一种曲面百叶窗式垂直轴风力发电机设计＊

孟宪哲，李锋，魏红梅

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

引言

在现代社会，随着各种自然资源的不断损耗，能源问题逐渐加重，可再生资源逐渐进入人们的视野。其中，风能逐步成为我们关注的焦点，这使风能的利用范围进一步扩大。风力发电已成为当今社会利用风能最主要的形式。BNEF重磅发布：在 2019年全球陆上风力发电的新增装机容量为53.2GW，海上风力发电的新增装机容量达到7.5GW的历史最高水平。其中，中国的装机量位居世界前列。中国在2019年新增装机容量为 28.9GW，其中陆上风力发电的新增装机26.2GW，海上风力发电的新增装机 2.7GW，全球市场占比48%。

因此，发展风力发电对于我国乃至全球在解决能源问题上已成为重中之重。其中，垂直轴风力发电机由于发电效率相比于水平轴风机较低，目前还没有进行商业化。曲面百叶窗式垂直轴风力发电机能够减小风机的启动阻力，提升风机发电效率。

1 百叶窗式结构及其应用

1.1 百叶窗的历史

百叶窗即窗子的一种样式，发源于中国。在我国的古代的房屋中，有直条的叫直棂窗，还有横条的叫卧棂窗。在战国到汉代中的各个朝代之间都有使用。在现代，百叶窗是由美国人约翰·汉普森（John Hampson）创造的。通过各个时期百叶窗的发展来看，水平式的百叶窗为百叶窗的基本原型。

1.2 百叶窗的结构

百叶窗是采用一种条形的叶片，通过平行的排列方式，由一根根梯绳将扇叶串联起来。人们可以通过调节梯绳来调节进入到室内的光线，起到遮阳与通风的作用。其叶片多以竹片、塑料、铝板制作而成，当多个叶片彼此嵌掣紧密时，能够起到一定的抗风作用。

1.3 百叶窗式结构的应用

目前，使用各种办公室、酒店的装饰材料布置家庭，已经成为家庭装饰的又一新潮流。在这当中，各种百叶窗帘是被采用较多的装饰材料之一。百叶窗分为金属制品和塑料制品两大类，都很好擦洗。另外，可调性是百叶窗的一大优点，能够隔绝空间又不影响室内采光，深受人们喜爱。

百叶窗式结构通过科学的设计风道，能够补偿管道流量损失，具有运转低噪音、大风量、寿命长久等优点。广泛适用于会客厅、办公室、商场等公共场所。目前，百叶窗式结构并未在风电领域得到应用。

2 垂直轴风机的现状及发展趋势

2.1 垂直轴风机的现状

垂直轴风力发电技术并非新技术，相比于水平轴机组，不需要偏航系统，发电机不需要布置在高空中。有资料显示国外做过兆瓦级的垂直轴实验型机组。也有多兆瓦的概念机型在论证中。目前常见的垂直轴机组多为微小型发电机。仅凭前两点并不能确定其有真正的成本优势。任何新产品量化后单体成本都会大幅降低，但这只是相对其自身的比较。水平轴机型作为绝对的主力机型，由于供应链健全，技术相对成熟，可见预期内，在大型风电市场上稳压垂直轴机型。

目前，由于全球变暖，可再生资源不断被消耗，使得风力发电越来越受到人们的重视，可谓发展前景广阔。但是，对于垂直轴风力发电机在与水平轴发电机的对比上明显占据弱势，使得垂直轴发电机一直处于不受关注的状态。

2.2 垂直轴风机的发展趋势

《“十三五”规划》指出风电消纳利用目标：到2020年，有效解决弃风问题，“三北”地区全面达到最低保障性收购利用小时数的要求。风电产业发展目标：风电设备制造水平和研发能力不断提高，3-5家设备制造企业全面达到国际先进水平，市场份额明显提升。

随着科学技术的不断发展，人们对风机使用的要求也越来越高，就目前国外风机技术发展趋势而言，将沿着风机容量不断增大、高效化、高速小型化和低噪音的方向发展。

资料显示，垂直轴风机在未来具有良好的发展趋势。目前，对于垂直轴风机的改进倍受关注，风电技术已成为人们关注的焦点！

3 设计方案

3.1 方案内容

本设计主要是对垂直轴风力发电机扇叶的一种改进，提出了一种新型风叶结构，并通过该结构来减少风机运转时的阻力作用，进而提升风机的发电效率。

本设计为一种曲面百叶窗式风力发电装置，包括发电机、风机轴和百叶窗式曲面扇叶等，风机轴底端与发电机的电机轴传动连接，风机轴上竖直安装有若干均匀分布的曲面扇叶支架，曲面扇叶支架内横向活动安装有若干百叶窗式曲面扇叶，且每个曲面扇叶支架内的若干个百叶窗式曲面扇叶并排形成一个整体阻风装置；本设计是利用自然环境资源的绿色环保的高效率的风力发电装置，结构简单、便于加工制造。采用横向曲面百叶窗式阻风装置后，横向曲面百叶窗式扇叶相比于传统扇叶能够更巧妙的利用重力的影响，进一步减小垂直轴风力发电机的起动阻力与运转旋转阻力，提高风力的发电效率，实现低风压起动，减小了风力发电装置在运转过程中的能量损失。

3.2 百叶窗式阻风装置介绍

以下请结合附图对本装置进行说明。

图1 风机结构示意图

附图说明：1-发电机；2-风机轴；3-曲面扇叶支架；4-百叶窗式曲面扇叶。

请参照图1所示，整体阻风装置设置有四个，且四个整体阻风装置以风机轴为中心轴两两对称分布。四个曲面扇叶支架之间通过螺丝固定安装有连接套，连接套固定套装于风机轴上。连接套与风机轴之间通过销钉插接固定，防止连接套与风机轴连接松动。风机轴与发电机的电机轴之间通过联轴器固定连接或通过齿轮箱传动连接。

总的来说，该阻风装置是对百叶窗与风机扇叶的一种新型的结合，以一种新型的扇叶来带动垂直轴风机的发展。

3.3 具体实施方式

具体的，如图2该装置使用时，当有风经过曲面百叶窗式阻风装置时，风流吹动右侧百叶窗式曲面扇叶，使百叶窗式曲面扇叶关闭，使之与曲面扇叶支架形成一个不透风的整体；在风力的推动下，百叶窗式阻风装置通过曲面扇叶支架绕风机轴转动，从而带动风机轴转动；左侧百叶窗式曲面扇叶在风力作用下打开而减小旋转阻力。如此周而复始的运转，便产生较大的动力，通过风机轴传递给底部的发电机，使发电机发电。

图2 风机俯视图

本装置制作难点为该阻风装置（由多个百叶窗式小型单体扇叶组成的装置）内部的小型单体扇叶之间重合的微小区域。该区域是保证阻风装置能够改变阻风能力的关键。该装置内部的小型单体扇叶自转时的摩擦和相互之间的碰撞也是又一制作重点。

4 其他功能

4.1 装置内部系统

本装置内装有风向仪、风速传感器、湿度传感器、温度传感器、稳压器等电子元件。

4.2 测速及测温、湿度功能

风向仪和风速传感器能够实时提供现场的风向及风速，确保装置在安全风速下运行，防止风速过快损坏装置。风向仪采用8232型的智能风向仪。

风速传感器和温度传感器能够检测当前的空气湿度及温度来判断当前的天气状况。传感器将检测到的湿度及温度信号传递给相关控制器。控制器把相应的数据信号发送给数据处理器，通过对信号分析进行判断。当空气湿度值大于标准值的时候，天气有阴雨的状况，此刻相关控制器发出信号控制各部件停止工作，避免由于天气原因损坏装置。当小于标准值时，证明天气晴朗，此刻相关控制器控制装置进行运行。湿度传感器使用的是23K湿度传感器。

4.3 稳压功能

在风机运转发电时，由于风力大小的时刻改变使得其产生的电压也会随之变化。稳压器能够将时刻改变的电压进行转换，转换为标准电压后进行输出。本装置使用的是TSD-15000VA型稳压器。

5 结语

本篇文章通过对现有百叶窗式结构的深度研究，提出一种新型的百叶窗式曲面扇叶，并将其应用于垂直轴风力发电机。克服现有技术的不足，提供一种曲面百叶窗式风力发电装置，能减小垂直轴风机的阻风叶片的起动阻力和运转旋转阻力，减小了风力发电装置在运转过程中的能量损耗，明显提高了垂直轴风机的发电效率。在对垂直轴风机的改进上能够起到一定的促进作用。

就现在社会发展来看，还并没有被商业化的垂直轴风力发电机具有很大的潜在价值。人们对垂直轴机组的研究将会与日俱增，其商业化大势所趋。