帶尾翼的新翼型濃縮型風力發電機

張虎 張稞 李萌雨 劉騏榛

【摘 要】風力發電行業作為我國排名第三位的發電行業，其研究和制作一直都得到國家的大力支持。作為風電中的小型風力發電機也一直擁有不俗的地位，但風力發電還是存在一些弊端，如在風速過小的風況下不能夠發電、運行噪音大等，這就造成了風電機組的部署范圍受到了一些限制，因此濃縮風能型風力發電機概念成為了行業關注點之一。它是運用濃縮風能理論和技術研制成功的一種新型風力發電機。

本次所制作出的濃縮型300W風力發電機通過加裝濃縮裝置，使風力發電機組在低風速下滿足切入風速、發電量大、運轉平穩、噪音低、機械與電氣系統壽命長，從而使風力發電度電成本降低，風能資源利用率提高。

【關鍵詞】濃縮；風能；制作；發電機

1 前言

一般地，風電領域把額定發電功率在10 KW及其以下的風力發電機稱作小型風力發電機。濃縮風能型風力發電機是小型風力發電機中的一種，特點是在傳統的小型風力發電機上添置了一套能夠將來流風進行集流的風能濃縮裝置[1]。

我國在濃縮風能型風力發電機的研究時間并不是很長，從上世紀九十年代濃縮風能風力發電機的概念被提出，至今，其研究成果多次出現在中國學術會議網和太陽能學報上，新的概念成果不斷地被人們探討并研究。濃縮型風力發電機能夠可以把稀薄的風能經過濃縮裝置整流，加速和均勻化后驅動葉片旋轉發電，不僅提高風能的能流密度，還改善了風能的不穩定性[2]。

2 濃縮型風力發電機所用理論

2.1 風能與風能利用系數

風能就是空氣運動的動能，當風速為V時每秒通過面積為S的空氣流的動能為

由于是每秒的動能， 也就是功率，稱為風功率。風在通過風輪時推動風輪旋轉，把它的動能轉變為風輪旋轉的能量，但經過風輪做功后的風速不會為零，僅僅是減小。因此，風僅把一部分能量轉交給風輪，若流過風力機葉片掃掠面積的風功率為 ，風力機獲得的功率定為 ，則風能利用系數為

2.2 風力發電機濃縮風能裝置

濃縮風能理論的核心是將桸薄的風濃縮后進行利用，創新之處就是提高風能的能流密度[6]。其次，液體出流時，裝置縮頸處低于大氣壓強，處于真空狀態，使流場內存在抽吸現象。

式中： ——風力發電機吸收風能，單位W； ——風能利用系數； ——空氣密度，單位kg/m3； ——風速，單位m/s。

濃縮風能理論就是不消耗其他能源，使自然風加速。根據上式風速 增大n倍，則功率 增大n3倍[8]。

3 濃縮型300W風力發電機制作

3.1 濃縮風能裝置的制作

在購買實驗器材時需要考慮到實驗損耗和誤差，所以各項數據取值均需要有富余，其數據選用僅為普通能動測試技術原理，較為簡單，限于篇幅，不單獨列出。

3.1.1 風力發電機的濃縮風能裝置的選擇

濃縮風能裝置包括濃縮型風力發電機的葉輪前方設收縮管，中間設中央圓筒，在葉輪后方設擴散管等[8]。濃縮裝置中的中央圓筒直徑應當大于葉輪掃掠面積的直徑，并且保留出足夠的空間以確保葉片正常旋轉。

圖 3-1 濃縮風能裝置形狀及部分尺寸

本次的制作在原有的已知濃縮風能裝置上通過指導老師的指導加以改進，使其能夠更加有效提升風速，從而提高風能利用率。

3.1.2 風力發電機的濃縮風能裝置制作

1 工具準備：

為使觀看簡潔明了，工具的準備均用表格表示。

1）濃縮裝置框架制作工具準備如下表：

濃縮裝置框架的制作是為整個裝置打造模具，在制作玻璃鋼是框架可以對纖維布起到支撐的作用，其主要材料是8號的鐵絲﹑12號的鐵絲和扎絲。按圖 3-1 構造裝置的框架。

玻璃鋼濃縮裝置的制作需要注意：樹脂膠的氣味難聞且有毒，制作過程中需要佩戴口罩，并將所有工具移至室外通風處；纖維布接觸皮膚后可能產生過敏反應，所以制作全程需戴橡膠手套；加入催化劑的樹脂膠在大量凝聚于玻璃杯或者刷子中時，固化時間極短，那么凝固樹脂膠就會成為廢品，造成樹脂膠、催化劑和刷子的浪費。

將加入催化劑的樹脂膠，使用刷子均勻的涂抹在放于塑料薄膜的纖維布上。待涂抹完成后，將其平放在濃縮裝置的框架內；在纖維布與鐵絲的連接處再次涂抹樹脂膠，使樹脂膠與鐵絲凝固在一起，等待這塊纖維布上的樹脂膠凝固在鐵絲上后，轉動濃縮裝置大約90度。樹脂膠加入催化劑并涂抹下一塊纖維布，方法同上。玻璃鋼濃縮裝置第二層的制作，大體過程與第一層的相同。

3.2 300W風力發電機的改裝制作

3.2.1 風力發電機的發電機改裝

1、風力發電機的發電機

本次的制作采用的是三相交流永磁發電機，它是現今小型風力發電機的主流發電機，其具有以下優點：可靠性高、結構簡單；體積小巧、重量輕；中、低速發電性能非常好；以及減少蓄電池維護工作，效率高、免去勵磁電源、適應多種環境無線電干擾等優點。

2 濃縮風能型風力發電機的發電機外殼改裝

因為我們需要在原有的300W小型風力發電機上增加濃縮風能裝置，所以需要對原來的發電機外殼進行部分的改裝。主要是在外殼上增加一個濃縮風能裝置的支撐架。所用到的工具為實驗室金工用具，不單獨列出。

發電機上濃縮風能裝置支架的制作及其安裝過程如下：將準備好的鋼板用長尺量出500mm，并用碳素筆標清楚位置，用切割機進行切割，將鋼板的一段切割出45度的直角三角形，90度角為鋼板最前端的尖部，將另一端焊接準備好的邊長200mm的弧形鋼板，重復以上步驟，總共做出四塊。四塊鋼板的三角形一端粘合在一起放置在發電機底座上，用碳素筆標記出底座上四個螺孔的位置，使用臺鉆鉆孔。將做好的四塊鋼板安裝在發電機底座上，完成發電機的整個安裝過程。

3.2.2 葉片的材料選擇、制作與裝配

葉片的材料選擇及制作

傳統的小型風力發電機葉片多采用的是木制材料。塔架的材料也使用的多為木材，隨著使用時間的流逝漸漸的出現了很對的不足之處，我總結為如下幾點：木制品沒有足夠的強度、木質品安全性能不高、木制品耐腐蝕性能不高、木制的葉片不夠精準等。因為木制葉片的不足，所以我們本次不會使用用木材作為葉片的材料。我們將采用學院引進的3D打印機，把Ansys軟件中的SD2030葉片數據導入其中，由指導教師請專業人員操作打印。

具體裝配操作：1）砂紙打磨葉片，將葉片打磨光滑；2）用內六角扳手拆下導流罩，并用開口扳手擰下安裝葉片葉根處的12個螺母；3）取出一個打磨好的葉片，注意其正反，將葉根上的孔套在輪轂安裝葉片的螺桿上，擰上兩個螺母；4）重復操作以上步驟直到將六個葉片都擰上；5）把導流罩安裝回原來的位置，完成安裝操作。

3.2.3 整機組裝

各部分構件組裝連接起來，效果圖如下：

4 結束語

本次的濃縮型300W風力發電機制作，主要是濃縮風能裝置的制作，風力發電機的原有所有部件的改造也均是圍繞如何將濃縮風能裝置完美融入到原有的風力發電機中進行的。本次的制造總的來講是非常成功的，達到了原來的設計的目的，所制造的風力機能夠達到完美的運行，所設計制造的濃縮風能裝置也起到了風的加速，使得整個風力機可以在比原先低的風速下發電，增加了風能的利用率。但是，在制作的過程中還是出現了一些不足之處，例如：濃縮風能裝置由于是純手工的制作，在實驗器材測量方面都會出現一些誤差，達不到設計時候的精度，風能的利用率也達不到設計所增加的要求。

濃縮型風力發電機組研制成功將會大大拓展可用風能的下限。其重要價值是采用濃縮風能理論與技術，可使世界可利用的風能提高1倍[5]。因此市場潛力很大，生產應用濃縮風能型風力發電機系列化產品具有較大的經濟效益；生產其系列產品批量出口，能為國家創匯；能夠解決一批產業工人就業問題，對社會穩定和全面建設小康社會有利。

參考文獻：

[1]辛海升，《濃縮風能型風力發電機噪聲機理的試驗研究》[D]，內蒙古農業大學，內蒙古農業大學，2003-05-01

[2]徐麗娜、田德、王海寬、蓋曉玲、王利俊，《濃縮風能型風力發電機性能分析及前景展望》[J]，《農村牧區機械化》，2007（1），43

[3]尹佐明，《水平軸風力機葉片氣動特性分析及外形設計》[D]，華北電力大學，華北電力大學，2009

[4]張承東，《風力機葉片的動力學特性分析及分形特征研究》[D]，天津工業大學，天津工業大學，2007

[5]韓巧麗，《大容量濃縮風能型風力發電機模型氣動特性的實驗研究》[D]，內蒙古農業大學，內蒙古農業大學，2006

[6]馬廣興、田德、韓巧麗、李明，《濃縮風能型風力發電機流場仿真與實驗研究》[J]，《內蒙古農業大學學報（自然科學版）》，2012，9（4），143-147

[7]屈圭，《風電機葉片設計參數的整體優化》[J]，《機電產品開發與創新》，2009，22（2），68-71

[8]韓巧麗，田德，王海寬，張文瑞，《200W濃縮風能型風力發電機相似模型的流場特性實驗》[Z]，2005年中國農業工程學會學術年會，中國廣東廣州，2005-12-19

（作者單位：中國礦業大學銀川學院）