垂直軸風力發電機葉片建模與研究農用

趙輝+閆震

摘 要：采用獨立供電系統的小型風力發電機能夠解決農業用電問題。本文研究垂直軸風力發電機葉片，采用 Darrieus 式H型風輪，設計NACA0018升力型垂直軸風力發電機，利用三維建模軟件solidworks建立葉片的三維實體模型。

關鍵詞：風力發電;葉片;垂直軸風力發電機;三維建模

中圖分類號： TM315 ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）33-152-2

0 ?引言

對于我國農村地區，由于電力負荷分散密度較低，致使輸送線路電能浪費。又因為干旱季節、農忙時節用電量大，其他時間用電量小，這樣很難對電網資源進行有效的配置，因此常規大電網不適于農業用電。小型農用風力發電機結構簡單、成本低、安裝維護方便，而且保護環境，有利于國家的可持續發展，因此，采用獨立供電系統的小型風力發電機能夠有效地解決農業用電問題。小型風力發電機分為水平軸和垂直軸兩種類型，相對水平軸風力機，垂直軸風力機安裝、維護方便，成本也低，更適合于農戶使用。其中，風力機葉片是風力發電機組最為關鍵的部分，葉片的翼型和結構形式，直接影響了發電機組的性能、功率和使用壽命。本文進行葉片造型及三維建模。選擇NACA-0018翼型，為普通家庭用戶提供電力，擬用300W永磁直驅式小型風力發電機組葉片，實現220V家用電器的電力供給[1-3]。

1 ?葉片選型

設計的NACA0018升力型垂直軸風力發電機，擬定采用 Darrieus 式 H 型風輪。H型風力機的葉片數一般為2到6個，達里厄風力機葉片是通過兩端或中部，進而固定在轉軸上，這有助于加大機械的強度，同時可以做得很輕巧;達里厄風力機對塔架要求比較低，安裝簡單，檢修便利。然而對于達里厄風力機的不能自起動問題，葉片的重心必須要放在葉片轉軸上，由于葉片轉軸是在葉片弦線的前部四分之一的地方，很難做到前后的平衡。我們在葉片前方固定一個平衡桿，平衡桿的軸線是在葉片弦線延長線上，離心擺桿是指向風輪的外側，它的軸線是通過葉片轉軸和風輪轉軸，在平衡桿上方安裝可調節位置的平衡錘，通過調節平衡錘位置，來使葉片重心落在葉片的轉軸上。采用離心力與風力，直接調節風輪葉片攻角的垂直軸風力機的運動副，最少、制造、安裝、維護簡單、結構穩定、能自動起動、并能應對風速和負荷的突變、可在較寬風速和較寬負荷變化的范圍內工作，總風能利用系數會比較高。

2 ?風力發電機葉片建模

利用Solidworks進行三維實體建模。打開solidworks軟件，以XY面為基準面建立水平坐標系，風力發電的葉片翼型弦長為210mm，垂直軸葉片的攻角α應小于15°，葉片繞風輪轉角θ在運動中不斷變化，以210m為水平軸分別乘以不同位置位標數確定水平長度和豎直上下表面長度，繪制出弦長210mm的翼型，畫出如下的二維草圖1：

轉換成三維模式，以在二維模式下已經繪制的草圖為基準面，進行拉伸操作，沿Z軸正方向拉伸，長度為1200mm。風葉的壓力中心在弦長靠左端的四分之一處，并且在水平方向的對稱中心上。在風葉中心線上打一半徑為r1的圓形通孔，再通一半徑為r的葉片轉軸，拉伸出一定長度，風葉與葉片轉軸的配合關系為過盈，打孔并加入中心轉軸的三維圖如圖2。

先確定平衡桿的位置，沿平行于弦長且垂直平行軸的方向，平衡桿中心通過葉片轉軸的中心，且與端面的水平距離為L，平衡桿截面的直徑為D，再在平衡桿上截取一個圓環面，以垂直于圓環面且平行于中心轉軸的中心線為轉動中心，旋轉出一個球體，即為平衡錘，如下圖3。

離心桿的繪制方法與平衡桿的繪制方法相似，方向為垂直于風葉轉動中心與風葉的平衡桿，離心錘的繪制方法與平衡錘的繪制方法也相同，通過確定轉動中心軸與截取的圓環面便可確定離心錘的位置及大小。具體圖形如圖4：

下面為設計好的H型NACA0018升力型垂直軸風力發電機風葉的立體圖，如圖5。

3 ?結論

風力發電機有效地解決了農業用電問題，葉片為風力機的重要元件。本文研究了采用 Darrieus 式 H 型風輪的NACA0018升力型垂直軸風力發電機，進行了葉片建模，為農用風力發電機的應用提供了技術參考。

參 考 文 獻

[1] 王亞榮，邵聯合.風力發電與機組系統[M].北京：化學工業出版社，2013，12.

[2] 詹姆斯·曼韋爾，喬恩·麥高恩.風能利用——理論、設計和應用[M].西安交通大學出版社，2013，11.

[3] 李春鵬.立軸風力發電機畢業設計文獻綜述[J].河北科技大學，2013（2）.

[4] 遲遠英，張少杰，李京文.國內外風電發展現狀[J].生產力研究，2008（18）：75-76.

[5] 李濱波，段向陽.風力發電機原理及風力發電技術[J].湖北電力，2007，31（6）：54-55.

[6] 林閩，張崇巍.小型風力發電機葉輪設計[J].風機技術，2007（1）：28-47.