改善垂直軸風(fēng)機(jī)效率的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量試驗(yàn)研究

吳偉斌 劉思遠(yuǎn) 李 榮 羅澤欣 陳海聰 羅朝軍 洪添勝

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室1，廣東 廣州 510642;國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室2，廣東 廣州 510642;華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院3，廣東 廣州 510642)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的效率是指發(fā)電機(jī)所發(fā)出的功率與風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積內(nèi)的風(fēng)能之比。目前，絕大部分研究都是針對(duì)自然風(fēng)狀態(tài)下提高發(fā)電效率［1－6］。而現(xiàn)實(shí)過程中，類似火車行駛、飛機(jī)起降所制造的風(fēng)大多具有風(fēng)速大、持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)。在這種條件下，風(fēng)機(jī)有效工作時(shí)間短、發(fā)電效率較低。

S型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有葉片簡(jiǎn)單、抗風(fēng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)［1－6］。Ushiyama等學(xué)者對(duì)S型風(fēng)機(jī)進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)效率的影響［7－12］。事實(shí)上，由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，單純從理論上分析難以真實(shí)地反映風(fēng)機(jī)性能的變化［13－15］。

本文對(duì)S型垂直軸風(fēng)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，在風(fēng)機(jī)葉片邊沿上采用加厚型設(shè)計(jì)(作為一種配重)，從而增加風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使風(fēng)機(jī)在停風(fēng)后的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，最終提高了風(fēng)機(jī)的效率。

1 研究方法

1.1 設(shè)計(jì)方案

本文通過利用試驗(yàn)室的大功率工業(yè)風(fēng)扇模擬自然風(fēng)，測(cè)試具有不同葉片質(zhì)量的風(fēng)能發(fā)電機(jī)的輸出電壓。利用虛擬儀器LabVIEW平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)輸出電壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)的構(gòu)建，并據(jù)此得出不同葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)風(fēng)能發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的影響。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.1 Block diagram of experiment scheme

1.2 試驗(yàn)理論基礎(chǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能先轉(zhuǎn)換成風(fēng)機(jī)葉片的動(dòng)能，再轉(zhuǎn)換成電能的裝置。在風(fēng)機(jī)的葉片上安裝配重，可以起到增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的作用。

風(fēng)機(jī)繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，角速度為ω、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J、質(zhì)點(diǎn)mi到主軸的垂直距離為ri，則任一點(diǎn)mi的速度為vi=riω，于是風(fēng)機(jī)的動(dòng)能為:

式中:∑mi為對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所有點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的積分，其值等于J。

理論分析表明，在同樣的風(fēng)源條件下，提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以增加風(fēng)機(jī)的動(dòng)能，同時(shí)延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)的發(fā)電時(shí)間，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)的效率。

1.3 風(fēng)機(jī)發(fā)電效率的計(jì)算

風(fēng)機(jī)發(fā)電效率的計(jì)算公式為:

①風(fēng)機(jī)的輸入功率

當(dāng)空氣流吹過風(fēng)輪掃面A時(shí)，其質(zhì)量流量為ρvA，每秒所攜帶的能量為:

式中:ρ為空氣密度，kg/m3，通常因風(fēng)速較低而視為不可壓縮流體;v為風(fēng)速，m/s;A為旋轉(zhuǎn)直徑D與高度H的乘積。

②風(fēng)機(jī)的輸出功率

風(fēng)能發(fā)電為間斷發(fā)電，實(shí)際應(yīng)用中一般將風(fēng)機(jī)所發(fā)的電存儲(chǔ)到蓄電池再使用，這個(gè)過程中須經(jīng)過整流、濾波、升壓、穩(wěn)壓等過程，電能轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步下降。風(fēng)機(jī)輸出功率測(cè)量方案示意圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)輸出功率測(cè)量示意圖Fig.2 Schematic diagram of the measurement of output power of wind turbine

試驗(yàn)時(shí)，采用負(fù)載箱等效設(shè)計(jì)了一個(gè)回路，用來代替充電電路，這樣輸出功率的計(jì)算大大簡(jiǎn)化。風(fēng)機(jī)輸出功率的計(jì)算公式為:

式中:R為負(fù)載的電阻值;U為負(fù)載兩端的電壓;I為流過負(fù)載的電流大小;φ為電壓與電流的功率因素角。

1.4 測(cè)試對(duì)象

①風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選用

試驗(yàn)所測(cè)試的風(fēng)機(jī)是一種S型垂直軸雙層葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其型號(hào)為JDX，輸出為三相交流電，額定輸出電壓為交流三相12 V，最大輸出功率為200 W。

②配重的設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)同樣規(guī)格、不同厚度的不銹鋼板作為配重，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的參數(shù)化改變。不銹鋼板的 GB牌號(hào)為0Cr18Ni9，規(guī)格為30 mm×300 mm(鋼片的長(zhǎng)度與風(fēng)機(jī)葉片的長(zhǎng)度相同，形狀相似)。預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)鋼板厚度超過8 mm時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)風(fēng)速由2 m/s提高至4.2 m/s，對(duì)實(shí)際應(yīng)用不利，故在1～7 mm中選擇配重，最終選定了2 mm、6 mm兩種規(guī)格。

配重的安裝過程為:將同一厚度的鋼片安裝在風(fēng)機(jī)各個(gè)葉片背面，在最大程度上與葉片形成黏合狀態(tài)，這樣可以減小旋轉(zhuǎn)時(shí)空氣阻力的影響。

③風(fēng)源的設(shè)計(jì)

采用大功率工業(yè)風(fēng)扇代替風(fēng)源。本試驗(yàn)選用型號(hào)為FS 75工業(yè)風(fēng)扇、額定電壓220 V、額定功率290 W。利用工業(yè)風(fēng)扇上的三檔調(diào)速器，使得風(fēng)速分別為12.7 m/s、11.6 m/s、9.80 m/s。

④負(fù)載的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中，采用便攜式AE200電子負(fù)載箱?，F(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，只有當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出電壓大于4 V，電能才能有效利用。預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用電阻箱時(shí)，由于風(fēng)機(jī)線圈繞組存在內(nèi)阻，當(dāng)電阻箱阻值大于80 Ω時(shí)，輸出電壓才能有效利用;而當(dāng)電阻箱取值大于500 Ω時(shí)，效率低于35%，風(fēng)機(jī)的輸出效率會(huì)下降，不符合實(shí)際應(yīng)用情況。因此，試驗(yàn)中阻值取為 100 Ω、200 Ω、360 Ω。

1.5 軟件界面

①軟件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)

主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of the main program

基于LabVIEW2010平臺(tái)，結(jié)合多功能數(shù)據(jù)采集卡DAQCard-6024E設(shè)計(jì)了S型結(jié)構(gòu)風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它主要完成對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器計(jì)數(shù)以及輸出電壓信號(hào)采集、處理、分析和數(shù)據(jù)保存及顯示等工作。

②操作界面

軟件操作界面分為試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)波形圖顯示兩部分。

通過設(shè)定采樣頻率、配重的厚度以及負(fù)載的大小，便可以計(jì)算出瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、轉(zhuǎn)速和角加速度。該界面不僅可以實(shí)時(shí)顯示電壓、功率、轉(zhuǎn)速;而且它也可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，為后期數(shù)據(jù)處理使用。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

①試驗(yàn)因素水平表的確定

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是本次試驗(yàn)主要考察的因素，風(fēng)力和負(fù)載的大小對(duì)求解發(fā)電效率會(huì)有較大的影響。正交試驗(yàn)水平因素設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)水平因素表Tab.1 Level factors of orthogonal experiment

②試驗(yàn)步驟

step 1:按照試驗(yàn)原理圖搭接好電路，3臺(tái)工業(yè)風(fēng)扇相互成60°夾角擺開(風(fēng)扇由一個(gè)開關(guān)同時(shí)控制)，風(fēng)機(jī)置其前方20 cm處。

step 2:按照正交試驗(yàn)水平因素表，利用萬用表以及數(shù)顯式風(fēng)速儀調(diào)節(jié)負(fù)載箱負(fù)載和工業(yè)風(fēng)扇的檔位。

step 3:啟動(dòng)LabVIEW平臺(tái)和工業(yè)風(fēng)扇，2 min后停止工業(yè)風(fēng)扇;待風(fēng)機(jī)輸出電壓為0時(shí)，關(guān)閉LabVIEW平臺(tái)，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，記下試驗(yàn)指標(biāo)即發(fā)電量。

step 4:根據(jù)表1重復(fù)step 2，并填寫試驗(yàn)表格;然后根據(jù)風(fēng)力大小，求解風(fēng)功率和風(fēng)機(jī)效率。

③正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

以各次試驗(yàn)的發(fā)電效率作為指標(biāo)，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電效率的影響的正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析。分析表明:配重對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電效率的影響極顯著、負(fù)載對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電效率影響顯著、風(fēng)速對(duì)風(fēng)機(jī)發(fā)電效率影響的影響不顯著。風(fēng)機(jī)發(fā)電效率與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載和風(fēng)源對(duì)電壓信號(hào)采集的影響作用逐漸減小。

④正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析圖Fig.4 Range analysis of orthogonal experimental data

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

隨著配重厚度的增加，風(fēng)機(jī)發(fā)電效率顯著提高;而負(fù)載的變化也會(huì)使風(fēng)機(jī)發(fā)電效率有一定變化;對(duì)于風(fēng)速，隨著風(fēng)速的增大，發(fā)電效率有所提高，但影響并不顯著。

3 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)效率的影響

完成正交試驗(yàn)后，補(bǔ)充單因素多水平試驗(yàn)，即在不改變風(fēng)力、負(fù)載的情況下，只改變配重進(jìn)行單項(xiàng)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)提高風(fēng)機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)換效率的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 單因素多水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.2 Single factor and multi-level experimental data

由單項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率從不加配重時(shí)的36.12%增加到加上7 mm配重時(shí)的37.72%，效率有明顯的提高，試驗(yàn)數(shù)據(jù)示意圖如圖5所示。

圖5 單因素多水平試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.5 Single factor and multi-level experimental data chart

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)表明，小型風(fēng)機(jī)在風(fēng)洞試驗(yàn)室等較為理想的試驗(yàn)條件下，其最大效率為40% ～41%。通過單因素多水平試驗(yàn)，可以計(jì)算得出:在本試驗(yàn)環(huán)境中，從不加配重時(shí)的風(fēng)機(jī)發(fā)電效率為36.12%提高到加2 mm厚的鋼板時(shí)效率為36.81%，從加4 mm厚的鋼板時(shí)效率為37.23%提高到加7 mm厚的鋼板時(shí)效率為37.72%。

［1］李宇紅，張慶麟.風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪三維流動(dòng)特性與氣動(dòng)性能的數(shù)值分析［J］.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29(9):1172 －1174.

［2］趙振宙，鄭源.螺旋型S型垂直風(fēng)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009(26):75－78.

［3］毛軍，楊立國(guó)，郗艷紅.大型軸流風(fēng)力機(jī)葉片的氣動(dòng)彈性數(shù)值分析研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(11):133 －139.

［4］祝賀，徐建源.風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪氣動(dòng)性能三位流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010(17):85－90.

［5］張仲柱，王會(huì)社，趙曉路，等.水平軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪氣動(dòng)性能研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28(5):781 －783.

［6］ 廖明夫，Gasch R，Twele J.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)［M］.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2009:105－107.

［7］ 趙欣.垂直軸三葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī):中國(guó)，201010137349［P］.2010－08－04.

［8］伍艷，謝華，王同光.風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪的非定常氣動(dòng)特性計(jì)算方法的改進(jìn)［J］.工程力學(xué)，2008，25(10):54 －59.

［9］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:24－57.

［10］Altan B D，Atlgan M，Ozdamar A.An experimental study on improvement of a Savonius rotor performance with curtaining［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2008(32):1673 －1678.

［11］Liu T R，Ren Y S.Aeroelastic stability of wind turbine rotor based on Beddoes-Leishman model［C］∥IEEE International Symposium on Knowledge Acquisition and Modeling Workshop Proceedings，Wuhan，2008:605 －608.

［12］Kamojia M A，Kedarea S B，Prabhub S V.Performance tests on helical Savonius rotors［J］.Renewable Energy，2009(34):521 －529.

［13］Kunio I，Jitendro N R.Characteristics of wind power on Savionius rotor using a guide-box tunnel［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2007(32):580 －586.

［14］Menet J L.A double-step Savonius rotor for local production of electricity:a design study［J］.Renewable Energy，2004(29):1843 －1862.

［15］Veers P S，Ashwill T D，Sutherland H J，et al.Trends in the design，manufacture and evaluation of wind turbine rotor［J］.Wind Energy，2003，6(3):245 －259.

［16］Duquette M M，Visser K D.Numerical implications of solidity and blade number on rotor performance of horizontal-axis wind turbines［J］.Solar Energy Engineering，2003，125(4):425 －432.

［17］Chanin T，Sarun B，Sankar L N.Numerical simulation of the aerodynamics of horizontal axis wind turbines under yawed flow conditions［J］.Journal of Solar Energy Engineering，2005，127(4):464 －474.

［18］Abba A，Cercignani C，Valdettaro L.Analysis of subgrid scale models［J］.Computers and Mathematics With Applications，2003，46(4):521 －535.

［19］Wissink J G.DNS of separating low Reynolds number flow in a turbine cascade with incoming wakes［J］.International Journal of Heat and Fluid Flow，2003，24(4):626－635.