一種曲面百葉窗式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計＊

孟憲哲，李鋒，魏紅梅

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

在現(xiàn)代社會，隨著各種自然資源的不斷損耗，能源問題逐漸加重，可再生資源逐漸進(jìn)入人們的視野。其中，風(fēng)能逐步成為我們關(guān)注的焦點(diǎn)，這使風(fēng)能的利用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。風(fēng)力發(fā)電已成為當(dāng)今社會利用風(fēng)能最主要的形式。BNEF重磅發(fā)布：在 2019年全球陸上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī)容量為53.2GW，海上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī)容量達(dá)到7.5GW的歷史最高水平。其中，中國的裝機(jī)量位居世界前列。中國在2019年新增裝機(jī)容量為 28.9GW，其中陸上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī)26.2GW，海上風(fēng)力發(fā)電的新增裝機(jī) 2.7GW，全球市場占比48%。

因此，發(fā)展風(fēng)力發(fā)電對于我國乃至全球在解決能源問題上已成為重中之重。其中，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于發(fā)電效率相比于水平軸風(fēng)機(jī)較低，目前還沒有進(jìn)行商業(yè)化。曲面百葉窗式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠減小風(fēng)機(jī)的啟動阻力，提升風(fēng)機(jī)發(fā)電效率。

1 百葉窗式結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

1.1 百葉窗的歷史

百葉窗即窗子的一種樣式，發(fā)源于中國。在我國的古代的房屋中，有直條的叫直欞窗，還有橫條的叫臥欞窗。在戰(zhàn)國到漢代中的各個朝代之間都有使用。在現(xiàn)代，百葉窗是由美國人約翰·漢普森（John Hampson）創(chuàng)造的。通過各個時期百葉窗的發(fā)展來看，水平式的百葉窗為百葉窗的基本原型。

1.2 百葉窗的結(jié)構(gòu)

百葉窗是采用一種條形的葉片，通過平行的排列方式，由一根根梯繩將扇葉串聯(lián)起來。人們可以通過調(diào)節(jié)梯繩來調(diào)節(jié)進(jìn)入到室內(nèi)的光線，起到遮陽與通風(fēng)的作用。其葉片多以竹片、塑料、鋁板制作而成，當(dāng)多個葉片彼此嵌掣緊密時，能夠起到一定的抗風(fēng)作用。

1.3 百葉窗式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

目前，使用各種辦公室、酒店的裝飾材料布置家庭，已經(jīng)成為家庭裝飾的又一新潮流。在這當(dāng)中，各種百葉窗簾是被采用較多的裝飾材料之一。百葉窗分為金屬制品和塑料制品兩大類，都很好擦洗。另外，可調(diào)性是百葉窗的一大優(yōu)點(diǎn)，能夠隔絕空間又不影響室內(nèi)采光，深受人們喜愛。

百葉窗式結(jié)構(gòu)通過科學(xué)的設(shè)計風(fēng)道，能夠補(bǔ)償管道流量損失，具有運(yùn)轉(zhuǎn)低噪音、大風(fēng)量、壽命長久等優(yōu)點(diǎn)。廣泛適用于會客廳、辦公室、商場等公共場所。目前，百葉窗式結(jié)構(gòu)并未在風(fēng)電領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2 垂直軸風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 垂直軸風(fēng)機(jī)的現(xiàn)狀

垂直軸風(fēng)力發(fā)電技術(shù)并非新技術(shù)，相比于水平軸機(jī)組，不需要偏航系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)不需要布置在高空中。有資料顯示國外做過兆瓦級的垂直軸實(shí)驗(yàn)型機(jī)組。也有多兆瓦的概念機(jī)型在論證中。目前常見的垂直軸機(jī)組多為微小型發(fā)電機(jī)。僅憑前兩點(diǎn)并不能確定其有真正的成本優(yōu)勢。任何新產(chǎn)品量化后單體成本都會大幅降低，但這只是相對其自身的比較。水平軸機(jī)型作為絕對的主力機(jī)型，由于供應(yīng)鏈健全，技術(shù)相對成熟，可見預(yù)期內(nèi)，在大型風(fēng)電市場上穩(wěn)壓垂直軸機(jī)型。

目前，由于全球變暖，可再生資源不斷被消耗，使得風(fēng)力發(fā)電越來越受到人們的重視，可謂發(fā)展前景廣闊。但是，對于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在與水平軸發(fā)電機(jī)的對比上明顯占據(jù)弱勢，使得垂直軸發(fā)電機(jī)一直處于不受關(guān)注的狀態(tài)。

2.2 垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)展趨勢

《“十三五”規(guī)劃》指出風(fēng)電消納利用目標(biāo)：到2020年，有效解決棄風(fēng)問題，“三北”地區(qū)全面達(dá)到最低保障性收購利用小時數(shù)的要求。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)：風(fēng)電設(shè)備制造水平和研發(fā)能力不斷提高，3-5家設(shè)備制造企業(yè)全面達(dá)到國際先進(jìn)水平，市場份額明顯提升。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對風(fēng)機(jī)使用的要求也越來越高，就目前國外風(fēng)機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢而言，將沿著風(fēng)機(jī)容量不斷增大、高效化、高速小型化和低噪音的方向發(fā)展。

資料顯示，垂直軸風(fēng)機(jī)在未來具有良好的發(fā)展趨勢。目前，對于垂直軸風(fēng)機(jī)的改進(jìn)倍受關(guān)注，風(fēng)電技術(shù)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)！

3 設(shè)計方案

3.1 方案內(nèi)容

本設(shè)計主要是對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)扇葉的一種改進(jìn)，提出了一種新型風(fēng)葉結(jié)構(gòu)，并通過該結(jié)構(gòu)來減少風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的阻力作用，進(jìn)而提升風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。

本設(shè)計為一種曲面百葉窗式風(fēng)力發(fā)電裝置，包括發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)軸和百葉窗式曲面扇葉等，風(fēng)機(jī)軸底端與發(fā)電機(jī)的電機(jī)軸傳動連接，風(fēng)機(jī)軸上豎直安裝有若干均勻分布的曲面扇葉支架，曲面扇葉支架內(nèi)橫向活動安裝有若干百葉窗式曲面扇葉，且每個曲面扇葉支架內(nèi)的若干個百葉窗式曲面扇葉并排形成一個整體阻風(fēng)裝置；本設(shè)計是利用自然環(huán)境資源的綠色環(huán)保的高效率的風(fēng)力發(fā)電裝置，結(jié)構(gòu)簡單、便于加工制造。采用橫向曲面百葉窗式阻風(fēng)裝置后，橫向曲面百葉窗式扇葉相比于傳統(tǒng)扇葉能夠更巧妙的利用重力的影響，進(jìn)一步減小垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動阻力與運(yùn)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)阻力，提高風(fēng)力的發(fā)電效率，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)壓起動，減小了風(fēng)力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的能量損失。

3.2 百葉窗式阻風(fēng)裝置介紹

以下請結(jié)合附圖對本裝置進(jìn)行說明。

圖1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

附圖說明：1-發(fā)電機(jī)；2-風(fēng)機(jī)軸；3-曲面扇葉支架；4-百葉窗式曲面扇葉。

請參照圖1所示，整體阻風(fēng)裝置設(shè)置有四個，且四個整體阻風(fēng)裝置以風(fēng)機(jī)軸為中心軸兩兩對稱分布。四個曲面扇葉支架之間通過螺絲固定安裝有連接套，連接套固定套裝于風(fēng)機(jī)軸上。連接套與風(fēng)機(jī)軸之間通過銷釘插接固定，防止連接套與風(fēng)機(jī)軸連接松動。風(fēng)機(jī)軸與發(fā)電機(jī)的電機(jī)軸之間通過聯(lián)軸器固定連接或通過齒輪箱傳動連接。

總的來說，該阻風(fēng)裝置是對百葉窗與風(fēng)機(jī)扇葉的一種新型的結(jié)合，以一種新型的扇葉來帶動垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)展。

3.3 具體實(shí)施方式

具體的，如圖2該裝置使用時，當(dāng)有風(fēng)經(jīng)過曲面百葉窗式阻風(fēng)裝置時，風(fēng)流吹動右側(cè)百葉窗式曲面扇葉，使百葉窗式曲面扇葉關(guān)閉，使之與曲面扇葉支架形成一個不透風(fēng)的整體；在風(fēng)力的推動下，百葉窗式阻風(fēng)裝置通過曲面扇葉支架繞風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動，從而帶動風(fēng)機(jī)軸轉(zhuǎn)動；左側(cè)百葉窗式曲面扇葉在風(fēng)力作用下打開而減小旋轉(zhuǎn)阻力。如此周而復(fù)始的運(yùn)轉(zhuǎn)，便產(chǎn)生較大的動力，通過風(fēng)機(jī)軸傳遞給底部的發(fā)電機(jī)，使發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖2 風(fēng)機(jī)俯視圖

本裝置制作難點(diǎn)為該阻風(fēng)裝置（由多個百葉窗式小型單體扇葉組成的裝置）內(nèi)部的小型單體扇葉之間重合的微小區(qū)域。該區(qū)域是保證阻風(fēng)裝置能夠改變阻風(fēng)能力的關(guān)鍵。該裝置內(nèi)部的小型單體扇葉自轉(zhuǎn)時的摩擦和相互之間的碰撞也是又一制作重點(diǎn)。

4 其他功能

4.1 裝置內(nèi)部系統(tǒng)

本裝置內(nèi)裝有風(fēng)向儀、風(fēng)速傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、穩(wěn)壓器等電子元件。

4.2 測速及測溫、濕度功能

風(fēng)向儀和風(fēng)速傳感器能夠?qū)崟r提供現(xiàn)場的風(fēng)向及風(fēng)速，確保裝置在安全風(fēng)速下運(yùn)行，防止風(fēng)速過快損壞裝置。風(fēng)向儀采用8232型的智能風(fēng)向儀。

風(fēng)速傳感器和溫度傳感器能夠檢測當(dāng)前的空氣濕度及溫度來判斷當(dāng)前的天氣狀況。傳感器將檢測到的濕度及溫度信號傳遞給相關(guān)控制器。控制器把相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號發(fā)送給數(shù)據(jù)處理器，通過對信號分析進(jìn)行判斷。當(dāng)空氣濕度值大于標(biāo)準(zhǔn)值的時候，天氣有陰雨的狀況，此刻相關(guān)控制器發(fā)出信號控制各部件停止工作，避免由于天氣原因損壞裝置。當(dāng)小于標(biāo)準(zhǔn)值時，證明天氣晴朗，此刻相關(guān)控制器控制裝置進(jìn)行運(yùn)行。濕度傳感器使用的是23K濕度傳感器。

4.3 穩(wěn)壓功能

在風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電時，由于風(fēng)力大小的時刻改變使得其產(chǎn)生的電壓也會隨之變化。穩(wěn)壓器能夠?qū)r刻改變的電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓后進(jìn)行輸出。本裝置使用的是TSD-15000VA型穩(wěn)壓器。

5 結(jié)語

本篇文章通過對現(xiàn)有百葉窗式結(jié)構(gòu)的深度研究，提出一種新型的百葉窗式曲面扇葉，并將其應(yīng)用于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種曲面百葉窗式風(fēng)力發(fā)電裝置，能減小垂直軸風(fēng)機(jī)的阻風(fēng)葉片的起動阻力和運(yùn)轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)阻力，減小了風(fēng)力發(fā)電裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的能量損耗，明顯提高了垂直軸風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率。在對垂直軸風(fēng)機(jī)的改進(jìn)上能夠起到一定的促進(jìn)作用。

就現(xiàn)在社會發(fā)展來看，還并沒有被商業(yè)化的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有很大的潛在價值。人們對垂直軸機(jī)組的研究將會與日俱增，其商業(yè)化大勢所趨。