游風速,m／s;
為風輪角速度,rad／s。
式中:m為轉矩;
d為風輪直徑。
3 幾種垂直軸風力發電機簡介
小型風力發電機的風輪形式多種多樣,但是對其歸類可以歸納為兩類,水平軸風力發電機風輪和垂直軸風力發電機風輪。其中採用垂直軸風力發電機風輪相對於水平軸的風力發電機風輪來說具有如下優勢[2]:安全性高、無需調向、啟動風速低、噪音低、抗風能力強、風能利用率高等。
垂直軸風力發電機風輪常用的有三種型別[3]:薩沃紐斯型(s型)、達里厄型(φ型)和旋翼型(h型)。
薩沃紐斯型風輪由兩個半圓筒形葉片組合而成,左右兩個葉片處於兩個不同的圓周方向上,但有一定的重疊。當風吹向風輪時,凹形葉片在風力的推動作用下,使風車克服阻力而旋轉,並且具有較高的旋轉速度。這種風機是利用對風所生成的「阻力」來工作的,他的葉尖速比接近於1,轉速低、雜訊小、轉矩大等優點[4]。
達里厄型風輪屬於「公升力型」,其特點是風車轉速可以設計得很大。這種風機在停止狀態下,從風力所獲得的轉矩很小,難以自行開始運轉,這是這種風機的不足之處,為此,可以與薩沃紐斯型風機一起構成組合型風機,以便改善其啟動效能。
旋翼型風輪的葉片具有與飛機機翼相同形狀的截面。旋翼型風機的啟動轉矩非常小,這種風輪具有葉尖速比高,旋轉力矩大等優點。但是風險性比較大,因為旋轉速度高。
4 一種新型風力發電機設計
為了克服現有的旋翼型(h型)風力發電機風輪體積太大的缺點、達里厄型(φ型)啟動難的缺點、薩沃紐斯型(s型)轉換效率較低的缺點,本實用新型提供一種新型的垂直軸風力發電機風輪,該垂直軸風力發電機風輪結構合理簡單,體積小、重量輕,生產工藝易掌握,可實現微風啟動。
4.1 主體結構
本文所設計的一種新型的垂直軸風力發電主體結構中主要包括主軸、葉片、頂圓盤和底圓盤,其特徵是主軸呈垂直狀態,並與頂圓盤和底圓盤結合,葉片頂端固定於頂圓盤上,底端固定於底圓盤上,葉片為三葉片形式,均勻排布,相互之間夾角為120°。單件葉片採用風機機翼的形狀,包括內弧、外弧和頂端圓弧,頂端圓弧是角度為100°的圓弧。葉片弦長和頂端圓弧半徑的大小根據設計功率的不同而不同。
葉片的弦與頂圓盤軸向的夾角為144°,以便做功的兩個扇葉更大限度的利用風能,並且不做功的葉片阻力最小。主軸與頂圓盤和底圓盤之間的連線採用法蘭連線,既方便拆卸又能穩固連線。底圓盤同時預留出螺栓孔與發電機轉子部分連線。
當風帶動葉片旋轉時,葉片帶動頂圓盤和底圓盤旋轉,底圓盤帶動發電機的轉子部分旋轉,在這個過程中將風能轉化為電能。葉片與頂圓盤和底圓盤之間的連線採用m6x50螺栓連線,每件葉片採用4只螺栓連線。
葉片、頂圓盤和底圓盤三個部分採用鋁合金材質,主軸和所連線法蘭採用型號為q235鋼的材質。
4.2 效能優勢
本文所設計的新型垂直軸風力發電機包括主軸、葉片、頂圓盤和底圓盤四個主要部分,主軸呈垂直狀態,用於連線頂圓盤和底圓盤,並起到支撐作用。葉片的頂端和底端分別與頂圓盤和底圓盤連線。當風力帶動葉片圍繞主軸旋轉時,頂圓盤和底圓盤在葉片的帶動下同時同速度旋轉,底圓盤與發電機的轉子部分連線,並帶動其旋轉,整個過程將風能轉化為葉片的機械能,再將機械能通過發電機轉化為電能,輸出交流電。
葉片採用飛機機翼的翼型,為三葉片公升力型,在圓盤上均勻分布,互相夾角為120°,其弦做適當角度的旋轉,以增大動力受風面積,減少阻力。
該設計結合了旋翼型風輪和薩沃紐斯型風輪的優點,既提高了發電機的能量轉換效率,同時具備了低風速啟動的效能,占用空間體積較小,安全性高。
5 結論
本文提出了一種新型垂直軸風力發電機構想,在對三種典型的垂直軸風機進行分析的基礎上,取長補短,達到低風速易啟動、整機風能利用率高的目的。詳細設計出風葉主體結構和整機的輔助系統。分析總結了該風機所具備的優良效能,但由於實物模型尚未進行風洞試驗,本課題未能以實驗資料驗證該風機模型的理論優勢。
將在進一步的實驗中優化該設計並取得更加廣闊的市場應用。
參考文獻
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