關于一種能夠實現自適應阻升轉換的垂直軸風力發電機的研究

蔡志宏 余淑婷 萬艷 謝秀齊

廣東理工學院 廣東 肇慶 526000

引言

作為可再生清潔能源中科技研究發展速度最快的發電方式，風能發電擁有廣闊的應用市場，也是人們在可再生清潔能源中最關注的一種能源轉換方式。風力發電機可細分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機，水平軸風力發電機體積大、不能接受風向偏航，必須安裝在地勢較高、風力較強的偏遠地區。而垂直軸風力發電機風輪旋轉軸與風向垂直，風輪的轉動方向與風向無關，相較水平軸風力發電機組結構簡單、噪音低、安全性好、易維護[1]。為了達到自啟動和高轉換率同時兼容的問題，設計了一種自適應阻升轉換的垂直軸風力機，這是一種新的組合方式。其創新點在于該風力機可以通過測速儀測量風速大小，根據風速改變每個葉片的大小從而變更捕風方式，實現阻力風力機和升力風力機的轉換。

1 設計原理

該風力機屬于一種新的組合方式，特征在于風力發電機通過測速儀測量風速大小，每個葉片可以根據風速的大小變更捕風方式。在低風速的時候，葉輪風速測速儀通過測量風速，當風速低于升力風力機的最低啟動速度的時候，根據風速的大小，風輪的葉片進行折疊，在根據此時的風速大小，來決定葉片的折疊程度。但風速高于升力模式的風力機的啟動速度時，將轉換為升力模式，提高風力機的高效率問題。

風力機的最主要的就是將周圍流動的空氣轉換為能量，所以風能的利用率決定著風力機的性能，雖然阻力型的風力機可以提供較高的的轉矩，但是風能的利用率較低，例如傳統的阻力風力機風能的利用率只有15%，低效率的原因就是當一個葉片順風運動時，另一片葉片處于逆風運動。而升力狀態下的發電模式，風力機的風能利用率可以達到35%左右[2]。為了充分將不同速度的風利用起來，風力機可以實現阻力風力機和升力風力機的轉換。

1.1 低風速轉換

在風速達不到升力模式的時候，葉輪風速測速儀測得風速大小，輸出脈沖信號至主MCU芯片，通過算法計算，輸出信號至步進電機，步進電機帶動齒輪，更改風輪葉片的方式。

1.2 高風速轉換

在風速達到升力模式的時候，葉輪風速測速儀測得風速大小，輸出脈沖信號至主MCU芯片，通過算法計算，輸出信號至步進電機，步進電機帶動齒輪，更改風輪葉片的方式。風輪作為整個風力機的重要構件，不僅將流體的動能裝換為風輪的機械能，而且還要承受風葉以及其他構件，所以風輪的設計對風力機的性能和安全性起著至關重要的作用[3]。自適應阻升轉換垂直風力機的風輪主要由機翼截成前后兩部分，可實現整個葉片的張開，實現升力和阻力模式的轉換。前機翼的活動范圍比后機翼的活動范圍大。

2 測風速傳感器的工作原理與實現方法

2.1 傳感器的工作原理

該裝置的風速采集傳感器采用脈沖式風速測量傳感器，脈沖式風速測量傳感器能夠實現該測量裝置與風力機結合在一起，大幅度降低安裝設備的難度，脈沖式傳感器的優點就是體積小、質量小、原理簡單，降低維修設備的難度，同時能夠將風速的模擬量和電子的脈沖數進行轉換，并且將其與單片機相連，實現與單片機的數據采集，采集的數據清晰、準確[4]。

2.2 檢測的方法

脈沖式風速測量傳感器的基本原理就是風速帶動傳感器，葉片轉動時引發的光電編碼器輸出信號，通過對單位時間內脈沖信號計數，實現風速的測量。該傳感器采用工業塑料制成的風杯式傳感器作為傳感元件。當風吹起時，風推動葉片旋轉，葉片軸部的光電編碼器對轉動的圈數進行計算，當葉片轉動一圈，光電編碼器輸出一個脈沖信號，本風力機將光電編碼器與主MCU單片機的輸入引腳結合子在一起，通過單片機內部的計數器，即可實現對脈沖信號的計數，進而實現風速的測量。

3 結束語

隨著國家對可再生清潔能源寄托的期望越來越高，風能發電具有十分廣闊的發展前景。本文提出一種小型垂直軸風力發電機的設計結構，主要由葉片、傳感器、主MCU單片機等結構件組成，垂直軸風力發電機組的發展和應用必在市場上具有巨大發展潛力。