一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

伍玩秋 潘新宇 林毅貞 陳浩彬 夏麗麗

(1、陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 陽江529500 2、廣東明陽新能源科技有限公司,廣東 陽江529500)

風(fēng)能是國家新能源開發(fā)的重要方向,風(fēng)電裝備制造是“中國制造2025”提出的重點領(lǐng)域,風(fēng)力發(fā)電正日益成為支撐國家未來能源需求的支柱力量。當(dāng)前在內(nèi)陸,小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)鮮有布局,究其原因除內(nèi)陸地區(qū)的風(fēng)能密度較低、風(fēng)向不穩(wěn)定等因素外,相關(guān)風(fēng)力發(fā)電裝備的研發(fā)滯后也是重要原因之一。為此提出一種基于風(fēng)輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化的阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī),希望能為相關(guān)問題的解決提供有價值的參考方案。

1 阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的主要問題源于風(fēng)輪,因此對傳統(tǒng)阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的改進(jìn)主要體現(xiàn)在對風(fēng)輪的優(yōu)化的設(shè)計。改進(jìn)后的阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪、固定裝置、發(fā)電機(jī)及電氣系統(tǒng)組成。其三維效果如圖1 所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)三維效果圖

1.1 風(fēng)輪

1.1.1 風(fēng)輪構(gòu)件

風(fēng)輪結(jié)構(gòu)效果圖如圖2、圖3 所示,主要由葉片、圓盤、加固板及轉(zhuǎn)軸等元件構(gòu)成。其中葉片包括3 個上層葉片和3 個下層葉片,每個葉片的內(nèi)側(cè)縱邊均為加強(qiáng)邊；圓盤包括圓盤(上)、圓盤(中)和圓盤(下)；加固板包括1 個上端加固板、2 個中部加固板和1 個下端加固板；轉(zhuǎn)軸包括上端轉(zhuǎn)軸和下端轉(zhuǎn)軸。各構(gòu)件之間均剛性連接,渾然一體。

圖2 風(fēng)輪三維效果圖

圖3 半透明風(fēng)輪三維效果圖

1.1.2 風(fēng)輪結(jié)構(gòu)特點及創(chuàng)新點

1.1.2.1 上下兩層葉片錯開的風(fēng)輪結(jié)構(gòu),優(yōu)化了風(fēng)輪的起動性能。如圖2 所示,風(fēng)輪總體呈圓柱狀,分為等高的上下兩層,每一層葉片的縱向外側(cè)邊與圓盤外沿對齊；如圖5 所示,兩層葉片在圓盤上的垂直投影為6 段布局均勻的相同半圓弧(深色3 條為其中一層的葉片,淺色3 條為另一層葉片),它們的外端點均勻地將圓盤圓周分成6 段600的等弧。這種上下兩層葉片相互均勻錯開的結(jié)構(gòu),具有兩個優(yōu)點:一是起動風(fēng)速低,基于此方案的小型樣機(jī)模型的起動風(fēng)速可低至1.7m/s；二是能應(yīng)對風(fēng)輪上下兩層風(fēng)況不同時的起動問題,因為這種錯開結(jié)構(gòu)使風(fēng)輪在任何一個對風(fēng)位置,上、下層葉片中總有一個葉片受到的較大的風(fēng)力,避免了風(fēng)輪起動時可能出現(xiàn)的不起動的對風(fēng)“死角”,從而使風(fēng)輪的起動性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖5 上下兩層葉片垂直投影圖

1.1.2.2 半圓筒葉片布局合理,相對尺寸適宜,有助提高風(fēng)輪對風(fēng)速的適應(yīng)范圍和風(fēng)能利用率。如圖3 所示,風(fēng)輪上下兩層均采用垂直安裝的相同半圓筒葉片；各層葉片大小完全相同,同一層葉片在水平圓盤上的垂直投影為3 段相同的半圓弧,半圓弧外端點均勻地將圓盤圓周分為3 段120°的等??；如圖4所示,圓盤半徑R 與半圓弧所在圓半徑r 之比為24:13。這種非軸對稱而又相對均勻的葉片布局和相對尺寸具有以下優(yōu)點:一是垂直安裝的半圓筒葉片對風(fēng)時,只產(chǎn)生水平方向的阻力而不產(chǎn)生豎直方向的升力,正是這種葉片受到的阻力使風(fēng)輪產(chǎn)生水平方向的轉(zhuǎn)矩；二是葉片內(nèi)側(cè)有部分交錯空間(間隙),能使進(jìn)入風(fēng)輪的氣流經(jīng)第一個葉片吸收能量后,依次通過間隙進(jìn)入第二個葉片,甚至第三個葉片實現(xiàn)了氣流能量的二次、三次利用,因而提高了風(fēng)能利用率；三是由于這個間隙利于尾氣的自然釋放,使風(fēng)輪能夠承受較大的風(fēng)速。采用控制變量法進(jìn)行的小型風(fēng)輪對比實驗表明,與傳統(tǒng)的相同尺寸的單層兩葉片風(fēng)輪相比,基于這種半圓筒葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)輪具有較佳的吸收風(fēng)能性能,在3m/s-15m/s 風(fēng)速(風(fēng)力等級介于2-7 級)區(qū)間,風(fēng)能利用率相對較高。

圖4 葉片所在圓半徑與圓盤半徑比例圖

1.1.2.3 風(fēng)輪內(nèi)部無中心軸,提升了風(fēng)輪內(nèi)氣流的質(zhì)量和風(fēng)能吸收的效率。一是采用了加強(qiáng)邊葉片(如圖3 所示)。所謂加強(qiáng)邊葉片,是將直徑與葉片厚度相等的高強(qiáng)度合金材料制成的圓柱條嵌入到半圓筒葉片靠近風(fēng)輪中軸線的縱向內(nèi)側(cè)邊上；二是采用了等邊三角形加固板(如圖5 所示)。其中風(fēng)輪上、下兩端的加固板的一個端面與圓盤結(jié)合,風(fēng)輪上、下兩端的短轉(zhuǎn)軸(如圖3 所示)的其中一端鑲嵌入加強(qiáng)板中間的大孔,葉片加強(qiáng)邊內(nèi)的圓柱條的一端則對應(yīng)鑲嵌入加固板的三個小孔；兩個中部加固板的其中一端面與公共圓盤結(jié)合,葉片加強(qiáng)邊內(nèi)圓柱條的另一端則對應(yīng)鑲嵌入加強(qiáng)板的三個小孔。

在加固板的連結(jié)作用下,風(fēng)輪各構(gòu)件之間形成了三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(圓盤與葉片結(jié)合處呈圓弧結(jié)構(gòu),從微分學(xué)角度看也屬三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu))；同時上下兩層加固板和風(fēng)輪葉片在水平面圓盤上的投影疊加后構(gòu)成中心對稱圖形和軸對稱圖形,保證了風(fēng)輪重心落在軸線上；另外風(fēng)輪構(gòu)件只沿縱向剛性連接而無橫向連接,迎合了垂直轉(zhuǎn)體運轉(zhuǎn)特征要求,可以避免風(fēng)輪高速轉(zhuǎn)動時外側(cè)部件因受離心力作用而飛脫或解體,改善了設(shè)備的穩(wěn)定性?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu),圍繞中軸線均勻分布的三條縱向加強(qiáng)邊可以等效為一條隱形的中心轉(zhuǎn)軸,在各部件材料強(qiáng)度符合要求的前提下,風(fēng)輪完全可以在無中心轉(zhuǎn)軸的情形下實現(xiàn)正常穩(wěn)定轉(zhuǎn)動。

風(fēng)輪內(nèi)部無中心轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于:尾氣通過葉片交錯間隙時能避免軸對尾氣造成沖擊產(chǎn)生噪聲,或形成紊亂氣流而影響風(fēng)輪吸收風(fēng)能的質(zhì)量；同時使風(fēng)輪內(nèi)氣流通道進(jìn)一步暢通,增強(qiáng)了風(fēng)輪應(yīng)對高風(fēng)速氣流的能力。

1.2 固定裝置

1.2.1 固定裝置構(gòu)件

如圖6 所示,固定裝置主要由三腳支架、塔桿、轉(zhuǎn)軸、軸承等組成。如圖1、圖6、圖7 所示,其中三腳支架由風(fēng)輪上端Y 形支架、風(fēng)輪下端Y 形支架、底座Y 形支架、3 條豎桿及風(fēng)輪上、下端的軸承套、軸承、軸承蓋等構(gòu)成。

圖6 風(fēng)輪上端支架及軸承(半透明)三維效果圖

圖7 風(fēng)輪下端支架及軸承(半透明)三維效果圖

1.2.2 固定裝置結(jié)構(gòu)特點

豎桿與橫桿之間、橫桿與正六邊形軸承套之間,采用雙側(cè)L形鐵片或T 形鐵片,通過螺絲固定,便于安裝和拆卸,同時基于正六邊形軸承套和Y 形支架的對稱結(jié)構(gòu),以及L 形或T 形鐵片形成的三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu),風(fēng)輪可以在其中獨立、對心、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動；軸承蓋為軸承防塵提供了保障；風(fēng)輪下端轉(zhuǎn)軸與塔桿內(nèi)轉(zhuǎn)軸之間用連軸器連接,方便風(fēng)輪安裝和拆卸；底座支承于Y 形支架上部可以加強(qiáng)整個風(fēng)機(jī)的剛性結(jié)構(gòu),還能避免底座內(nèi)的發(fā)電機(jī)、電氣線路等接觸地面,有效防止受潮、短路等設(shè)備故障。

1.3 電氣系統(tǒng)

1.3.1 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖8 所示,電氣系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)、整流模塊、穩(wěn)壓模塊、儲電模塊、直流調(diào)壓模塊等構(gòu)成,可以為直流電負(fù)載(電器)供電；增加逆變模塊和交流調(diào)壓模塊后,能將整流、穩(wěn)壓后輸出的12V(或24V、48V)的直流電壓逆變?yōu)?0Hz、220V 的交流電,以滿足燈具、電視機(jī)、電腦、洗衣機(jī)等交流電器的用電需要(風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率一般應(yīng)達(dá)到1kW 以上。

圖8 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 發(fā)電機(jī)及其整流結(jié)構(gòu)

如圖9 所示,本方案采用三相交流發(fā)電機(jī)；與之配套的是由6 個整流二極管(VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6)組成的整流電路；直流輸出端并聯(lián)了一個大容量的濾波電容C。

圖9 三相交流發(fā)電機(jī)及整流電路

從圖9 可以看出,三相交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)過整流電路后變?yōu)橐唤M直流電。三相交流發(fā)電機(jī)的引入使其有了更加明顯的發(fā)電效果,因為在理論上,在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及其線圈匝數(shù)相同的情況下,三相交流發(fā)電機(jī)所發(fā)的電量大約等于單相交流發(fā)電機(jī)所發(fā)電量的3 倍；輸出端并聯(lián)的大容量濾波電容C 可以將整流后殘余的一些交流成份過濾掉,從而使輸出的直流電壓更加平穩(wěn)。

2 優(yōu)化后的阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作原理及過程概述

如圖10 所示,當(dāng)水平氣流吹向風(fēng)輪時,風(fēng)輪對風(fēng)側(cè)迎風(fēng)。迎風(fēng)側(cè)又可分為凹面對風(fēng)側(cè)和凸面對風(fēng)側(cè),其中凹面對風(fēng)側(cè)產(chǎn)生正向轉(zhuǎn)矩(其方向與風(fēng)輪轉(zhuǎn)動方向相同),而凸面對風(fēng)側(cè)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩(其方向與風(fēng)輪轉(zhuǎn)動方向相反)；得益于半圓筒葉片的圓弧形曲面特征,其對風(fēng)時的正向轉(zhuǎn)矩通常為反向轉(zhuǎn)矩的3-4倍,正、反向轉(zhuǎn)矩部分抵銷后風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩仍然達(dá)到凹面對風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的正向轉(zhuǎn)矩的2/3-3/4,這足于推動風(fēng)輪起動；風(fēng)輪通過傳動機(jī)構(gòu)將機(jī)械能傳送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,再通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子切割磁力線產(chǎn)生相位相差120°的三相交流電,然后經(jīng)過整流模塊、穩(wěn)壓模塊、儲電模塊、直流調(diào)壓模塊輸出直流電,或經(jīng)逆變器、交流調(diào)壓模塊輸出交流電,最后成為直流電器或交流電器的供電電源。

圖10 風(fēng)輪對風(fēng)時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作過程如圖11 所示。

圖11 阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作進(jìn)程圖

3 樣機(jī)對比實驗

3.1 實驗說明

基于本方案的阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)適合制造功率為3-5kW 的獨立型(非并網(wǎng))的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。對比實驗需要有相對平穩(wěn)的水平氣流,而陸上自然風(fēng)場的氣流受地形及周圍建筑物的影響,較難形成風(fēng)向和風(fēng)速都相對穩(wěn)定的水平氣流,所以只能以工業(yè)用的大功率立式風(fēng)扇來產(chǎn)生模擬風(fēng)場環(huán)境；受模擬風(fēng)場環(huán)境的有效范圍所限,樣機(jī)功率不可能做足至3kW 以上,因此實際樣機(jī)功率約100W 左右。作為對比實驗,這并不影響實驗得出的結(jié)論。

3.2 實驗方案

實驗對象:改進(jìn)后的阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要創(chuàng)新點在于風(fēng)輪設(shè)計,因此對比實驗的雙方是本方案中的雙層三葉片風(fēng)輪和傳統(tǒng)的單層兩葉片風(fēng)輪(屬于阻力型垂直軸風(fēng)輪中風(fēng)能利用率較高的薩握紐斯風(fēng)輪),如圖12 所示。影響風(fēng)輪風(fēng)能利用率的主要因素有:①風(fēng)速風(fēng)況；②風(fēng)輪結(jié)構(gòu)；③風(fēng)輪大小(即對風(fēng)面積大小,主要取決于風(fēng)輪的高度和直徑)；④支承風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的固定裝置及傳動系統(tǒng)。

圖12 等底等高的傳統(tǒng)單層兩葉片風(fēng)輪(左)和本方案兩層三哇片風(fēng)輪(右)

實驗?zāi)康?研究比較本方案中的雙層三葉片風(fēng)輪與傳統(tǒng)的單層兩葉片風(fēng)輪性能的優(yōu)劣,具體的比較指標(biāo)包括起動性能(起動風(fēng)速及有無對風(fēng)“死角”)、風(fēng)能利用率、噪聲、有效風(fēng)速范圍等。

實驗方法:采用控制變量法對樣機(jī)模型進(jìn)行對比實驗。以基于本設(shè)計方案的小功率阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)為試驗樣機(jī),保持兩次對比實驗的風(fēng)速風(fēng)況、風(fēng)輪大小(對風(fēng)面積大小)、支承風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的固定裝置及傳動系統(tǒng)相同,亦即前后兩次試驗中除風(fēng)輪以外的其余部件共用,實驗轉(zhuǎn)換過程只是風(fēng)輪的更換操作過程),為此建立如表1 所示的對比實驗環(huán)境。

表1 對比實驗的變量控制及其保障

實驗數(shù)據(jù):見表2。

表2 對比實驗測定數(shù)據(jù)(結(jié)果)

3.3 實驗結(jié)論

從實驗測定數(shù)控可以看出,傳統(tǒng)單層兩葉片風(fēng)輪與本方案雙層三葉片風(fēng)輪相比,在相同風(fēng)況下,后者的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速比前者高出24r/min,開路輸出電壓高出29.8V,說明后者具有較高的風(fēng)能利用率；后者的起動風(fēng)速比前者的起動風(fēng)速低0.8m/s,前者有而后者無對風(fēng)“死角”,說明后者的起動性能更好；后者附近的噪聲級數(shù)值比前者附近的噪聲級數(shù)值更低,說明后者的環(huán)保性能更佳；后者能承受的最大風(fēng)速比前者更高,說明其有效發(fā)電的風(fēng)速范疇更大。

綜上,在所有對比指標(biāo)中后者均占優(yōu),說明本方案中的兩層三葉片風(fēng)輪總體性能較佳。

4 結(jié)論

綜上可知,阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計重點在于其風(fēng)輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,其創(chuàng)新點主要包括:①上下兩層葉片錯開的風(fēng)輪結(jié)構(gòu),降低了起動風(fēng)速,避免了風(fēng)輪起動時可能不起動的對風(fēng)“死角”,優(yōu)化了風(fēng)輪的起動性能。②半圓筒葉片布局合理,相對尺寸適宜,提高風(fēng)機(jī)有效發(fā)電的風(fēng)速范圍及其風(fēng)能利用率。③風(fēng)輪內(nèi)部無中心轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)避免了軸對尾氣造成的沖擊和噪聲,暢通了風(fēng)輪內(nèi)的氣流,提升了風(fēng)輪吸收風(fēng)能的質(zhì)量和應(yīng)對高風(fēng)速氣流的能力。

基于本方案形成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)相對簡單,零部件較少,材料要求不高(玻璃纖維就足夠了),加工工藝也不復(fù)雜,因而成本也相對較低；相關(guān)產(chǎn)品能適應(yīng)任何風(fēng)向,起動風(fēng)速低,風(fēng)能利用率較高,非常適合布局在廣大城鄉(xiāng)道路兩旁、居民住宅頂部等風(fēng)向多變的陸上環(huán)境。從性價比、用戶需求角度并結(jié)合空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的技術(shù)要求來看,相關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品宜小型化,功率介于3-5kW 功率(一般能滿足單個普通家庭的用電),獨立運行(非并網(wǎng))并具有儲電功能和逆變功能,既可以為內(nèi)陸無公共電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)的單家獨戶供電,也可作為有公共電網(wǎng)地區(qū)家庭或路燈、信號燈的補(bǔ)充電源。目前陸上小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的布局幾乎是空白,相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用前景廣闊。