一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要:本文首先研究了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類以及各種不同結(jié) 構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該新 型風(fēng)力發(fā)電機(jī)提高了發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)具備了低風(fēng)速啟動(dòng)的性能，占用空間體積較小，安全性高。 關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機(jī)垂直軸風(fēng)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的型式有兩種：垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，比較兩者后可發(fā)現(xiàn)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有風(fēng)向影響小、風(fēng)能利用系數(shù)高、啟動(dòng)風(fēng)速低、可靠性高、安全風(fēng)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(shè)計(jì)一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。 1垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分類 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可分為

2、兩個(gè)主要類別[1]:一類是利用空氣動(dòng)力的阻力作功，典型的結(jié)構(gòu)是S型風(fēng)輪。它由兩個(gè)軸線錯(cuò)開的半圓柱形葉片組成，其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，缺點(diǎn)是由于圍繞著風(fēng)輪產(chǎn)生不對稱氣流，從而對它產(chǎn)生側(cè)向推力。對于較大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，因?yàn)槭芷D(zhuǎn)與安全極限應(yīng)力的限制，采用這種結(jié)構(gòu)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(dá)里厄（Darrieus）型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是水平軸風(fēng)力機(jī)的主要競爭者。達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dòng)產(chǎn)生的合力形成轉(zhuǎn)矩。 簡而言之，垂直軸風(fēng)車可分為兩大類，一類是阻力型垂直軸風(fēng)車一類是升力型垂直軸風(fēng)車。阻力型垂直軸風(fēng)車以薩夫紐斯風(fēng)車

3、為代表升力型垂直軸風(fēng)車以達(dá)里厄（Darrieus）型風(fēng)車為代表。 2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本參數(shù)計(jì)算 式中:p為當(dāng)?shù)乜諝饷芏?，kg/m3; S為風(fēng)輪掃風(fēng)面積,m2; V為上游風(fēng)速，m/s。 式中:n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r/min;R為葉尖半徑,m;V為上游風(fēng)速，m/s; 為風(fēng)輪角速度，rad/s。 式中:M為轉(zhuǎn)矩；D為風(fēng)輪直徑。 3幾種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)簡介 小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪形式多種多樣，但是對其歸類可以歸納為兩類,水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪。其中采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪相對于水平軸的風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪來說具有如下優(yōu)勢[2]:安全性高、無需調(diào)向、啟動(dòng)風(fēng)速低、噪音低、抗風(fēng)能

4、力強(qiáng)、風(fēng)能利用率高等。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪常用的有三種類型[3]:薩沃紐斯型（S型）、達(dá)里厄型（①型）和旋翼型（H型）。 薩沃紐斯型風(fēng)輪由兩個(gè)半圓筒形葉片組合而成，左右兩個(gè)葉片處于兩個(gè)不同的圓周方向上，但有一定的重疊。當(dāng)風(fēng)吹向風(fēng)輪時(shí)，凹形葉片在風(fēng)力的推動(dòng)作用下，使風(fēng)車克服阻力而旋轉(zhuǎn)，并且具有較高的旋轉(zhuǎn)速度。這種風(fēng)機(jī)是利用對風(fēng)所生成的阻力”來工作的，他的葉尖速比接近于1,轉(zhuǎn)速低、噪聲小、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)[4]。 達(dá)里厄型風(fēng)輪屬于升力型”其特點(diǎn)是風(fēng)車轉(zhuǎn)速可以設(shè)計(jì)得很大。這種風(fēng)機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)下，從風(fēng)力所獲得的轉(zhuǎn)矩很小，難以自行開始運(yùn)轉(zhuǎn)這是這種風(fēng)機(jī)的不足之處，為此，可以與薩沃紐斯型風(fēng)機(jī)一起構(gòu)成組合型風(fēng)機(jī)

5、，以便改善其啟動(dòng)性能。 旋翼型風(fēng)輪的葉片具有與飛機(jī)機(jī)翼相同形狀的截面。旋翼型風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常小，這種風(fēng)輪具有葉尖速比高，旋轉(zhuǎn)力矩大等優(yōu)點(diǎn)。但是風(fēng)險(xiǎn)性比較大，因?yàn)樾D(zhuǎn)速度高。 4一種新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為了克服現(xiàn)有的旋翼型（H型）風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪體積太大的缺點(diǎn)、達(dá)里厄型（①型）啟動(dòng)難的缺點(diǎn)、薩沃紐斯型（S型）轉(zhuǎn)換效率較低的缺點(diǎn),本實(shí)用新型提供一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪，該垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪結(jié)構(gòu)合理簡單，體積小、重量輕，生產(chǎn)工藝易掌握，可實(shí)現(xiàn)微風(fēng)啟動(dòng)。 4.1主體結(jié)構(gòu) 本文所設(shè)計(jì)的一種新型的垂直軸風(fēng)力發(fā)電主體結(jié)構(gòu)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(jié)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(fēng)機(jī)機(jī)翼的形狀，包括內(nèi)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(shè)計(jì)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(gè)扇葉更大限度的利用風(fēng)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(shí)預(yù)留出螺栓孔與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部分連接。 當(dāng)風(fēng)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片帶動(dòng)頂圓盤和底圓盤旋轉(zhuǎn)，底圓盤帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分旋轉(zhuǎn)，在這個(gè)過程中將風(fēng)能轉(zhuǎn)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(gè)部分采用鋁合金材質(zhì)，主軸和所連接法蘭采用型號為Q235鋼的材質(zhì)。 4.2性能優(yōu)勢 本文所設(shè)計(jì)的新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)包括主軸、葉片、頂圓盤和底圓盤四個(gè)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(dāng)風(fēng)力帶動(dòng)葉片圍繞主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，頂圓盤和底圓盤在葉片的帶動(dòng)下同時(shí)同速度旋轉(zhuǎn)，底圓盤與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分連接，并帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，整個(gè)過程將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為葉片的機(jī)械能，再將機(jī)械能通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，輸出交流電。葉片采用飛機(jī)機(jī)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(dāng)角度的旋轉(zhuǎn)，以增大動(dòng)力受風(fēng)面積，減少阻力。 該設(shè)計(jì)結(jié)合了旋翼型風(fēng)輪和薩沃紐斯型風(fēng)輪的優(yōu)點(diǎn)，既提高了發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)具備了低風(fēng)速啟動(dòng)的性能，占用空間體積較小，安全性高。 5結(jié)論 本文提出了一種新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)想，在對三種典型的垂直軸風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，取長補(bǔ)短，達(dá)到低風(fēng)速易啟動(dòng)、整機(jī)風(fēng)能利用率高的目的。詳細(xì)設(shè)計(jì)出風(fēng)葉主體結(jié)構(gòu)和整機(jī)的輔助系統(tǒng)。分析總結(jié)了該風(fēng)機(jī)所具備的優(yōu)良性能，但由于實(shí)物模型尚未進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，本課題未能以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該風(fēng)機(jī)模型的理論優(yōu)勢。將在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化該設(shè)計(jì)并取得更加廣闊的市場應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] 田海姣，王鐵龍，王穎.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展概述J].應(yīng)用能源技術(shù),2006(11):22-27. 蔣超奇，嚴(yán)強(qiáng).水平軸與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù)，2007,28(5):279-283. 寇薇，苑賓，李琦，范林濤.一種組合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電力科學(xué)與工程，2011,27(5):25-28.