關(guān)　新，王昊辰

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

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可伸縮葉片小型垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)

關(guān)新，王昊辰

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

摘要：針對(duì)微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)應(yīng)用，結(jié)合葉素—?jiǎng)恿坷碚?，在滿足風(fēng)電機(jī)組輸出電量的前提下，對(duì)垂直軸小型風(fēng)電設(shè)備葉輪進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)更便于攜帶，葉片可以自由伸縮，存儲(chǔ)或運(yùn)輸時(shí)可以節(jié)省大量空間，并且風(fēng)輪葉片能根據(jù)風(fēng)速變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證輸出的電壓在一個(gè)穩(wěn)定區(qū)間之內(nèi)。

關(guān)鍵詞：小型垂直軸；風(fēng)力機(jī)；葉片；可伸縮；自動(dòng)調(diào)節(jié)

目前風(fēng)能已經(jīng)成為不可或缺的清潔可再生能源，全世界各個(gè)國(guó)家都在大力發(fā)展風(fēng)能作為能源支柱產(chǎn)業(yè)。雖然風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅猛，但主要的研究方向集中在大型、巨型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，在微型、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和研制上卻少有企業(yè)和學(xué)者關(guān)注。在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)居民和長(zhǎng)期在野外的工作者，微小型風(fēng)電機(jī)組仍然有很大的競(jìng)爭(zhēng)力和使用前景。因此針對(duì)于微小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)與研究是十分必要的。

1葉片氣動(dòng)性能計(jì)算

直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的外形雖相對(duì)簡(jiǎn)單，但氣動(dòng)特性卻很復(fù)雜。目前垂直軸風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)計(jì)算和設(shè)計(jì)的常用方法有模型法和數(shù)值計(jì)算法兩類。其中，模型法結(jié)合了空氣動(dòng)力學(xué)和流體力學(xué)的理論，利用水平軸風(fēng)力機(jī)的分析方法建立動(dòng)量模型、渦流模型或者葉柵模型，其研究比較成熟，應(yīng)用也比較廣泛。數(shù)值分析法研究歷史短，但發(fā)展很快，已經(jīng)成為升力型風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)計(jì)算的重要方法。

氣動(dòng)性能分析選擇雙盤面多流管模型方法，此方法能夠定性的分析風(fēng)輪的氣動(dòng)特性，在初步氣動(dòng)參數(shù)選擇時(shí)能起到重要作用。直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪葉片在幾何外形上沒有變化，各葉素之間的相互影響很小，可以忽略，二維風(fēng)輪模型便可模擬風(fēng)輪的基本流場(chǎng)，而且因?yàn)槿~素間和葉片間干擾相對(duì)于水平軸風(fēng)力機(jī)小得多，故評(píng)估氣動(dòng)性能的時(shí)候可不進(jìn)行修正。

根據(jù)葉素—?jiǎng)恿坷碚?，風(fēng)輪盤面被分成上風(fēng)區(qū)、下風(fēng)區(qū)2個(gè)盤面，如圖1所示為一個(gè)流管通過風(fēng)輪時(shí)的示意圖。每一個(gè)流管可以根據(jù)基本原理發(fā)展到多流管模型。

根據(jù)葉素—?jiǎng)恿坷碚摻⒍嗔鞴苣Ｐ?，在此模型中，?duì)于直葉片風(fēng)輪，葉片在高度上半徑無變化，作用在風(fēng)輪上的扭矩為

圖1　風(fēng)輪的流管模型葉素受力分解

(1)

式中，M為葉片數(shù)；c為葉片弦長(zhǎng)；ρ為空氣密度；H為葉片長(zhǎng)度；R為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)半徑；v00為作用在葉素處的合速度，其中

(2)

ct=tlsinα-cdcosα

(3)

式中，ct為葉素氣動(dòng)法向力系數(shù)；θ為風(fēng)輪對(duì)于旋轉(zhuǎn)中心所占角度；v∞為原始風(fēng)速；α0為誘導(dǎo)速度因子；cl為升力系數(shù)；cd為阻力系數(shù)；α為葉片攻角；λ為葉尖速比，其中

(α0cosθ)2]=α0(1-α0)cosθ

(4)

(αecosθ)2]=αe(1-αe)cosθ

(5)

由于誘導(dǎo)速度因子的計(jì)算較為復(fù)雜，建議采用取特殊值的方法，確定不同θ值下的αo值之后，使用相關(guān)計(jì)算軟件直接擬合出θ與αo的關(guān)系曲線。雖然在數(shù)值上不能保證十分精確，但是可以做到在誤差可接受范圍內(nèi)大大減少計(jì)算量。同樣需要注意的是，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同，流場(chǎng)分為上風(fēng)區(qū)與下風(fēng)區(qū)，因此對(duì)于此關(guān)系的計(jì)算需要分為兩個(gè)部分。

設(shè)計(jì)的直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片安裝角為0，故入流角即是攻角，攻角可通過下式進(jìn)行計(jì)算

(6)

當(dāng)選取的翼型為對(duì)稱翼型時(shí)，攻角α皆為正值，而適用于風(fēng)力機(jī)的專用翼型大都是非對(duì)稱翼型，因此攻角有正有負(fù)。

2工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可伸縮葉片小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由兩個(gè)部分組成：一是上部分即風(fēng)輪部分，二是可伸縮葉片小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的基座部分，其中包括盤式發(fā)電機(jī)模塊、控制模塊、穩(wěn)壓模塊、內(nèi)置鋰電池模塊，電能輸出模塊和固定模塊。

圖2　左視圖與俯視圖(葉片展開時(shí))

設(shè)計(jì)的特點(diǎn)為風(fēng)輪葉片部分可以展開與閉合。工作時(shí)風(fēng)輪葉片展開，其工作形式與普通的直葉片垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作形式?jīng)]有區(qū)別。當(dāng)風(fēng)速不斷增加時(shí)，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)角速度不斷加大，風(fēng)輪葉片所產(chǎn)生的離心力也不斷增大，帶動(dòng)彈簧機(jī)構(gòu)使風(fēng)輪葉片的展開程度減小，進(jìn)而可以控制風(fēng)輪葉片所產(chǎn)生的扭矩處于一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間之中，因此與之相連接的盤式發(fā)電機(jī)的輸出電壓也能處于一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間。在不使用時(shí)，可以將風(fēng)輪葉片向中心收攏形成一個(gè)柱體，完全可以收在一個(gè)盒子或小型旅行包之中。因此，相比于傳統(tǒng)的設(shè)備，能夠減少大量的空間。底座設(shè)計(jì)為橡膠吸盤的形式，使用時(shí)可以產(chǎn)生負(fù)壓吸附在任何比較光滑的表面上面，并且不會(huì)對(duì)所吸附的表面產(chǎn)生任何的損壞，比如汽車頂部或者桌子上面。

根據(jù)氣動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果，對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)樣圖如圖3、圖4所示。

圖3　葉片完全展開與半展開狀態(tài)

圖4　葉片閉合與展開狀態(tài)

3可伸縮葉片小型垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)未對(duì)翼型做出優(yōu)化，只選擇了NACA4412翼型進(jìn)行計(jì)算，圖5為NACA 4412翼型在不同葉片數(shù)下風(fēng)能利用系數(shù)與葉尖速比的曲線。

經(jīng)過對(duì)葉片的計(jì)算，取得適合可伸縮葉片小型垂直軸風(fēng)力機(jī)的工作參數(shù)。工作參數(shù)如下表1所示(參數(shù)均為在理想條件下取得)。

圖5　NACA4412翼型不同葉片數(shù)風(fēng)能利用

啟動(dòng)力矩0.05N/m葉片數(shù)量4啟動(dòng)風(fēng)速2m/s額定功率10W額定風(fēng)速10m/s最大功率15W發(fā)電機(jī)形式三相交流永磁額定轉(zhuǎn)速400r/min葉片長(zhǎng)度300mm工作電壓DC12V葉片材質(zhì)鋁合金重量2.3kg

4內(nèi)部系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

如上圖6所示，可伸縮葉片小型垂直軸風(fēng)力機(jī)內(nèi)部電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，具有通用性強(qiáng)、模塊集成度高，成本較為低廉的特點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出電壓為3 V，有兩種供電模式：直接供電模式和內(nèi)置鋰電池供電模式。當(dāng)兩種模式使用條件均滿足時(shí)，優(yōu)先選擇第一種供電模式。當(dāng)不需要對(duì)外輸出電能時(shí)，發(fā)電機(jī)電流經(jīng)處理之后存入內(nèi)置鋰電池之中，以便在無風(fēng)時(shí)提供電能輸出。

對(duì)于輸入電路模塊的選擇，設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)單。下圖為可伸縮葉片小型垂直軸風(fēng)力機(jī)充電電路，輸入電壓20 V~80 V。電路采用如圖7所示的斬波型降壓PWM開關(guān)方式，不需要變壓器，只需要電感，故電路簡(jiǎn)單。

圖6　內(nèi)部電路系統(tǒng)

圖7　輸入穩(wěn)壓電路模塊

鋰電池充電電路采用CN3052鋰電池充電芯片，CN3052可以編程設(shè)定充電電流，對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行恒流或恒壓充電，只需要極少的外圍元器件，并且符合USB總線技術(shù)規(guī)范，非常適合于便攜式應(yīng)用的領(lǐng)域。應(yīng)用電路如圖8所示，輸出電壓為4.2 V，精度可達(dá)1% ，CE為芯片使能端，高電平有效。綠色LED用于指示電池是否處于故障狀態(tài)，紅色LED用于指示是否處于充電狀態(tài)。設(shè)計(jì)中TEMP管腳接地，未使用溫度檢測(cè)功能。R4 用于設(shè)定恒流充電電流。設(shè)計(jì)中R4 為10 kΩ，充電電流為180 mA。

圖中，PIN為穩(wěn)壓模塊輸出端；VIN為電源輸入恒流輸出通道；CE為芯片使能端；BAT為電池；TEMP為溫度檢測(cè)端；ISET為輸出電流；CHRG為充電狀態(tài)指示；FAULT為故障顯示端。

圖8　電池穩(wěn)壓電路模塊

5結(jié)語

所設(shè)計(jì)方案中小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的新型可伸縮葉片形式，能夠在存儲(chǔ)的時(shí)候節(jié)省大量空間，十分適合有戶外工作需要的人們使用。該設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)單，但非常實(shí)用。此設(shè)備的初次投入會(huì)比較高，但風(fēng)力機(jī)全壽命周期折算下平均成本卻很低。因此實(shí)際上對(duì)于使用者來說，此設(shè)備的使用在經(jīng)濟(jì)上是劃算的，適于投入大規(guī)模的生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)

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(責(zé)任編輯佟金鍇校對(duì)張凱)

Design of a Small VAWT with Adjustable Blades

GUAN Xin,WANG Hao-chen

(School of Renewable Energy,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Aiming at the prospect for the small VAWTs,a new type VAWT with adjustable blades was designed.Compared with the traditional ones,the new type is much easier to be carried.Owing to the adjustable blades,it can save a lot of space when transported or stored.Blades can be adjusted automatically with the mutative wind to ensure the output voltage in a stable region.

Key words：small VAWT;wind turbine;blades;scalable;automatic adjustment

中圖分類號(hào)：TK83

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2016)01-0001-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.01.001

作者簡(jiǎn)介：關(guān)新(1979-)，男，遼寧本溪人，講師，博士研究生。

收稿日期：2015-04-25