基本信息
- 項目名稱：
- 變攻角升阻力混合型垂直軸風(fēng)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(fēng)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(fēng)力機的固有優(yōu)點。特點在于風(fēng)力機風(fēng)輪由兩個葉片組成，可依據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀、光電編碼器測得的風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號，通過單片機控制每個葉片驅(qū)動電機，自動調(diào)節(jié)各葉片的攻角以獲得最大的驅(qū)動力矩和發(fā)電效率。該系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用在風(fēng)力資源較豐富的哨所、島嶼、偏遠山區(qū)等風(fēng)力資源較豐富的地區(qū)，免除遠距離的電線電纜的建設(shè)費用，帶來巨大的經(jīng)濟效益。
- 詳細介紹：
- 變攻角風(fēng)力發(fā)電機采用全自動控制葉片攻角的方法，風(fēng)輪由兩個葉片組成，每個葉片由一個直流電機調(diào)節(jié)葉片的轉(zhuǎn)角。依據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀、光電編碼器測得的風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號，通過單片機控制每個葉片驅(qū)動電機，自動調(diào)節(jié)各葉片的攻角，發(fā)揮阻力型起動特性好和升力型風(fēng)能利用效率高的特點，實現(xiàn)了升阻力混合控制。 該作品繼承了傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)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(fēng)力機的不足： a．降低了垂直軸風(fēng)力機的起動風(fēng)速:在風(fēng)車起動時，通過調(diào)節(jié)攻角保證葉片有最大的迎風(fēng)角度，使風(fēng)力機作為阻力型風(fēng)力機起動，提高了起動力矩； b．提高了垂直軸風(fēng)力機的發(fā)電效率：在風(fēng)力機運行的過程中，實時測量風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號，自動調(diào)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(diào)速、限速方便，提高了安全性：風(fēng)力機運行過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，通過調(diào)節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內(nèi)，可以省去機械限速裝置。 該作品適合用于大型的風(fēng)電場，因為在風(fēng)電場中，同一地點范圍的風(fēng)向、風(fēng)速信號，可作為該范圍多個風(fēng)力機葉片攻角調(diào)節(jié)的依據(jù)，降低了傳感器使用成本；在相同尖速比的情況下，風(fēng)輪直徑越大，轉(zhuǎn)速越小，葉片攻角變化越慢，葉片轉(zhuǎn)角調(diào)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(fēng)力機向大型化發(fā)展，帶來巨大的經(jīng)濟效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 1.設(shè)計發(fā)明目的和基本思路： 風(fēng)力發(fā)電機主要分水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)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(fēng)力機相比，垂直軸風(fēng)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(fēng)力機分為阻力型和升力型，阻力型風(fēng)力機起動性能較好，但只有小型風(fēng)力機在低風(fēng)速下才能獲得較大的風(fēng)能利用率；升力型風(fēng)力機可用于大型風(fēng)力機，能獲得較高的風(fēng)能利用率，但大型風(fēng)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(fēng)能利用效率高的特點，實現(xiàn)升阻力混合控制，從而降低起動風(fēng)速，提高風(fēng)能利用率。 2. 創(chuàng)新點： a．降低了垂直軸風(fēng)力機的起動風(fēng)速:在風(fēng)車起動時，通過調(diào)節(jié)攻角保證葉片有最大的迎風(fēng)角度。 b．提高了垂直軸風(fēng)力機的發(fā)電效率：風(fēng)力機運行的過程中，實時測量風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號，自動調(diào)節(jié)葉片攻角，充分利用葉片的升力和阻力。 c．調(diào)速、限速方便：當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，通過調(diào)節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內(nèi)，可省去機械限速裝置。 3.技術(shù)關(guān)鍵： 依據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀、光電編碼器測得的風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號，通過單片機控制每個葉片驅(qū)動電機，自動調(diào)節(jié)各葉片的攻角以獲得最大的驅(qū)動力矩和發(fā)電效率。 4.技術(shù)指標：葉片翼型--NACA0012;葉片數(shù)量--2;風(fēng)輪直徑L--2m;風(fēng)輪高度H--2m;起動風(fēng)速--2m/s;發(fā)電功率（10m/s)--800w。
科學(xué)性、先進性
- 1．繼承了傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力機的優(yōu)勢： 1）安裝維護方便：垂直軸風(fēng)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(fēng)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(fēng)力機的葉片受力方向始終不變。 3）噪聲?。核捷S風(fēng)輪的尖速比在5-7之間，高速下葉片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動噪音；垂直軸風(fēng)輪的尖速比在1.5-2之間。 2．具有科學(xué)性和技術(shù)先進性： 1）應(yīng)用葉素理論求得作用在葉片上的氣動力，結(jié)合理論力學(xué)知識求得葉輪的驅(qū)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(fēng)力機氣動性能。 2）采用全自動控制方法，由單片機采集風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號并直接控制電機調(diào)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(qū)動力矩和發(fā)電效率，使風(fēng)力機適應(yīng)任意的風(fēng)速和轉(zhuǎn)速范圍。并且當(dāng)高風(fēng)速下，可通過自動調(diào)節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內(nèi)。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2009年XXX大學(xué)第十五屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽榮獲一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品;現(xiàn)場演示;錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1.使用說明（詳見申報材料） 2.技術(shù)特點和優(yōu)勢： 1）采集風(fēng)向、風(fēng)速及轉(zhuǎn)速信號，實時自動調(diào)節(jié)葉片攻角。 2）提高起動力矩，降低起動風(fēng)速 3）提高發(fā)電效率，維持安全的轉(zhuǎn)速范圍。 3.適用范圍： 該作品可以應(yīng)用在哨所、島嶼、偏遠山區(qū)等風(fēng)力資源較豐富的地區(qū)，免除遠距離的電線電纜的建設(shè)費用；也可以應(yīng)用于風(fēng)速較低的場合，作為單個家庭使用。 4.市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)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(fēng)速；在風(fēng)電場中，同一地點范圍的風(fēng)向、風(fēng)速信號，可作為該范圍多個風(fēng)力機葉片攻角調(diào)節(jié)的依據(jù)，降低了傳感器使用成本；在相同尖速比的情況下，風(fēng)輪直徑越大，轉(zhuǎn)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(fēng)力機，可促進垂直軸風(fēng)力機向大型化發(fā)展，帶來巨大的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 風(fēng)力發(fā)電機按風(fēng)輪軸的方向可分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機。能量驅(qū)動鏈(即風(fēng)輪、主軸、增速箱、發(fā)電機)為水平方向的，是水平軸風(fēng)力機。能量驅(qū)動鏈為垂直方向的，是垂直軸風(fēng)力機。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機比垂直軸風(fēng)力機出現(xiàn)較早，并得到了廣泛的應(yīng)用，多用于大型水平軸風(fēng)電場。 垂直軸風(fēng)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(xiàn)（Savonius式風(fēng)輪——1924年，Darrieus式風(fēng)輪——1931年）。由于人們普遍認為垂直軸風(fēng)輪的尖速比不可能大于1，風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電，因而導(dǎo)致垂直軸風(fēng)力發(fā)電機長期得不到重視。 近年來，越來越多的機構(gòu)和個人開始研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，并取得了長足的發(fā)展。 目前，大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計方法計算所得，一般在40%以上；但一些機構(gòu)對測試方法提出質(zhì)疑，認為依據(jù)風(fēng)輪后部測試的風(fēng)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(fēng)力機: 傳統(tǒng)的垂直軸葉輪的轉(zhuǎn)動與風(fēng)向無關(guān)，因此不需要像水平軸風(fēng)力機那樣采用迎風(fēng)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(fēng)力機原理的φ型和H型風(fēng)力機。國內(nèi)上海模斯電子設(shè)備有限公司和上海麟風(fēng)風(fēng)能科技有限研制了中小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。該類風(fēng)機都屬于固定葉片的垂直軸風(fēng)力機，大型風(fēng)力機起動性能差，特別是達里厄風(fēng)力機沒有自起動的能力。 變攻角垂直軸風(fēng)力機： 國外相關(guān)研究成果： 活動葉片垂直軸風(fēng)輪，葉片的角度變化是應(yīng)用導(dǎo)桿或凸輪機構(gòu)獲得，試驗表明在低風(fēng)速下該垂直軸風(fēng)輪的效率比傳統(tǒng)的達里厄風(fēng)力機要高，還有自起動的優(yōu)點。 國內(nèi)相關(guān)研究成果： 專利號為200610023892.2，發(fā)明名稱為 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機葉片攻角調(diào)節(jié)裝置。 葉片與齒輪固定連接，在一定強度的風(fēng)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(fù)運動。在圓周上的不同位置，可使葉片的攻角保持在各個設(shè)定范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化后 ，由電機帶動凹槽凸輪轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使風(fēng)向同凹槽凸輪的相對方位保持不變 ，保證風(fēng)向變化后的葉片攻角仍然能和風(fēng)向保持各個設(shè)定值范圍。
