包 耳,徐剑飞,胡红英,韩志敏,唐建波
(大连民族学院 机电与信息工程学院,辽宁 大连116605)
垂直轴风力机是与水平轴风力机不同的另一种风能转换装置[1],具有十分明显的优点:(1)一般不需要对风装置;(2)风能和能量传递与转换的主要部件,如齿轮箱、发电机等,可方便的安装在地面上,因此不需要建造昂贵的塔架,并且便于安装、维护和保养。从而使风力机的制造和运行费用大大降低[2-5]。本文讨论了垂直轴阻力式风力机模型机的结构设计,并对所制造出的模型机进行了实验研究。
模型机的总体尺寸不可能太大,所以对其给出下列技术指标:输出功率为1.8 W,启动风速为2 m/s,额定风速为6 m/s,最高风速为9 m/s,转臂半径R=0.3 m,桨叶材料为帆布,单片桨叶的长、宽各为0.6 m。
风力机的结构如图1。左侧桨叶1 的转轴位于转臂2 上,且与链轮3 为同一构件;转臂2 绕其中心O 轴转动,O 轴与链轮5 固联;链轮3 与链轮5 之间由链4 传动;链轮3 的齿数是链轮5 齿数的2 倍;链轮5 与链轮6 为双联轮,且齿数相同。右侧桨叶的传动装置与左侧桨叶的完全对应,即桨叶转轴上固联的链轮与链轮6 之间通过另外一条链条传动。
图1 风力机结构图
链条型号选用04C -1,节距6.35 mm。由于传递的动力较小,为使结构紧凑,增速齿轮系统的齿轮模数选定为1 mm。
由行星传动原理可知,桨叶1 的旋转角速度是转臂2 旋转角速度的1/2。这种设计使得桨叶在顺风工作阶段具有较大的迎风面积,在逆风工作阶段具有较小的侧风面积并且仍做正功,从而克服了一般阻力式风力机很难克服的缺点,即桨叶在逆风过程中做负功。
在图1 中设定风向平行于水平面并与主平面垂直,且风向稳定不变,转臂逆时针方向旋转。风力机的初始姿态是:转臂与主平面平行,右侧桨叶平面与转臂平行,左侧桨叶平面与转臂垂直。
为简化计算,将风对桨叶的分布力简化为作用于桨叶中心轴的集中力,并且忽略分布力对桨叶中心轴的附加力矩。
1.2.1 计算右侧桨叶A 的功率PA
设:风速为VF,桨叶面积为F,空气密度为ρ,通常ρ=1.225 kg/m3[6],转臂的角速度为ω,转臂与水平轴之间所夹的姿态角为φ。
VF在桨叶法线方向的分量V'F为
桨叶在其法向上的速度(以桨叶中心A 点计算)为
由推力公式[6]可得推力T 为
式中,K=ρGF/2;阻力系数G=1.0[6]。
桨叶A 的功率
1.2.2 计算左侧桨叶B 的功率PB
由于桨叶B 的初始位置与转臂垂直,由图1知,将式(4)中的余弦变为正弦,即
1.2.3 计算风力机所接受风能的名义功率P'
风力机所接受风能的名义功率P'为
当360°≥φ >180°时,桨叶A 和B 的位置互换,风力机的功率计算式和φ 的取值区间仍为式(6)。计算功率时,ω 值尚需确定。当风速较大时,风力机转速较快;当风速较小时,风力机转速较慢。通常风速与桨叶速度之间有近似关系式[6]
式(6)是风向角β=0 时的名义功率计算式。如果β≠0,经推导可得名义功率为
风力机的实际输出功率P 为
式中,η1是风能吸收率,η1=0.62;η2是传动链的效率,η2=0.94;η3是增速齿轮箱的效率;η3=0.95;η4是发电机的效率,η4=0.6。
根据上述设计,制造出了一台风力机模型机,并对模型机进行实验研究。
实验目的是验证理论计算的正确性并得出最佳风向角的数值。
实验内容是测试风力机在不同风速VF和不同风向角β 时的输出功率,考察输出功率的理论计算值与实测值是否相符,另外还考察风向角的变化对风力机输出功率的影响。
由于在实验中需要对不同风速下的工况进行反复测试,为保证数据的准确性和对比的有效性,对不同距离下的风速进行测量标定,避免其他因素干扰。具体做法是:利用风速计测量风速(仪器精度为0.1 m/s),以风扇扇叶中心为基准,在其左右各300 mm 范围内的不同距离进行测量,取平均值后确定位置。
(1)计算不同风速下风力机的输出功率
以β=0,风速VF分别等于3.3 m/s,3.9 m/s,4.5 m/s,5.2 m/s 和6 m/s,由式(6)和式(9)分别算出风力机的输出功率P。其数值见表1。
在由式(7)估算转臂在不同风速下的角速度时,考虑到风速较高时,转臂角速度应小于该式算得值;风速较小时,转臂角速度应大于该式算得值,故对应于上述风速,转臂的角速度分别取为4/s,4.2/s,4.4/s,4.7/s,5/s 。
(2)测量不同风速下风力机的输出功率
在上述参数下,分别测得风力机的实际输出功率,其数值见表1。
实验步骤:
(1)从风速仪中读出风速值,调整风速达到指定值;
(2)利用万用表测出输出电压值和电流值,并记录结果;
(3)重复上述步骤,取4 组功率测量数据的平均值,填入表1 中。
表1 风力机功率的理论计算值和实测值 单位:mW
在前述实验步骤的基础上,再增加实验步骤:
(1)在-30°到20°范围内,改变风向角β 值,步长为10°,测量输出功率;
(2)分别将风速调整为3.3 m/s,3.9 m/s,4.5 m/s,5.2 m/s 和6 m/s,重复步骤(1);
(3)对于不同的风向角β 和风速VF,各取4组功率测量数据的平均值,见表2。
表2 风向角β 变化时风力机输出功率的实测值
实验结果表明,风力机的实际输出功率比理论计算的结果低。另外在风速较低时,误差较小,风速较高时,误差较大。这可能有以下几点原因:
(1)模型机的传动效率比估算的低;
(2)桨叶帆布漏风以及空气的阻力系数不够准确;
(3)风速较高时,空气动力学的其它未考虑的因素会产生不可忽略的影响作用。
实验结果还表明风向角角的变化对输出功率影响较小。最大功率出现在风向角为10°左右处。
(1)模型机的实测结果与理论计算结果比较接近,说明实验过程和理论计算都是比较合理的。
(2)风力机的输出功率最大值出现在风向角为10°附近。
(3)该风力机具有在较宽的风向角范围内输出功率变化较小的优点。
[1]包耳,胡红英.风力发电的发展状况与展望[J].大连民族学院学报,2011(1):24 -27.
[2]祝贺,徐建源,张明理.风力发电技术发展现状及关键问题[J].华东电力,2009(2):314 -316.
[3]包耳.风力机叶片设计的新方法[J].机械设计,2005(2):24 -26.
[4]包耳,胡红英,韩志敏,等. 基于机械传动的阻力式风力机研究[J].大连民族学院学报,2014(1):35 -38.
[5]郭洪澈.小型风力发电机组系统优化[J]. 可再生能源,2002(5):38 -42.
[6]郭新生. 风能利用技术[M]. 北京:化学出版社,2007.