关于一种能够实现自适应阻升转换的垂直轴风力发电机的研究

蔡志宏 余淑婷 万艳 谢秀齐

广东理工学院 广东 肇庆 526000

引言

作为可再生清洁能源中科技研究发展速度最快的发电方式，风能发电拥有广阔的应用市场，也是人们在可再生清洁能源中最关注的一种能源转换方式。风力发电机可细分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机，水平轴风力发电机体积大、不能接受风向偏航，必须安装在地势较高、风力较强的偏远地区。而垂直轴风力发电机风轮旋转轴与风向垂直，风轮的转动方向与风向无关，相较水平轴风力发电机组结构简单、噪音低、安全性好、易维护[1]。为了达到自启动和高转换率同时兼容的问题，设计了一种自适应阻升转换的垂直轴风力机，这是一种新的组合方式。其创新点在于该风力机可以通过测速仪测量风速大小，根据风速改变每个叶片的大小从而变更捕风方式，实现阻力风力机和升力风力机的转换。

1 设计原理

该风力机属于一种新的组合方式，特征在于风力发电机通过测速仪测量风速大小，每个叶片可以根据风速的大小变更捕风方式。在低风速的时候，叶轮风速测速仪通过测量风速，当风速低于升力风力机的最低启动速度的时候，根据风速的大小，风轮的叶片进行折叠，在根据此时的风速大小，来决定叶片的折叠程度。但风速高于升力模式的风力机的启动速度时，将转换为升力模式，提高风力机的高效率问题。

风力机的最主要的就是将周围流动的空气转换为能量，所以风能的利用率决定着风力机的性能，虽然阻力型的风力机可以提供较高的的转矩，但是风能的利用率较低，例如传统的阻力风力机风能的利用率只有15%，低效率的原因就是当一个叶片顺风运动时，另一片叶片处于逆风运动。而升力状态下的发电模式，风力机的风能利用率可以达到35%左右[2]。为了充分将不同速度的风利用起来，风力机可以实现阻力风力机和升力风力机的转换。

1.1 低风速转换

在风速达不到升力模式的时候，叶轮风速测速仪测得风速大小，输出脉冲信号至主MCU芯片，通过算法计算，输出信号至步进电机，步进电机带动齿轮，更改风轮叶片的方式。

1.2 高风速转换

在风速达到升力模式的时候，叶轮风速测速仪测得风速大小，输出脉冲信号至主MCU芯片，通过算法计算，输出信号至步进电机，步进电机带动齿轮，更改风轮叶片的方式。风轮作为整个风力机的重要构件，不仅将流体的动能装换为风轮的机械能，而且还要承受风叶以及其他构件，所以风轮的设计对风力机的性能和安全性起着至关重要的作用[3]。自适应阻升转换垂直风力机的风轮主要由机翼截成前后两部分，可实现整个叶片的张开，实现升力和阻力模式的转换。前机翼的活动范围比后机翼的活动范围大。

2 测风速传感器的工作原理与实现方法

2.1 传感器的工作原理

该装置的风速采集传感器采用脉冲式风速测量传感器，脉冲式风速测量传感器能够实现该测量装置与风力机结合在一起，大幅度降低安装设备的难度，脉冲式传感器的优点就是体积小、质量小、原理简单，降低维修设备的难度，同时能够将风速的模拟量和电子的脉冲数进行转换，并且将其与单片机相连，实现与单片机的数据采集，采集的数据清晰、准确[4]。

2.2 检测的方法

脉冲式风速测量传感器的基本原理就是风速带动传感器，叶片转动时引发的光电编码器输出信号，通过对单位时间内脉冲信号计数，实现风速的测量。该传感器采用工业塑料制成的风杯式传感器作为传感元件。当风吹起时，风推动叶片旋转，叶片轴部的光电编码器对转动的圈数进行计算，当叶片转动一圈，光电编码器输出一个脉冲信号，本风力机将光电编码器与主MCU单片机的输入引脚结合子在一起，通过单片机内部的计数器，即可实现对脉冲信号的计数，进而实现风速的测量。

3 结束语

随着国家对可再生清洁能源寄托的期望越来越高，风能发电具有十分广阔的发展前景。本文提出一种小型垂直轴风力发电机的设计结构，主要由叶片、传感器、主MCU单片机等结构件组成，垂直轴风力发电机组的发展和应用必在市场上具有巨大发展潜力。