一種結構優化的阻力型垂直軸風力發電機

伍玩秋 潘新宇 林毅貞 陳浩彬 夏麗麗

(1、陽江職業技術學院,廣東 陽江529500 2、廣東明陽新能源科技有限公司,廣東 陽江529500)

風能是國家新能源開發的重要方向,風電裝備制造是“中國制造2025”提出的重點領域,風力發電正日益成為支撐國家未來能源需求的支柱力量。當前在內陸,小型風力發電機鮮有布局,究其原因除內陸地區的風能密度較低、風向不穩定等因素外,相關風力發電裝備的研發滯后也是重要原因之一。為此提出一種基于風輪結構優化的阻力型垂直軸風力發電機,希望能為相關問題的解決提供有價值的參考方案。

1 阻力型垂直軸風力發電機的優化結構

傳統阻力型垂直軸風力發電機存在的主要問題源于風輪,因此對傳統阻力型垂直軸風力發電機的改進主要體現在對風輪的優化的設計。改進后的阻力型風力發電機主要由風輪、固定裝置、發電機及電氣系統組成。其三維效果如圖1 所示。

圖1 風力發電機三維效果圖

1.1 風輪

1.1.1 風輪構件

風輪結構效果圖如圖2、圖3 所示,主要由葉片、圓盤、加固板及轉軸等元件構成。其中葉片包括3 個上層葉片和3 個下層葉片,每個葉片的內側縱邊均為加強邊；圓盤包括圓盤(上)、圓盤(中)和圓盤(下)；加固板包括1 個上端加固板、2 個中部加固板和1 個下端加固板；轉軸包括上端轉軸和下端轉軸。各構件之間均剛性連接,渾然一體。

圖2 風輪三維效果圖

圖3 半透明風輪三維效果圖

1.1.2 風輪結構特點及創新點

1.1.2.1 上下兩層葉片錯開的風輪結構,優化了風輪的起動性能。如圖2 所示,風輪總體呈圓柱狀,分為等高的上下兩層,每一層葉片的縱向外側邊與圓盤外沿對齊；如圖5 所示,兩層葉片在圓盤上的垂直投影為6 段布局均勻的相同半圓弧(深色3 條為其中一層的葉片,淺色3 條為另一層葉片),它們的外端點均勻地將圓盤圓周分成6 段600的等弧。這種上下兩層葉片相互均勻錯開的結構,具有兩個優點:一是起動風速低,基于此方案的小型樣機模型的起動風速可低至1.7m/s；二是能應對風輪上下兩層風況不同時的起動問題,因為這種錯開結構使風輪在任何一個對風位置,上、下層葉片中總有一個葉片受到的較大的風力,避免了風輪起動時可能出現的不起動的對風“死角”,從而使風輪的起動性能得到進一步的優化。

圖5 上下兩層葉片垂直投影圖

1.1.2.2 半圓筒葉片布局合理,相對尺寸適宜,有助提高風輪對風速的適應范圍和風能利用率。如圖3 所示,風輪上下兩層均采用垂直安裝的相同半圓筒葉片；各層葉片大小完全相同,同一層葉片在水平圓盤上的垂直投影為3 段相同的半圓弧,半圓弧外端點均勻地將圓盤圓周分為3 段120°的等?。蝗鐖D4所示,圓盤半徑R 與半圓弧所在圓半徑r 之比為24:13。這種非軸對稱而又相對均勻的葉片布局和相對尺寸具有以下優點:一是垂直安裝的半圓筒葉片對風時,只產生水平方向的阻力而不產生豎直方向的升力,正是這種葉片受到的阻力使風輪產生水平方向的轉矩；二是葉片內側有部分交錯空間(間隙),能使進入風輪的氣流經第一個葉片吸收能量后,依次通過間隙進入第二個葉片,甚至第三個葉片實現了氣流能量的二次、三次利用,因而提高了風能利用率；三是由于這個間隙利于尾氣的自然釋放,使風輪能夠承受較大的風速。采用控制變量法進行的小型風輪對比實驗表明,與傳統的相同尺寸的單層兩葉片風輪相比,基于這種半圓筒葉片結構的風輪具有較佳的吸收風能性能,在3m/s-15m/s 風速(風力等級介于2-7 級)區間,風能利用率相對較高。

圖4 葉片所在圓半徑與圓盤半徑比例圖

1.1.2.3 風輪內部無中心軸,提升了風輪內氣流的質量和風能吸收的效率。一是采用了加強邊葉片(如圖3 所示)。所謂加強邊葉片,是將直徑與葉片厚度相等的高強度合金材料制成的圓柱條嵌入到半圓筒葉片靠近風輪中軸線的縱向內側邊上；二是采用了等邊三角形加固板(如圖5 所示)。其中風輪上、下兩端的加固板的一個端面與圓盤結合,風輪上、下兩端的短轉軸(如圖3 所示)的其中一端鑲嵌入加強板中間的大孔,葉片加強邊內的圓柱條的一端則對應鑲嵌入加固板的三個小孔；兩個中部加固板的其中一端面與公共圓盤結合,葉片加強邊內圓柱條的另一端則對應鑲嵌入加強板的三個小孔。

在加固板的連結作用下,風輪各構件之間形成了三角形穩定結構(圓盤與葉片結合處呈圓弧結構,從微分學角度看也屬三角形穩定結構)；同時上下兩層加固板和風輪葉片在水平面圓盤上的投影疊加后構成中心對稱圖形和軸對稱圖形,保證了風輪重心落在軸線上；另外風輪構件只沿縱向剛性連接而無橫向連接,迎合了垂直轉體運轉特征要求,可以避免風輪高速轉動時外側部件因受離心力作用而飛脫或解體,改善了設備的穩定性?；谏鲜鼋Y構,圍繞中軸線均勻分布的三條縱向加強邊可以等效為一條隱形的中心轉軸,在各部件材料強度符合要求的前提下,風輪完全可以在無中心轉軸的情形下實現正常穩定轉動。

風輪內部無中心轉軸的結構優點在于:尾氣通過葉片交錯間隙時能避免軸對尾氣造成沖擊產生噪聲,或形成紊亂氣流而影響風輪吸收風能的質量；同時使風輪內氣流通道進一步暢通,增強了風輪應對高風速氣流的能力。

1.2 固定裝置

1.2.1 固定裝置構件

如圖6 所示,固定裝置主要由三腳支架、塔桿、轉軸、軸承等組成。如圖1、圖6、圖7 所示,其中三腳支架由風輪上端Y 形支架、風輪下端Y 形支架、底座Y 形支架、3 條豎桿及風輪上、下端的軸承套、軸承、軸承蓋等構成。

圖6 風輪上端支架及軸承(半透明)三維效果圖

圖7 風輪下端支架及軸承(半透明)三維效果圖

1.2.2 固定裝置結構特點

豎桿與橫桿之間、橫桿與正六邊形軸承套之間,采用雙側L形鐵片或T 形鐵片,通過螺絲固定,便于安裝和拆卸,同時基于正六邊形軸承套和Y 形支架的對稱結構,以及L 形或T 形鐵片形成的三角形穩定結構,風輪可以在其中獨立、對心、穩定地轉動；軸承蓋為軸承防塵提供了保障；風輪下端轉軸與塔桿內轉軸之間用連軸器連接,方便風輪安裝和拆卸；底座支承于Y 形支架上部可以加強整個風機的剛性結構,還能避免底座內的發電機、電氣線路等接觸地面,有效防止受潮、短路等設備故障。

1.3 電氣系統

1.3.1 電氣系統結構

如圖8 所示,電氣系統由交流發電機、整流模塊、穩壓模塊、儲電模塊、直流調壓模塊等構成,可以為直流電負載(電器)供電；增加逆變模塊和交流調壓模塊后,能將整流、穩壓后輸出的12V(或24V、48V)的直流電壓逆變為50Hz、220V 的交流電,以滿足燈具、電視機、電腦、洗衣機等交流電器的用電需要(風力發電機的發電功率一般應達到1kW 以上。

圖8 電氣系統結構示意圖

1.3.2 發電機及其整流結構

如圖9 所示,本方案采用三相交流發電機；與之配套的是由6 個整流二極管(VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6)組成的整流電路；直流輸出端并聯了一個大容量的濾波電容C。

圖9 三相交流發電機及整流電路

從圖9 可以看出,三相交流發電機發出的三相交流電經過整流電路后變為一組直流電。三相交流發電機的引入使其有了更加明顯的發電效果,因為在理論上,在發電機轉子轉速及其線圈匝數相同的情況下,三相交流發電機所發的電量大約等于單相交流發電機所發電量的3 倍；輸出端并聯的大容量濾波電容C 可以將整流后殘余的一些交流成份過濾掉,從而使輸出的直流電壓更加平穩。

2 優化后的阻力型垂直軸風力發電機工作原理及過程概述

如圖10 所示,當水平氣流吹向風輪時,風輪對風側迎風。迎風側又可分為凹面對風側和凸面對風側,其中凹面對風側產生正向轉矩(其方向與風輪轉動方向相同),而凸面對風側產生反向轉矩(其方向與風輪轉動方向相反)；得益于半圓筒葉片的圓弧形曲面特征,其對風時的正向轉矩通常為反向轉矩的3-4倍,正、反向轉矩部分抵銷后風輪轉矩仍然達到凹面對風側產生的正向轉矩的2/3-3/4,這足于推動風輪起動；風輪通過傳動機構將機械能傳送至發電機轉子,再通過發電機轉子切割磁力線產生相位相差120°的三相交流電,然后經過整流模塊、穩壓模塊、儲電模塊、直流調壓模塊輸出直流電,或經逆變器、交流調壓模塊輸出交流電,最后成為直流電器或交流電器的供電電源。

圖10 風輪對風時產生的轉矩

風力發電機的工作過程如圖11 所示。

圖11 阻力型垂直軸風力發電機工作進程圖

3 樣機對比實驗

3.1 實驗說明

基于本方案的阻力型垂直軸風力發電機適合制造功率為3-5kW 的獨立型(非并網)的小型風力發電機。對比實驗需要有相對平穩的水平氣流,而陸上自然風場的氣流受地形及周圍建筑物的影響,較難形成風向和風速都相對穩定的水平氣流,所以只能以工業用的大功率立式風扇來產生模擬風場環境；受模擬風場環境的有效范圍所限,樣機功率不可能做足至3kW 以上,因此實際樣機功率約100W 左右。作為對比實驗,這并不影響實驗得出的結論。

3.2 實驗方案

實驗對象:改進后的阻力型垂直軸風力發電機的主要創新點在于風輪設計,因此對比實驗的雙方是本方案中的雙層三葉片風輪和傳統的單層兩葉片風輪(屬于阻力型垂直軸風輪中風能利用率較高的薩握紐斯風輪),如圖12 所示。影響風輪風能利用率的主要因素有:①風速風況；②風輪結構；③風輪大小(即對風面積大小,主要取決于風輪的高度和直徑)；④支承風輪轉動的固定裝置及傳動系統。

圖12 等底等高的傳統單層兩葉片風輪(左)和本方案兩層三哇片風輪(右)

實驗目的:研究比較本方案中的雙層三葉片風輪與傳統的單層兩葉片風輪性能的優劣,具體的比較指標包括起動性能(起動風速及有無對風“死角”)、風能利用率、噪聲、有效風速范圍等。

實驗方法:采用控制變量法對樣機模型進行對比實驗。以基于本設計方案的小功率阻力型垂直軸風力發電機為試驗樣機,保持兩次對比實驗的風速風況、風輪大小(對風面積大小)、支承風輪轉動的固定裝置及傳動系統相同,亦即前后兩次試驗中除風輪以外的其余部件共用,實驗轉換過程只是風輪的更換操作過程),為此建立如表1 所示的對比實驗環境。

表1 對比實驗的變量控制及其保障

實驗數據:見表2。

表2 對比實驗測定數據(結果)

3.3 實驗結論

從實驗測定數控可以看出,傳統單層兩葉片風輪與本方案雙層三葉片風輪相比,在相同風況下,后者的風輪轉速比前者高出24r/min,開路輸出電壓高出29.8V,說明后者具有較高的風能利用率；后者的起動風速比前者的起動風速低0.8m/s,前者有而后者無對風“死角”,說明后者的起動性能更好；后者附近的噪聲級數值比前者附近的噪聲級數值更低,說明后者的環保性能更佳；后者能承受的最大風速比前者更高,說明其有效發電的風速范疇更大。

綜上,在所有對比指標中后者均占優,說明本方案中的兩層三葉片風輪總體性能較佳。

4 結論

綜上可知,阻力型垂直軸風力發電機的優化設計重點在于其風輪結構的優化設計,其創新點主要包括:①上下兩層葉片錯開的風輪結構,降低了起動風速,避免了風輪起動時可能不起動的對風“死角”,優化了風輪的起動性能。②半圓筒葉片布局合理,相對尺寸適宜,提高風機有效發電的風速范圍及其風能利用率。③風輪內部無中心轉軸的結構避免了軸對尾氣造成的沖擊和噪聲,暢通了風輪內的氣流,提升了風輪吸收風能的質量和應對高風速氣流的能力。

基于本方案形成的風力發電機產品,結構相對簡單,零部件較少,材料要求不高(玻璃纖維就足夠了),加工工藝也不復雜,因而成本也相對較低；相關產品能適應任何風向,起動風速低,風能利用率較高,非常適合布局在廣大城鄉道路兩旁、居民住宅頂部等風向多變的陸上環境。從性價比、用戶需求角度并結合空氣動力學、結構力學的技術要求來看,相關風力發電機產品宜小型化,功率介于3-5kW 功率(一般能滿足單個普通家庭的用電),獨立運行(非并網)并具有儲電功能和逆變功能,既可以為內陸無公共電網的偏遠地區的單家獨戶供電,也可作為有公共電網地區家庭或路燈、信號燈的補充電源。目前陸上小型風力發電機的布局幾乎是空白,相關產品的應用前景廣闊。