同步调整的活动叶片垂直轴风力机设计说明书

马安安 胡浩 蒋涵颖 杨臻 高润龙

(华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206)

同步调整的活动叶片垂直轴风力机设计说明书

马安安 胡浩 蒋涵颖 杨臻 高润龙

(华北电力大学电气与电子工程学院,北京 102206)

本文提出了一种新型风机——同步调整的活动叶片垂直轴风力机。传统S型垂直轴风力机因为在垂直于风速的平面上叶片投影面积大小相等,且叶片凹面腔中产生涡旋流导致风能损失,故风能利用系数低。为解决这个问题,本作品一方面通过减小一侧叶片的挡风面积来增大转矩差,另一方面将叶片设计成平面形状。叶片由叶片角度同步调整装置与风轮旋转中心轴联系,风轮旋转中心轴和叶片旋转中心轴上固定直径比1:2的同步轮,因此风轮整体在转动180°的同时,叶片转动90°,从而使叶片从挡风面到无阻力面的转化,在提高转矩的同时使叶片的振动噪声得到了有效控制。通过引入叶片角度同步调整装置,增大了转矩差,提高了风能利用系数,增加输出功率;同时降低了启动风速,增加风力机年可利用小时数,提高发电量。本装置依靠纯机械装置实现叶片角度调整,使得相对的两只叶片总是呈90°放置,不涉及任何外部控制,其运行可靠性高,制造成本低。另外,可以根据客户喜好设计不同的外形,在商业开发应用方面有很大的潜力。

活动叶片 叶片角度同步调整装置 风能利用系数 低风速启动 可利用小时数

水平轴风力发电机组是当前市场上的主流机型，与垂直轴风电机组相比，其技术发展已趋于成熟，且风能利用系数相对高。但水平轴适用于风电场的大功率机组，其制造成本高，对风资源的要求也高。除了水平轴风机以外，还有转轴垂直于地面的风机，简称垂直轴风机。但利用垂直轴进行发电的研究直到20世纪20年代后才开始，由于研究工具、方法的落后，结果导致认为垂直轴风机风能利用率不如水平轴风机[6]，但垂直轴机组可以用于风力资源较贫乏地区，而且其运行维护简单，成本低，为分布式发电技术的发展提供充分可能性。

1 项目研究背景及意义

传统的S式风力机的风轮转子周围，有一对或者若干个凹凸曲面的翼叶。由于其两侧的翼叶形状不对称，气流作用力差别悬殊，引起空气阻力不同，由此产生一个绕转轴的力矩差推动风轮旋转，但是因为两个叶片的垂直于风速的平面上投影面积大小相等，风力机净推力小；且在风轮的风叶的凹面腔中不可避免的要产生涡旋流，即一部分风能转换为涡旋流而白白损失掉。故这种风力发电机风能利用系数低。风能利用系数作为风机性能的主要指标，其高低直接影响风机的发展前景。改善S型风轮的机械结构能本质性地提高风机性能。

2 设计思路

本装置大体由三部分构成，支撑基础及中心轴、蝴蝶形叶片及旋转十字架，大小同步轮及其传动部分。叶片可绕支架四端的叶片旋转中心轴旋转运动，叶片旋转中心轴顶部固定有大同步轮，风轮旋转中心轴顶部固定有小同步轮。其中由大小同步轮及同步带构成的叶片角度同步调整装置将风轮旋转中心轴与四个叶片旋转轴相连，且大小同步轮直径比为2：1，其中小同步轮和风轮旋转中心轴及支撑基础固定连接，风轮旋转中心轴两侧的圆柱形突起配合滚珠轴承仅起导向作用。

图1 工作原理俯视过程

图2 Cp——V 比较曲线

装置叶片角度调整原理如下，如图1 俯视图，当装置受到向下的风力作用时，风轮支架绕中心轴逆时针旋转90°，工作过程为a-＞b-＞c，a图中，风力作用在叶片上，由于左侧叶片完全挡风，右侧完全透风，两个叶片在垂直于风速的平面上投影面积相差较大，因此会形成较大的转矩差，驱动风轮逆时针旋转，同步带相对于静止的小同步轮产生相对运动，使与大同步轮固定的蝴蝶形叶片绕叶片旋转中心轴自转。当风轮转过90°时，同步带传动的路程为小同步轮周长的1/4。因为同步带的传动，大同步轮转动相同的路程，根据L=θ×r，由于大同步轮与固定的小同步轮直径比为2：1，叶片旋转45°，此时风轮的支架以及叶片位置与初始位置是一样的，保证了挡风面始终在风轮旋转中心轴的同一侧，因此，该装置运行稳定，不会产生振动噪声，可以保持持续的较大的转距差。本作品依靠纯机械装置实现叶片角度调整，不涉及任何外部控制，其运行可靠性高，制造成本低。

3 理论设计计算

3.1 功率计算相关变量说明

A为风力机扫风面积，0．2 m2；V 为自然风速； ρ：空气密度，1．225kgm3；n为风力机叶片绕中轴旋转的转速； Cs1为传统S型风力机凹叶片对着来风的叶面的阻力系数，1．0； Cs2为传统S型风力机凸叶片对着来风的叶面的阻力系数，0．2； CP为风能利用系数； k：叶片角度同步调整装置的传动系数，0．94。

3.2 风能利用系数的理论计算

风力机获得的平均功率：旋转平面内净推力做功为 W：

风能输入的总功率：

风能利用系数：

此外，由于本模型中依靠同步轮及同步带将叶片与整个风轮间的运动关系联系起来，叶片角度同步调整装置的引入给风轮增加了阻力，所以在净推力前应该乘以一个传动系数 k，其值为0．94。叶片同步调整风轮的其余风能利用系数 CP计算步骤及公式与传统S型风轮一致。

分别由上述方法计算，由式(7)得出传统S型风轮和叶片同步调整风轮的风能利用系数，比较得到，引入叶片角度同步调整装置后，风能利用系数提高了25%以上。

4 与传统S型风机的对比试验

实际应用中，风能利用系数的高低直接影响风机的发电量，是衡量风机性能的重要指标。为了进一步验证引入叶片角度同步调整装置后对发电效率的提升，我们进行了对比试验。通过比较在相同风况下，由实验得出叶片面积相等的传统S型垂直轴风力机和同步调整的活动叶片垂直轴风力机的风能利用系数，比较两者的优劣。实验时，将叶片面积相等，叶片高度一致的两种风力发电机置于相同的风力环境下。并且在发电机输出端分别连接阻值大小相同的电阻，待两种风轮转动平稳后，由万用表测两者功率，由风速仪读出当前风速。实验为减小实验误差，每个风速下的实验重复三次，最后取有效数据平均值。

再根据风力机输出功率关系式：

分别由各实验风速下的两种风力机平均功率，根据上式得出该风速条件下两种风力机的风能利用系数。

用平滑曲线描绘实验数据点，得出两种风力机不同风速下的风能利用系数 CP-v曲线，如图2所示。

实验结果分析：由上图可以看出，在任何一个风速下，同步调整的活动叶片垂直轴风力机的风能利用系数均高于传统S型垂直轴风力机。传统S型垂直轴风机曲线峰值出现在7.6ms左右；而在风速为6.8m s左右时，同步调整的活动叶片垂直轴风力机风能利用系数达到峰值。故引入叶片角度同步调整装置后，风能利用系数峰值点前移，在更小的风速下就能达到大的风能利用系数，降低了对风资源的要求。此外，从图中可以看出，引入叶片角度同步调整装置后，曲线变宽，因此风速利用范围更广，更好地利用了风资源。

5 应用与推广

(1)可以应用在普通垂直轴风力发电机应用的区域，如为路灯，广告牌等公共设备供电。(2)此作品尤其适用于高楼间、山与山之间等由于狭谷效应产生的穿堂风，可以大力利用。(3)稍加改造，此作品的应用范围可推广到应用海流能发电等领域。(4)可以在叶片上加装液晶显示器，这样在无风的时候此产品变身成为360°可视的宣传板，可投放公益广告和商业广告。

6 结论与展望

本作品与传统S式垂直轴风机进行了对比计算，风能利用系数提高了25%，与水平轴风机相比也具有振动小、外形美观以及年可利用小时数高的优势。且本作品运行稳定，成本低。随着垂直轴风电技术的不断发展，成本逐步降低。本作品因其优良的性能、较低的成本、美观的外形，有望大规模投入利用，并且可以推广到海流能发电等领域，实现节能减排，具有广阔的前景。

[1]姚兴佳,田 徳.风力发电机组设计与制造[M].机械工业出版社,2012.10.

[2]陈忠维.垂直轴阻力型风力机功率计算方法研究[J].机械,2011(3):27-30.

[3]李伟东,吴东娟.2000-2007年风力发电设备市场评估及,2010年综合预测[J].现代零部件,2008(6).

[4]World Wind Energy Association.Worldwide wind energy boom in 2005:58982 MW capacity installed[R].Press Release,2006.

[5]田德.国内外风力发电技术的现状与发展趋势[J].农业工程技术(新能源产业),2007(1).

[6]张国铭(译).论制造兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性[J].国外风电机,2001(10).