文 | 杜志強,徐慶坤
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垂直軸風電機組模型制作與研究*
文 | 杜志強,徐慶坤
由于H型垂直軸風電機組的特性,因此它的應(yīng)用方式、應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了改變。水平軸風電機組由于噪聲、對風向等問題,要么用于風電場,要么用于邊遠地區(qū)解決無電問題,這些應(yīng)用場合都遠離城市中心區(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,如今的風電機組以水平軸為主,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)風能資源條件的限制。然而垂直軸風電機組恰好能填補這些自然條件缺陷,并且可接地氣性強,具有在廣大農(nóng)村推廣的潛力。針對以上情況,垂直軸風電機組則可以提供很好的補充,這些風電機組產(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電機組中,H型風電機組又由于其結(jié)構(gòu)方面的特點,具有很大的發(fā)展?jié)摿?。因此對于H型垂直軸風力發(fā)電模型的研究具有重要意義。
一、基本原理
風力發(fā)電的原理,是利用風力帶動風車葉片旋轉(zhuǎn),再通過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升,來促使發(fā)電機發(fā)電。依據(jù)目前的風電機組技術(shù),當風向發(fā)生變化時,相比水平軸風電機組的對風偏航系統(tǒng),垂直軸風電機組不管風向是否會發(fā)生變化,都無需對風,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,而且也減少了風輪對風時的陀螺力。
二、 H型垂直軸風電機組技術(shù)原理
該技術(shù)采用空氣動力學原理,針對垂直軸旋轉(zhuǎn)的風洞模擬,葉片選用了飛機翼形形狀,在風輪旋轉(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輪,由風輪帶動稀土永磁發(fā)電機發(fā)電送往控制器進行控制,輸配負載所用的電能。
三、功率特性
根據(jù)H型垂直軸風電機組的原理,風輪的轉(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,垂直軸風電機組的額定風速較現(xiàn)有水平軸風電機組要小,并且它在低風速運轉(zhuǎn)時發(fā)電量也較大。
一、垂直軸風力發(fā)電模型整體機構(gòu)設(shè)計
風電機組模型整體結(jié)構(gòu)由葉片、盤式發(fā)電機(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
考慮到風電機組的整體結(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,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),將永久性強磁固定在強度塑料板上做成轉(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。
三、垂直軸風電機組葉片設(shè)計
為了滿足120W電機的負載需求,我們選擇了三頁片的H型垂直軸風電機組葉片,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,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行磨具加工,具有輕質(zhì)、安全并且成本低和易加工、改進、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
通過機械載荷計算,我們選擇用5mm的鋁板做機箱材料,這樣才能達到較強的支撐結(jié)構(gòu)和配重比,便于整體機組的穩(wěn)定??刂葡渲邪惭b控制板的結(jié)構(gòu)件考慮到強度、絕緣、易加工和便于安裝等因素,故選用3mm的環(huán)氧板加工。
一、H型風電機組整機模型組裝
完成整機組裝的垂直軸風電機組模型如圖4所示,在整機設(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,并且在銀錠的距離上緊固絲桿,使得整體穩(wěn)固效果加強,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行緊固和避震,以保證風電機組安全高效運行。
(四)葉片支架在傳統(tǒng)的矩形構(gòu)建方式下改進設(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,我們選用和風電機組葉片中心等高的大功率落地扇(風速可調(diào))作為風源,對風電機組進行了發(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)
本次研究主要針對H型風電機組的經(jīng)濟性和實用性進行了探索,同時也是為了滿足專業(yè)教學的需要。由圖5的結(jié)果可以看出:該風電機組的啟動風速在2m/s左右,當風速為10m/s時,可獲得最大功率30W,這主要跟風電機組的結(jié)構(gòu)有關(guān)。該H型垂直軸風電機組已經(jīng)達到了設(shè)計和研究的目的。
H型垂直軸風電機組不管是對風能資源的要求,還是對地域的要求,其適應(yīng)性都非常強,也必將是未來新能源普及中必不可少的一部分。因此,無論是教學還是應(yīng)用,對H型垂直軸風電機組模型的設(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)學院)
*基金項目:2014年天津中德職業(yè)技術(shù)學院校級科技項目“垂直軸風電機組模型研究”,項目編號:zdkt2014-003