可伸缩叶片小型垂直轴风力机设计

关　新，王昊辰

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)



可伸缩叶片小型垂直轴风力机设计

关新，王昊辰

(沈阳工程学院 新能源学院，辽宁 沈阳 110136)

摘要：针对微小型风力发电机组的市场应用，结合叶素—动量理论，在满足风电机组输出电量的前提下，对垂直轴小型风电设备叶轮进行改良设计。相比于传统的垂直轴风力机更便于携带，叶片可以自由伸缩，存储或运输时可以节省大量空间，并且风轮叶片能根据风速变化而自动调节，保证输出的电压在一个稳定区间之内。

关键词：小型垂直轴；风力机；叶片；可伸缩；自动调节

目前风能已经成为不可或缺的清洁可再生能源，全世界各个国家都在大力发展风能作为能源支柱产业。虽然风力发电行业发展迅猛，但主要的研究方向集中在大型、巨型并网风力发电机组上，在微型、小型风力发电机设计和研制上却少有企业和学者关注。在一些边远地区居民和长期在野外的工作者，微小型风电机组仍然有很大的竞争力和使用前景。因此针对于微小型风力发电机组的设计与研究是十分必要的。

1叶片气动性能计算

直叶片垂直轴风力机的外形虽相对简单，但气动特性却很复杂。目前垂直轴风力机气动计算和设计的常用方法有模型法和数值计算法两类。其中，模型法结合了空气动力学和流体力学的理论，利用水平轴风力机的分析方法建立动量模型、涡流模型或者叶栅模型，其研究比较成熟，应用也比较广泛。数值分析法研究历史短，但发展很快，已经成为升力型风力机气动计算的重要方法。

气动性能分析选择双盘面多流管模型方法，此方法能够定性的分析风轮的气动特性，在初步气动参数选择时能起到重要作用。直叶片垂直轴风力机风轮叶片在几何外形上没有变化，各叶素之间的相互影响很小，可以忽略，二维风轮模型便可模拟风轮的基本流场，而且因为叶素间和叶片间干扰相对于水平轴风力机小得多，故评估气动性能的时候可不进行修正。

根据叶素—动量理论，风轮盘面被分成上风区、下风区2个盘面，如图1所示为一个流管通过风轮时的示意图。每一个流管可以根据基本原理发展到多流管模型。

根据叶素—动量理论建立多流管模型，在此模型中，对于直叶片风轮，叶片在高度上半径无变化，作用在风轮上的扭矩为

图1　风轮的流管模型叶素受力分解

(1)

式中，M为叶片数；c为叶片弦长；ρ为空气密度；H为叶片长度；R为风轮旋转半径；v00为作用在叶素处的合速度，其中

(2)

ct=tlsinα-cdcosα

(3)

式中，ct为叶素气动法向力系数；θ为风轮对于旋转中心所占角度；v∞为原始风速；α0为诱导速度因子；cl为升力系数；cd为阻力系数；α为叶片攻角；λ为叶尖速比，其中

(α0cosθ)2]=α0(1-α0)cosθ

(4)

(αecosθ)2]=αe(1-αe)cosθ

(5)

由于诱导速度因子的计算较为复杂，建议采用取特殊值的方法，确定不同θ值下的αo值之后，使用相关计算软件直接拟合出θ与αo的关系曲线。虽然在数值上不能保证十分精确，但是可以做到在误差可接受范围内大大减少计算量。同样需要注意的是，垂直轴风力发电机组与水平轴风力发电机组不同，流场分为上风区与下风区，因此对于此关系的计算需要分为两个部分。

设计的直叶片垂直轴风力机的叶片安装角为0，故入流角即是攻角，攻角可通过下式进行计算

(6)

当选取的翼型为对称翼型时，攻角α皆为正值，而适用于风力机的专用翼型大都是非对称翼型，因此攻角有正有负。

2工作原理及结构设计

可伸缩叶片小型垂直轴风力机的结构如图2所示，主要由两个部分组成：一是上部分即风轮部分，二是可伸缩叶片小型垂直轴风力机的基座部分，其中包括盘式发电机模块、控制模块、稳压模块、内置锂电池模块，电能输出模块和固定模块。

图2　左视图与俯视图(叶片展开时)

设计的特点为风轮叶片部分可以展开与闭合。工作时风轮叶片展开，其工作形式与普通的直叶片垂直轴风力机的工作形式没有区别。当风速不断增加时，风轮的旋转角速度不断加大，风轮叶片所产生的离心力也不断增大，带动弹簧机构使风轮叶片的展开程度减小，进而可以控制风轮叶片所产生的扭矩处于一个稳定的区间之中，因此与之相连接的盘式发电机的输出电压也能处于一个稳定的区间。在不使用时，可以将风轮叶片向中心收拢形成一个柱体，完全可以收在一个盒子或小型旅行包之中。因此，相比于传统的设备，能够减少大量的空间。底座设计为橡胶吸盘的形式，使用时可以产生负压吸附在任何比较光滑的表面上面，并且不会对所吸附的表面产生任何的损坏，比如汽车顶部或者桌子上面。

根据气动性能计算结果，对垂直轴风力机结构进行设计。其设计样图如图3、图4所示。

图3　叶片完全展开与半展开状态

图4　叶片闭合与展开状态

3可伸缩叶片小型垂直轴风力机设计参数

设计未对翼型做出优化，只选择了NACA4412翼型进行计算，图5为NACA 4412翼型在不同叶片数下风能利用系数与叶尖速比的曲线。

经过对叶片的计算，取得适合可伸缩叶片小型垂直轴风力机的工作参数。工作参数如下表1所示(参数均为在理想条件下取得)。

图5　NACA4412翼型不同叶片数风能利用

启动力矩0.05N/m叶片数量4启动风速2m/s额定功率10W额定风速10m/s最大功率15W发电机形式三相交流永磁额定转速400r/min叶片长度300mm工作电压DC12V叶片材质铝合金重量2.3kg

4内部系统电气设计

如上图6所示，可伸缩叶片小型垂直轴风力机内部电路系统的设计较为简单，具有通用性强、模块集成度高，成本较为低廉的特点。该系统设计输出电压为3 V，有两种供电模式：直接供电模式和内置锂电池供电模式。当两种模式使用条件均满足时，优先选择第一种供电模式。当不需要对外输出电能时，发电机电流经处理之后存入内置锂电池之中，以便在无风时提供电能输出。

对于输入电路模块的选择，设计力求简单。下图为可伸缩叶片小型垂直轴风力机充电电路，输入电压20 V~80 V。电路采用如图7所示的斩波型降压PWM开关方式，不需要变压器，只需要电感，故电路简单。

图6　内部电路系统

图7　输入稳压电路模块

锂电池充电电路采用CN3052锂电池充电芯片，CN3052可以编程设定充电电流，对单节锂电池进行恒流或恒压充电，只需要极少的外围元器件，并且符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用的领域。应用电路如图8所示，输出电压为4.2 V，精度可达1% ，CE为芯片使能端，高电平有效。绿色LED用于指示电池是否处于故障状态，红色LED用于指示是否处于充电状态。设计中TEMP管脚接地，未使用温度检测功能。R4 用于设定恒流充电电流。设计中R4 为10 kΩ，充电电流为180 mA。

图中，PIN为稳压模块输出端；VIN为电源输入恒流输出通道；CE为芯片使能端；BAT为电池；TEMP为温度检测端；ISET为输出电流；CHRG为充电状态指示；FAULT为故障显示端。

图8　电池稳压电路模块

5结语

所设计方案中小型垂直轴风力发电机组采用的新型可伸缩叶片形式，能够在存储的时候节省大量空间，十分适合有户外工作需要的人们使用。该设计虽然简单，但非常实用。此设备的初次投入会比较高，但风力机全寿命周期折算下平均成本却很低。因此实际上对于使用者来说，此设备的使用在经济上是划算的，适于投入大规模的生产。

参考文献

[1]尚彬彬.垂直轴风力发电机叶片结构设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[2]梅毅.低风速H型垂直轴风力机叶片翼型研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[3]李岩，田川公太朗，冯放.直线翼垂直轴风力机起动性的实验研究[J].太阳能学报，2011(6)：885-890.

[4]吴双群，赵丹平.风力机空气动力学[M].北京：北京大学出版社，2011.

[5]叶杭冶.风力发电机组检测与控制[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]刘永前.风力发电场[M].北京：机械工业出版社，2013.

[7]姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2013.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

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

中图分类号：TK83

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)01-0001-05

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

作者简介：关新(1979-)，男，辽宁本溪人，讲师，博士研究生。

收稿日期：2015-04-25