一種新型的垂直軸可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)

王錦亞 鄭梅生

摘? ?要：作為可再生清潔能源的利用，風(fēng)能發(fā)電具有廣闊的應(yīng)用市場，因此對風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率的研究一直受到重視。本文提出一種新型垂直軸可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析，采用雙曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)翼在受風(fēng)轉(zhuǎn)動時的兩個極限位置，提高了風(fēng)能的利用效率。

關(guān)鍵詞：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)? 可變翼? 結(jié)構(gòu)與運(yùn)動分析

中圖分類號：TH111? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0053-03

Abstract： Wind power generation has a broad application market as the utilization of renewable and clean energy， thus the research on the efficiency of wind energy conversion has been paid attention to. In this paper， a new type of vertical axis and variable wing turbines is presented， and its structure design and mechanism motion analysis are carried out， and the double crank mechanism realizes the two limit positions of the wind wing when it rotates in the wind， which improves the utilization efficiency of wind energy.

Key Words： Vertical axis wind turbines; Variable wing; Structural motion analysis

隨著國家對生態(tài)文明建設(shè)重視程度的不斷提高，可再生能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]受到了極大的推動。其中，風(fēng)能的轉(zhuǎn)換利用尤為受到重視。人類利用風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)歷經(jīng)了數(shù)千年的時間，早在19世紀(jì)的丹麥，人類就已經(jīng)開始了對風(fēng)力發(fā)電場的建設(shè)。到19世紀(jì)80年代末期，第一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)由美國制造成功，直至1990年，新一代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雛形才逐步形成，其主軸分水平布置和垂直布置兩種。由于人們普遍認(rèn)為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率高于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，使得垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期得不到發(fā)展。近年來，由于升力型風(fēng)輪的出現(xiàn)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率[2]大大提高，但阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍然存在風(fēng)能利用率低的問題。本文在提高風(fēng)能利用效率方面，提出一種新型的可變翼垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)與運(yùn)動分析。

1? 國內(nèi)外垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況

1.1 國外垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況

進(jìn)入21世紀(jì)之后，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究取得了極大的進(jìn)展，很多形象各異的商用小型垂直軸風(fēng)力機(jī)（Vertical Axis Wind Turbines， VAWT）已成功投入市場。

比如美國Mag-Wind 公司的屋頂VAWT系統(tǒng)，他們推出的具有鮮明特色的VAWT解決了其他形式風(fēng)力渦輪機(jī)的很多技術(shù)不足，鮮明地把別墅樓群的屋頂作為搭建風(fēng)機(jī)的平臺，并持續(xù)以降低成本作為努力的方向。又如加拿大Cleanfield Energy 公司的屋頂VAWT系統(tǒng)，該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品是升力槳葉型3.5KW的VAWT，專門為民用和商用建筑屋頂而設(shè)計，離網(wǎng)和并網(wǎng)情況下均可以使用。這種系統(tǒng)的突出特點(diǎn)在于緊湊結(jié)實(shí)，且部件數(shù)少于同功率水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，大大節(jié)約了維護(hù)費(fèi)用，使用壽命可達(dá)20～30年。同類產(chǎn)品還有很多，本文就不再一一介紹。

1.2 國內(nèi)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況[3]

在我國，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)能發(fā)展歷史上早早地就邁開了前進(jìn)的步伐。

2006年7月22日，中國垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)基地在內(nèi)蒙古化德縣正式啟動運(yùn)行，其與常規(guī)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，單位千瓦能力投資可下降50%左右。目前，實(shí)用型1.5MW大樣機(jī)已于2008年正式定型生產(chǎn)，這對我國的風(fēng)力發(fā)電起到重大的推動作用。

2? 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要類型介紹

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要特征，是指旋轉(zhuǎn)軸與地面垂直，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)平面與風(fēng)向平行。通過與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較，我們不難發(fā)現(xiàn)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有發(fā)電機(jī)傳動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等裝置在地面或低空，便于維護(hù)，易檢修，壽命長，而且不需要迎風(fēng)裝置等優(yōu)點(diǎn)，其在簡化自身結(jié)構(gòu)的同時也降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本。垂直軸風(fēng)力機(jī)分為阻力型和升力型兩個主要類別。

2.1 阻力型風(fēng)力機(jī)

杯式風(fēng)速計是最簡單的阻力型風(fēng)力機(jī)。來自法國的工程師Lafond受到離心式風(fēng)扇和水利機(jī)械中渦輪的啟發(fā)，發(fā)明了一種阻力推進(jìn)型的垂直軸風(fēng)力機(jī)。S型風(fēng)輪是典型的阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)[4]，由來自芬蘭的工程師薩窩紐斯（Savonius）在20世紀(jì)20年代發(fā)明。S型風(fēng)輪由軸線相互錯開一段距離的兩個半圓筒形葉片組成。該風(fēng)力機(jī)具有起動轉(zhuǎn)矩較大，啟動性能良好的優(yōu)點(diǎn)，但其低轉(zhuǎn)速也使得其風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力機(jī)，且在運(yùn)行中圍繞風(fēng)輪產(chǎn)生的不對稱氣流也會使其產(chǎn)生側(cè)向推力，帶來安全隱患。尤其對于較大型的風(fēng)力機(jī)而言，由于受低轉(zhuǎn)速、垂直軸偏轉(zhuǎn)和安全極限應(yīng)力的限制，使得其缺少了一定競爭力。

2.2 升力型風(fēng)力機(jī)

升力型風(fēng)力機(jī)是利用翼型的升力做功，其中最典型的是法國的工程師戴瑞斯（G-J-M-Darrieus）發(fā)明的戴瑞斯型（Darrieustype）風(fēng)力機(jī)，于1931獲得專利。美國Sandia實(shí)驗(yàn)室和加拿大國家空氣動力實(shí)驗(yàn)室的大量試驗(yàn)研究，證明了戴瑞斯型風(fēng)力機(jī)具有最高的風(fēng)能利用系數(shù)。針對葉片的不同形狀，該風(fēng)力機(jī)可分為直葉片和彎葉片兩種，且其翼形以對稱翼形為主。彎葉片（型）通過固定幾何形狀來使葉片只承受張力而不承受離心力，這也導(dǎo)致其不便采用變槳距的方法來控制轉(zhuǎn)速，且葉片的制造成本也高于直葉片。相較之下，直葉片（H型）通過輪轂臂和拉索的支撐，為其避免了過大的離心力和彎曲應(yīng)力，不過，這些支撐會導(dǎo)致氣動阻力的產(chǎn)生，對其效率造成負(fù)面影響。如圖1所示，戴瑞斯型風(fēng)力機(jī)包括H型、 型、Y型和型等，其中以H型風(fēng)機(jī)和型風(fēng)機(jī)最為典型。

3? 阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)存在的不足

導(dǎo)致阻力型風(fēng)力機(jī)風(fēng)能利用率低的主要原因是在其面臨來流沖擊時，只有其迎風(fēng)一側(cè)受到有效的推力，與此同時另一側(cè)受到的卻是阻力，顯然這兩者的合力才是推動風(fēng)輪葉片旋轉(zhuǎn)做功的有效力，從而大大地降低了對風(fēng)能的利用效率。針對這一問題，本文提出一種新型的垂直軸可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其能很好地應(yīng)對背風(fēng)一側(cè)的阻力損失問題。其外觀如圖2所示。

4? 新型可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)說明與運(yùn)動分析

4.1 結(jié)構(gòu)組成

該新型的可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，包括機(jī)座，機(jī)座上通過平鍵固定安裝一豎直的階梯軸，在階梯軸上設(shè)置有能轉(zhuǎn)動的上、下兩端蓋，上下端蓋之間通過曲柄安裝了數(shù)個風(fēng)翼裝置，每個風(fēng)翼裝置分別由上、下兩連接桿、一根偏心桿、一塊風(fēng)翼板（葉片）以及上中下三個曲柄所組成。其中上曲柄一端與階梯軸頂部的凸軸鉸接，另一端通過銷軸并穿過上連接桿與中曲柄保持相對固定，而風(fēng)翼板便通過兩端的插孔相對固定在中曲柄和下曲柄之間，其結(jié)構(gòu)裝配圖如圖3所示。

4.2 頂部可變翼結(jié)構(gòu)的分析

4.2.1 可變翼結(jié)構(gòu)的功能分解

目前的垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)翼板只是做簡單的循環(huán)周期轉(zhuǎn)動，風(fēng)翼板與豎直軸方向的夾角是固定不變的，因此其受風(fēng)區(qū)域和有效面積受到了很大限制。本文提出的新型可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其變翼的含義是將風(fēng)翼板的迎風(fēng)區(qū)域和背風(fēng)區(qū)域進(jìn)行周期性變換，達(dá)到提高風(fēng)能利用效率的目的。

風(fēng)翼板在受風(fēng)啟動后，需要不斷地調(diào)整迎風(fēng)區(qū)域和背風(fēng)區(qū)域，則自然希望風(fēng)翼板能進(jìn)行自動地?fù)Q向調(diào)節(jié)。因此需要設(shè)計相應(yīng)的運(yùn)動機(jī)構(gòu)和能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。對這兩個機(jī)構(gòu)的功能作進(jìn)一步分析，可知它們分別應(yīng)該實(shí)現(xiàn)下列基本運(yùn)動（運(yùn)動流程圖如圖4所示）：

因此，可變翼運(yùn)動應(yīng)該包含兩個基本運(yùn)動：運(yùn)動軸線繞階梯軸轉(zhuǎn)動、受風(fēng)方向和受風(fēng)面積周期性變換。此外，在改變風(fēng)翼板的受風(fēng)方向時，應(yīng)盡量保持運(yùn)動的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換和減小機(jī)構(gòu)間的摩擦。針對以上要求，本文采用了連桿機(jī)構(gòu)和偏心結(jié)構(gòu)，具體分析如下。

4.2.2 頂部可變翼四桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析

本文提出的新型垂直軸可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其可變翼的功能主要是依靠階梯軸頂端部分的偏心桿、上連接桿、上曲柄以及軸上兩固定支點(diǎn)所組成的雙曲柄機(jī)構(gòu)[5]來實(shí)現(xiàn)，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖5、6所示（以一對風(fēng)翼板為例）。

計算其自由度：

F=3n-2PL-PH=3×3-2×4-0=1，原動件為1個時，機(jī)構(gòu)有確定的運(yùn)動。

由圖6的雙曲柄機(jī)構(gòu)簡化圖可以作以下分析：

四桿長度確定：

L上連接桿=66mm，L兩固定支點(diǎn)=10mm，

L騙心桿=64.5mm，L上曲柄=14.5mm

用桿長之和條件驗(yàn)證（雙曲柄條件）：

（1） L最短桿+L最長桿≤L剩余桿1+L剩余桿2

2）最短桿為機(jī)架;故滿足雙曲柄機(jī)構(gòu)條件，上連接桿和偏心桿均為曲柄。

以上機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)翼板一端與風(fēng)向垂直，另一端與風(fēng)向平行的兩極限位置，如圖7所示：

由圖7可知，迎風(fēng)一側(cè)與風(fēng)向垂直成90°夾角，背風(fēng)一側(cè)與風(fēng)向平行成0°夾角，此時受風(fēng)的有效面積最大，風(fēng)能的利用效率最高。

5? 結(jié)論

本文主要提出了一種新型的垂直軸可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在通過對國內(nèi)外垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展?fàn)顩r的簡要概括后，詳細(xì)介紹并分析了其在結(jié)構(gòu)與運(yùn)動方面的特點(diǎn)：（1）垂直軸采用階梯軸，在階梯軸上布置有滑動軸承和滾動軸承，并安裝有上下兩端蓋以實(shí)現(xiàn)風(fēng)翼的轉(zhuǎn)動，有效地增加了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;（2）布置在上端蓋上的雙曲柄機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)翼在受風(fēng)轉(zhuǎn)動時的兩個極限位置，即一端與風(fēng)向平行，另一端與風(fēng)向垂直，最大程度的提高了風(fēng)能的利用效率。

隨著國家對可再生清潔能源寄托的期望越來越高，風(fēng)能發(fā)電具有十分廣闊的發(fā)展前景。就本文提出的新型垂直軸可變翼風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其可變翼結(jié)構(gòu)不僅使風(fēng)能得到最大限度地利用，而且還具有安全、可靠等諸多方面的優(yōu)越性，因此具有較好的應(yīng)用前景。

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