一種曲面百葉窗式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)＊

孟憲哲，李鋒，魏紅梅

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

在現(xiàn)代社會(huì)，隨著各種自然資源的不斷損耗，能源問(wèn)題逐漸加重，可再生資源逐漸進(jìn)入人們的視野。其中，風(fēng)能逐步成為我們關(guān)注的焦點(diǎn)，這使風(fēng)能的利用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。風(fēng)力發(fā)電已成為當(dāng)今社會(huì)利用風(fēng)能最主要的形式。BNEF重磅發(fā)布：在 2019年全球陸上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī)容量為53.2GW，海上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī)容量達(dá)到7.5GW的歷史最高水平。其中，中國(guó)的裝機(jī)量位居世界前列。中國(guó)在2019年新增裝機(jī)容量為 28.9GW，其中陸上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī)26.2GW，海上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī) 2.7GW，全球市場(chǎng)占比48%。

因此，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對(duì)于我國(guó)乃至全球在解決能源問(wèn)題上已成為重中之重。其中，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于發(fā)電效率相比于水平軸風(fēng)機(jī)較低，目前還沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)化。曲面百葉窗式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠減小風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)阻力，提升風(fēng)機(jī)發(fā)電效率。

1 百葉窗式結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

1.1 百葉窗的歷史

百葉窗即窗子的一種樣式，發(fā)源于中國(guó)。在我國(guó)的古代的房屋中，有直條的叫直欞窗，還有橫條的叫臥欞窗。在戰(zhàn)國(guó)到漢代中的各個(gè)朝代之間都有使用。在現(xiàn)代，百葉窗是由美國(guó)人約翰·漢普森（John Hampson）創(chuàng)造的。通過(guò)各個(gè)時(shí)期百葉窗的發(fā)展來(lái)看，水平式的百葉窗為百葉窗的基本原型。

1.2 百葉窗的結(jié)構(gòu)

百葉窗是采用一種條形的葉片，通過(guò)平行的排列方式，由一根根梯繩將扇葉串聯(lián)起來(lái)。人們可以通過(guò)調(diào)節(jié)梯繩來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入到室內(nèi)的光線，起到遮陽(yáng)與通風(fēng)的作用。其葉片多以竹片、塑料、鋁板制作而成，當(dāng)多個(gè)葉片彼此嵌掣緊密時(shí)，能夠起到一定的抗風(fēng)作用。

1.3 百葉窗式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前，使用各種辦公室、酒店的裝飾材料布置家庭，已經(jīng)成為家庭裝飾的又一新潮流。在這當(dāng)中，各種百葉窗簾是被采用較多的裝飾材料之一。百葉窗分為金屬制品和塑料制品兩大類，都很好擦洗。另外，可調(diào)性是百葉窗的一大優(yōu)點(diǎn)，能夠隔絕空間又不影響室內(nèi)采光，深受人們喜愛(ài)。

百葉窗式結(jié)構(gòu)通過(guò)科學(xué)的設(shè)計(jì)風(fēng)道，能夠補(bǔ)償管道流量損失，具有運(yùn)轉(zhuǎn)低噪音、大風(fēng)量、壽命長(zhǎng)久等優(yōu)點(diǎn)。廣泛適用于會(huì)客廳、辦公室、商場(chǎng)等公共場(chǎng)所。目前，百葉窗式結(jié)構(gòu)并未在風(fēng)電領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2 垂直軸風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 垂直軸風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀

垂直軸風(fēng)力發(fā)電技術(shù)并非新技術(shù)，相比于水平軸機(jī)組，不需要偏航系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)不需要布置在高空中。有資料顯示國(guó)外做過(guò)兆瓦級(jí)的垂直軸實(shí)驗(yàn)型機(jī)組。也有多兆瓦的概念機(jī)型在論證中。目前常見(jiàn)的垂直軸機(jī)組多為微小型發(fā)電機(jī)。僅憑前兩點(diǎn)并不能確定其有真正的成本優(yōu)勢(shì)。任何新產(chǎn)品量化后單體成本都會(huì)大幅降低，但這只是相對(duì)其自身的比較。水平軸機(jī)型作為絕對(duì)的主力機(jī)型，由于供應(yīng)鏈健全，技術(shù)相對(duì)成熟，可見(jiàn)預(yù)期內(nèi)，在大型風(fēng)電市場(chǎng)上穩(wěn)壓垂直軸機(jī)型。

目前，由于全球變暖，可再生資源不斷被消耗，使得風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到人們的重視，可謂發(fā)展前景廣闊。但是，對(duì)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在與水平軸發(fā)電機(jī)的對(duì)比上明顯占據(jù)弱勢(shì)，使得垂直軸發(fā)電機(jī)一直處于不受關(guān)注的狀態(tài)。

2.2 垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

《“十三五”規(guī)劃》指出風(fēng)電消納利用目標(biāo)：到2020年，有效解決棄風(fēng)問(wèn)題，“三北”地區(qū)全面達(dá)到最低保障性收購(gòu)利用小時(shí)數(shù)的要求。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)：風(fēng)電設(shè)備制造水平和研發(fā)能力不斷提高，3-5家設(shè)備制造企業(yè)全面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，市場(chǎng)份額明顯提升。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)風(fēng)機(jī)使用的要求也越來(lái)越高，就目前國(guó)外風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)而言，將沿著風(fēng)機(jī)容量不斷增大、高效化、高速小型化和低噪音的方向發(fā)展。

資料顯示，垂直軸風(fēng)機(jī)在未來(lái)具有良好的發(fā)展趨勢(shì)。目前，對(duì)于垂直軸風(fēng)機(jī)的改進(jìn)倍受關(guān)注，風(fēng)電技術(shù)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)！

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 方案內(nèi)容

本設(shè)計(jì)主要是對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)扇葉的一種改進(jìn)，提出了一種新型風(fēng)葉結(jié)構(gòu)，并通過(guò)該結(jié)構(gòu)來(lái)減少風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的阻力作用，進(jìn)而提升風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。

本設(shè)計(jì)為一種曲面百葉窗式風(fēng)力發(fā)電裝置，包括發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)軸和百葉窗式曲面扇葉等，風(fēng)機(jī)軸底端與發(fā)電機(jī)的電機(jī)軸傳動(dòng)連接，風(fēng)機(jī)軸上豎直安裝有若干均勻分布的曲面扇葉支架，曲面扇葉支架內(nèi)橫向活動(dòng)安裝有若干百葉窗式曲面扇葉，且每個(gè)曲面扇葉支架內(nèi)的若干個(gè)百葉窗式曲面扇葉并排形成一個(gè)整體阻風(fēng)裝置；本設(shè)計(jì)是利用自然環(huán)境資源的綠色環(huán)保的高效率的風(fēng)力發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工制造。采用橫向曲面百葉窗式阻風(fēng)裝置后，橫向曲面百葉窗式扇葉相比于傳統(tǒng)扇葉能夠更巧妙的利用重力的影響，進(jìn)一步減小垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)阻力與運(yùn)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)阻力，提高風(fēng)力的發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)壓起動(dòng)，減小了風(fēng)力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的能量損失。

3.2 百葉窗式阻風(fēng)裝置介紹

以下請(qǐng)結(jié)合附圖對(duì)本裝置進(jìn)行說(shuō)明。

圖1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

附圖說(shuō)明：1-發(fā)電機(jī)；2-風(fēng)機(jī)軸；3-曲面扇葉支架；4-百葉窗式曲面扇葉。

請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，整體阻風(fēng)裝置設(shè)置有四個(gè)，且四個(gè)整體阻風(fēng)裝置以風(fēng)機(jī)軸為中心軸兩兩對(duì)稱分布。四個(gè)曲面扇葉支架之間通過(guò)螺絲固定安裝有連接套，連接套固定套裝于風(fēng)機(jī)軸上。連接套與風(fēng)機(jī)軸之間通過(guò)銷釘插接固定，防止連接套與風(fēng)機(jī)軸連接松動(dòng)。風(fēng)機(jī)軸與發(fā)電機(jī)的電機(jī)軸之間通過(guò)聯(lián)軸器固定連接或通過(guò)齒輪箱傳動(dòng)連接。

總的來(lái)說(shuō)，該阻風(fēng)裝置是對(duì)百葉窗與風(fēng)機(jī)扇葉的一種新型的結(jié)合，以一種新型的扇葉來(lái)帶動(dòng)垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)展。

3.3 具體實(shí)施方式

具體的，如圖2該裝置使用時(shí)，當(dāng)有風(fēng)經(jīng)過(guò)曲面百葉窗式阻風(fēng)裝置時(shí)，風(fēng)流吹動(dòng)右側(cè)百葉窗式曲面扇葉，使百葉窗式曲面扇葉關(guān)閉，使之與曲面扇葉支架形成一個(gè)不透風(fēng)的整體；在風(fēng)力的推動(dòng)下，百葉窗式阻風(fēng)裝置通過(guò)曲面扇葉支架繞風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；左側(cè)百葉窗式曲面扇葉在風(fēng)力作用下打開而減小旋轉(zhuǎn)阻力。如此周而復(fù)始的運(yùn)轉(zhuǎn)，便產(chǎn)生較大的動(dòng)力，通過(guò)風(fēng)機(jī)軸傳遞給底部的發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖2 風(fēng)機(jī)俯視圖

本裝置制作難點(diǎn)為該阻風(fēng)裝置（由多個(gè)百葉窗式小型單體扇葉組成的裝置）內(nèi)部的小型單體扇葉之間重合的微小區(qū)域。該區(qū)域是保證阻風(fēng)裝置能夠改變阻風(fēng)能力的關(guān)鍵。該裝置內(nèi)部的小型單體扇葉自轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦和相互之間的碰撞也是又一制作重點(diǎn)。

4 其他功能

4.1 裝置內(nèi)部系統(tǒng)

本裝置內(nèi)裝有風(fēng)向儀、風(fēng)速傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、穩(wěn)壓器等電子元件。

4.2 測(cè)速及測(cè)溫、濕度功能

風(fēng)向儀和風(fēng)速傳感器能夠?qū)崟r(shí)提供現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)向及風(fēng)速，確保裝置在安全風(fēng)速下運(yùn)行，防止風(fēng)速過(guò)快損壞裝置。風(fēng)向儀采用8232型的智能風(fēng)向儀。

風(fēng)速傳感器和溫度傳感器能夠檢測(cè)當(dāng)前的空氣濕度及溫度來(lái)判斷當(dāng)前的天氣狀況。傳感器將檢測(cè)到的濕度及溫度信號(hào)傳遞給相關(guān)控制器?？刂破靼严鄳?yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器，通過(guò)對(duì)信號(hào)分析進(jìn)行判斷。當(dāng)空氣濕度值大于標(biāo)準(zhǔn)值的時(shí)候，天氣有陰雨的狀況，此刻相關(guān)控制器發(fā)出信號(hào)控制各部件停止工作，避免由于天氣原因損壞裝置。當(dāng)小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，證明天氣晴朗，此刻相關(guān)控制器控制裝置進(jìn)行運(yùn)行。濕度傳感器使用的是23K濕度傳感器。

4.3 穩(wěn)壓功能

在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)，由于風(fēng)力大小的時(shí)刻改變使得其產(chǎn)生的電壓也會(huì)隨之變化。穩(wěn)壓器能夠?qū)r(shí)刻改變的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓后進(jìn)行輸出。本裝置使用的是TSD-15000VA型穩(wěn)壓器。

5 結(jié)語(yǔ)

本篇文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)有百葉窗式結(jié)構(gòu)的深度研究，提出一種新型的百葉窗式曲面扇葉，并將其應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種曲面百葉窗式風(fēng)力發(fā)電裝置，能減小垂直軸風(fēng)機(jī)的阻風(fēng)葉片的起動(dòng)阻力和運(yùn)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)阻力，減小了風(fēng)力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的能量損耗，明顯提高了垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。在對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)的改進(jìn)上能夠起到一定的促進(jìn)作用。

就現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展來(lái)看，還并沒(méi)有被商業(yè)化的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有很大的潛在價(jià)值。人們對(duì)垂直軸機(jī)組的研究將會(huì)與日俱增，其商業(yè)化大勢(shì)所趨。