一種垂直軸風力發(fā)電機的結構設計

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1、一種垂直軸風力發(fā)電機的結構設計 摘要:本文首先研究了垂直軸風力發(fā)電機的分類以及各種不同結 構的優(yōu)缺點，并在此基礎上設計了一種新型的垂直軸風力發(fā)電機，該新 型風力發(fā)電機提高了發(fā)電機的能量轉換效率，同時具備了低風速啟動的性能，占用空間體積較小，安全性高。 關鍵詞:風力發(fā)電機垂直軸風輪結構設計 小型風力發(fā)電機的型式有兩種：垂直軸風力發(fā)電機和水平軸風力發(fā)電機，比較兩者后可發(fā)現(xiàn)垂直軸風力發(fā)電機具有風向影響小、風能利用系數(shù)高、啟動風速低、可靠性高、安全風速工作范圍大、噪聲污染小、外形美觀等諸多優(yōu)勢，因此，本文將設計一種新型的垂直軸風力發(fā)電機。 1垂直軸風力發(fā)電機的分類 垂直軸風力發(fā)電機可分為

2、兩個主要類別[1]:一類是利用空氣動力的阻力作功，典型的結構是S型風輪。它由兩個軸線錯開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點是啟動轉矩較大，缺點是由于圍繞著風輪產生不對稱氣流，從而對它產生側向推力。對于較大型的風力發(fā)電機，因為受偏轉與安全極限應力的限制，采用這種結構形式是比較困難的：另一類是利用翼型的升力作功，最典型的是達里厄（Darrieus）型風力發(fā)電機，是水平軸風力機的主要競爭者。達里厄風力發(fā)電機有多種形式，基本上是直葉片和彎葉片兩種。葉片具翼型剖面，空氣繞葉片流動產生的合力形成轉矩。 簡而言之，垂直軸風車可分為兩大類，一類是阻力型垂直軸風車一類是升力型垂直軸風車。阻力型垂直軸風車以薩夫紐斯風車

3、為代表升力型垂直軸風車以達里厄（Darrieus）型風車為代表。 2垂直軸風力發(fā)電機的基本參數(shù)計算 式中:p為當?shù)乜諝饷芏龋琸g/m3; S為風輪掃風面積,m2; V為上游風速，m/s。 式中:n為風輪轉速，r/min;R為葉尖半徑,m;V為上游風速，m/s; 為風輪角速度，rad/s。 式中:M為轉矩；D為風輪直徑。 3幾種垂直軸風力發(fā)電機簡介 小型風力發(fā)電機的風輪形式多種多樣，但是對其歸類可以歸納為兩類,水平軸風力發(fā)電機風輪和垂直軸風力發(fā)電機風輪。其中采用垂直軸風力發(fā)電機風輪相對于水平軸的風力發(fā)電機風輪來說具有如下優(yōu)勢[2]:安全性高、無需調向、啟動風速低、噪音低、抗風能

4、力強、風能利用率高等。垂直軸風力發(fā)電機風輪常用的有三種類型[3]:薩沃紐斯型（S型）、達里厄型（①型）和旋翼型（H型）。 薩沃紐斯型風輪由兩個半圓筒形葉片組合而成，左右兩個葉片處于兩個不同的圓周方向上，但有一定的重疊。當風吹向風輪時，凹形葉片在風力的推動作用下，使風車克服阻力而旋轉，并且具有較高的旋轉速度。這種風機是利用對風所生成的阻力”來工作的，他的葉尖速比接近于1,轉速低、噪聲小、轉矩大等優(yōu)點[4]。 達里厄型風輪屬于升力型”其特點是風車轉速可以設計得很大。這種風機在停止狀態(tài)下，從風力所獲得的轉矩很小，難以自行開始運轉這是這種風機的不足之處，為此，可以與薩沃紐斯型風機一起構成組合型風機

5、，以便改善其啟動性能。 旋翼型風輪的葉片具有與飛機機翼相同形狀的截面。旋翼型風機的啟動轉矩非常小，這種風輪具有葉尖速比高，旋轉力矩大等優(yōu)點。但是風險性比較大，因為旋轉速度高。 4一種新型風力發(fā)電機設計為了克服現(xiàn)有的旋翼型（H型）風力發(fā)電機風輪體積太大的缺點、達里厄型（①型）啟動難的缺點、薩沃紐斯型（S型）轉換效率較低的缺點,本實用新型提供一種新型的垂直軸風力發(fā)電機風輪，該垂直軸風力發(fā)電機風輪結構合理簡單，體積小、重量輕，生產工藝易掌握，可實現(xiàn)微風啟動。 4.1主體結構 本文所設計的一種新型的垂直軸風力發(fā)電主體結構中主要包括主軸、葉片、頂圓盤和底圓盤，其特征是主軸呈垂直狀態(tài)，并與頂圓盤和

6、底圓盤結合，葉片頂端固定于頂圓盤上，底端固定于底圓盤上，葉片為三葉片形式，均勻排布，相互之間夾角為120°。單件葉片采用風機機翼的形狀，包括內弧、外弧和頂端圓弧，頂端圓弧是角度為100°的圓弧。葉片弦長和頂端圓弧半徑的大小根據(jù)設計功率的不同而不同。葉片的弦與頂圓盤軸向的夾角為144°,以便做功的兩個扇葉更大限度的利用風能,并且不做功的葉片阻力最小。主軸與頂圓盤和底圓盤之間的連接采用法蘭連接，既方便拆卸又能穩(wěn)固連接。底圓盤同時預留出螺栓孔與發(fā)電機轉子部分連接。 當風帶動葉片旋轉時，葉片帶動頂圓盤和底圓盤旋轉，底圓盤帶動發(fā)電機的轉子部分旋轉，在這個過程中將風能轉化為電能。葉片與頂圓盤和底圓盤之間

7、的連接采用M6x50螺栓連接,每件葉片采用4只螺栓連接。 葉片、頂圓盤和底圓盤三個部分采用鋁合金材質，主軸和所連接法蘭采用型號為Q235鋼的材質。 4.2性能優(yōu)勢 本文所設計的新型垂直軸風力發(fā)電機包括主軸、葉片、頂圓盤和底圓盤四個主要部分，主軸呈垂直狀態(tài)，用于連接頂圓盤和底圓盤，并起到支撐作用。葉片的頂端和底端分別與頂圓盤和底圓盤連接。當風力帶動葉片圍繞主軸旋轉時，頂圓盤和底圓盤在葉片的帶動下同時同速度旋轉，底圓盤與發(fā)電機的轉子部分連接，并帶動其旋轉，整個過程將風能轉化為葉片的機械能，再將機械能通過發(fā)電機轉化為電能，輸出交流電。葉片采用飛機機翼的翼型，為三葉片升力型，在圓盤上均勻分布，互

8、相夾角為120°,其弦做適當角度的旋轉，以增大動力受風面積，減少阻力。 該設計結合了旋翼型風輪和薩沃紐斯型風輪的優(yōu)點，既提高了發(fā)電機的能量轉換效率，同時具備了低風速啟動的性能，占用空間體積較小，安全性高。 5結論 本文提出了一種新型垂直軸風力發(fā)電機構想，在對三種典型的垂直軸風機進行分析的基礎上，取長補短，達到低風速易啟動、整機風能利用率高的目的。詳細設計出風葉主體結構和整機的輔助系統(tǒng)。分析總結了該風機所具備的優(yōu)良性能，但由于實物模型尚未進行風洞試驗，本課題未能以實驗數(shù)據(jù)驗證該風機模型的理論優(yōu)勢。將在進一步的實驗中優(yōu)化該設計并取得更加廣闊的市場應用。 參考文獻 [1] 田海姣，王鐵龍，王穎.垂直軸風力發(fā)電機發(fā)展概述J].應用能源技術,2006(11):22-27. 蔣超奇，嚴強.水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較研究[J].上海電力，2007(2):163-165. 范正萍，王心塵，杜華夏等.小型家用垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計[J].能源技術，2007,28(5):279-283. 寇薇，苑賓，李琦，范林濤.一種組合型垂直軸風力發(fā)電機的結構設計[J].電力科學與工程，2011,27(5):25-28.