基本信息
- 項目名稱：
- 變攻角升阻力混合型垂直軸風力發(fā)電機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該作品屬于垂直軸風力發(fā)電機，具有安裝維護簡單、噪聲低、葉片受力穩(wěn)定等垂直軸風力機的固有優(yōu)點。特點在于風力機風輪由兩個葉片組成，可依據風速風向儀、光電編碼器測得的風向、風速、葉輪轉速及轉角等信號，通過單片機控制每個葉片驅動電機，自動調節(jié)各葉片的攻角以獲得最大的驅動力矩和發(fā)電效率。該系統(tǒng)可以廣泛地應用在風力資源較豐富的哨所、島嶼、偏遠山區(qū)等風力資源較豐富的地區(qū)，免除遠距離的電線電纜的建設費用，帶來巨大的經濟效益。
- 詳細介紹：
- 變攻角風力發(fā)電機采用全自動控制葉片攻角的方法，風輪由兩個葉片組成，每個葉片由一個直流電機調節(jié)葉片的轉角。依據風速風向儀、光電編碼器測得的風向、風速、葉輪轉速及轉角等信號，通過單片機控制每個葉片驅動電機，自動調節(jié)各葉片的攻角，發(fā)揮阻力型起動特性好和升力型風能利用效率高的特點，實現了升阻力混合控制。 該作品繼承了傳統(tǒng)垂直軸風力機安裝維護簡單、噪聲低、葉片受力穩(wěn)定的優(yōu)勢，同時彌補了傳統(tǒng)垂直軸風力機的不足： a．降低了垂直軸風力機的起動風速:在風車起動時，通過調節(jié)攻角保證葉片有最大的迎風角度，使風力機作為阻力型風力機起動，提高了起動力矩； b．提高了垂直軸風力機的發(fā)電效率：在風力機運行的過程中，實時測量風向、風速、葉輪轉速及轉角等信號，自動調節(jié)葉片攻角，充分利用葉片的升力和阻力，以獲得最大的效率； c．調速、限速方便，提高了安全性：風力機運行過程中，當轉速過高時，通過調節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內，可以省去機械限速裝置。 該作品適合用于大型的風電場，因為在風電場中，同一地點范圍的風向、風速信號，可作為該范圍多個風力機葉片攻角調節(jié)的依據，降低了傳感器使用成本；在相同尖速比的情況下，風輪直徑越大，轉速越小，葉片攻角變化越慢，葉片轉角調節(jié)電機功率損耗越小?；谏鲜鲞@兩點的考慮，該作品可促進垂直軸風力機向大型化發(fā)展，帶來巨大的經濟效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1.設計發(fā)明目的和基本思路： 風力發(fā)電機主要分水平軸風力機和垂直軸風力機兩種類型。目前商業(yè)發(fā)電以水平軸為主。與水平軸風力機相比，垂直軸風力機具有安裝維護方便、噪聲小、葉片受力穩(wěn)定的優(yōu)點。垂直軸風力機分為阻力型和升力型，阻力型風力機起動性能較好，但只有小型風力機在低風速下才能獲得較大的風能利用率；升力型風力機可用于大型風力機，能獲得較高的風能利用率，但大型風力機沒有自起動能力。 針對上述問題，該作品采用全自動控制葉片攻角的方法，發(fā)揮阻力型起動特性好和升力型風能利用效率高的特點，實現升阻力混合控制，從而降低起動風速，提高風能利用率。 2. 創(chuàng)新點： a．降低了垂直軸風力機的起動風速:在風車起動時，通過調節(jié)攻角保證葉片有最大的迎風角度。 b．提高了垂直軸風力機的發(fā)電效率：風力機運行的過程中，實時測量風向、風速、葉輪轉速及轉角等信號，自動調節(jié)葉片攻角，充分利用葉片的升力和阻力。 c．調速、限速方便：當轉速過高時，通過調節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內，可省去機械限速裝置。 3.技術關鍵： 依據風速風向儀、光電編碼器測得的風向、風速、葉輪轉速及轉角等信號，通過單片機控制每個葉片驅動電機，自動調節(jié)各葉片的攻角以獲得最大的驅動力矩和發(fā)電效率。 4.技術指標：葉片翼型--NACA0012;葉片數量--2;風輪直徑L--2m;風輪高度H--2m;起動風速--2m/s;發(fā)電功率（10m/s)--800w。
科學性、先進性
- 1．繼承了傳統(tǒng)垂直軸風力機的優(yōu)勢： 1）安裝維護方便：垂直軸風力機的發(fā)電機及變速箱可安裝在地面。 2）葉片壽命較長：水平軸風力機的葉片在運行過程中，受重力和離心力綜合作用，葉片受交變載荷；垂直軸風力機的葉片受力方向始終不變。 3）噪聲?。核捷S風輪的尖速比在5-7之間，高速下葉片切割氣流將產生很大的氣動噪音；垂直軸風輪的尖速比在1.5-2之間。 2．具有科學性和技術先進性： 1）應用葉素理論求得作用在葉片上的氣動力，結合理論力學知識求得葉輪的驅動力矩和瞬時功率，并運用Matlab軟件分析得到葉片攻角的最優(yōu)變化規(guī)律和兩種控制策略下的風力機氣動性能。 2）采用全自動控制方法，由單片機采集風向、風速、葉輪轉速及轉角等信號并直接控制電機調節(jié)葉片攻角，充分利用葉片的升力和阻力，以獲得最大的驅動力矩和發(fā)電效率，使風力機適應任意的風速和轉速范圍。并且當高風速下，可通過自動調節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內。
獲獎情況及鑒定結果
- 2009年XXX大學第十五屆大學生課外學術科技作品競賽榮獲一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 技術轉讓或合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實物、產品;現場演示;錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 1.使用說明（詳見申報材料） 2.技術特點和優(yōu)勢： 1）采集風向、風速及轉速信號，實時自動調節(jié)葉片攻角。 2）提高起動力矩，降低起動風速 3）提高發(fā)電效率，維持安全的轉速范圍。 3.適用范圍： 該作品可以應用在哨所、島嶼、偏遠山區(qū)等風力資源較豐富的地區(qū)，免除遠距離的電線電纜的建設費用；也可以應用于風速較低的場合，作為單個家庭使用。 4.市場分析和經濟效益預測： 該作品具有安裝維護方便、噪聲小及葉片受力穩(wěn)定的傳統(tǒng)優(yōu)點，并且提高了發(fā)電效率，降低了起動風速；在風電場中，同一地點范圍的風向、風速信號，可作為該范圍多個風力機葉片攻角調節(jié)的依據，降低了傳感器使用成本；在相同尖速比的情況下，風輪直徑越大，轉速越小，葉片攻角變化越慢，電機功率損耗越小?；谏鲜隹紤]，該作品更適合于大型風力機，可促進垂直軸風力機向大型化發(fā)展，帶來巨大的經濟效益。
同類課題研究水平概述
- 風力發(fā)電機按風輪軸的方向可分為水平軸風力機和垂直軸風力機。能量驅動鏈(即風輪、主軸、增速箱、發(fā)電機)為水平方向的，是水平軸風力機。能量驅動鏈為垂直方向的，是垂直軸風力機。 水平軸風力發(fā)電機比垂直軸風力機出現較早，并得到了廣泛的應用，多用于大型水平軸風電場。 垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到20世紀20年代才開始出現（Savonius式風輪——1924年，Darrieus式風輪——1931年）。由于人們普遍認為垂直軸風輪的尖速比不可能大于1，風能利用率低于水平軸風力發(fā)電，因而導致垂直軸風力發(fā)電機長期得不到重視。 近年來，越來越多的機構和個人開始研究垂直軸風力發(fā)電機，并取得了長足的發(fā)展。 目前，大型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率絕大部分是由葉片設計方法計算所得，一般在40%以上；但一些機構對測試方法提出質疑，認為依據風輪后部測試的風速計算出的發(fā)電效率偏高，需做出修正。 傳統(tǒng)的垂直軸風力機: 傳統(tǒng)的垂直軸葉輪的轉動與風向無關，因此不需要像水平軸風力機那樣采用迎風裝置。美國公司FloWind和英國Peter Musgrove團隊分別研制了基于達里厄風力機原理的φ型和H型風力機。國內上海模斯電子設備有限公司和上海麟風風能科技有限研制了中小型垂直軸風力發(fā)電機。該類風機都屬于固定葉片的垂直軸風力機，大型風力機起動性能差，特別是達里厄風力機沒有自起動的能力。 變攻角垂直軸風力機： 國外相關研究成果： 活動葉片垂直軸風輪，葉片的角度變化是應用導桿或凸輪機構獲得，試驗表明在低風速下該垂直軸風輪的效率比傳統(tǒng)的達里厄風力機要高，還有自起動的優(yōu)點。 國內相關研究成果： 專利號為200610023892.2，發(fā)明名稱為 垂直軸風力發(fā)電機葉片攻角調節(jié)裝置。 葉片與齒輪固定連接，在一定強度的風力作用下，齒條一端的滾子沿靜止的凸輪輪廓線運動，帶動齒條作往復運動。在圓周上的不同位置，可使葉片的攻角保持在各個設定范圍內；當風向發(fā)生變化后 ，由電機帶動凹槽凸輪轉動相應的角度，使風向同凹槽凸輪的相對方位保持不變 ，保證風向變化后的葉片攻角仍然能和風向保持各個設定值范圍。
