垂直轴机械式变攻角风力发电机.docx

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垂直轴机械式变攻角风力发电机

第1章绪论·························································2

1.1风力发电现状介绍·················································2

1.2各种创新型风力发电···············································3

第2章风能资源·····················································5

2.1风能的计算·······················································5

2.2山东省各市统计平均风速、风向和风向频率···························5

第3章垂直轴变攻角风轮装置·········································6

3.1装置的介绍·······················································6

第4章solidworksflowsimulation在设计中的使用·····························7

4.1solidworksflowsimulation简介·······································7

4.2solidworksflowsimulation在本项目中的使用···························7

4.3solidworksflowsimulation对模型的流体分析···························7

第5章发电机和整流稳压电路·········································10

5.1发电机的选用·····················································10

5.2整流滤波升压电路·················································11

第6章项目总体情况·················································12

6.1项目完成情况·····················································12

6.2项目成果·························································12

6.3项目的目的意义、达到的目标和学习收获·····························13

6.4对大学生创新项目的建议···········································13

参考文献·································································13

第1章

绪论

能源紧缺促进新能源技术的开发和利用，相对于其他能源，风能以其清洁和容易利用而受到人们的青睐，小型风力发电机轻便、效率高、能源免费等优点非常适合家庭照明和其他低功率用途。

只需要初期投资建设费用，后期基本不需要维护，而得到源源不断的清洁免费的风电。

现在市面上销售的风力发电机由于价格较高而得不到推广，同时发动机的启动风速又比较高风速较低时风力发电机就成了摆设，根本不发电。

垂直轴阻力型风力发电机启动风速减小，但效率普遍较低。

本项目的目的是设计一种简单的成本较低同时效率较高的垂直轴攻角可变的风力发电机，尝试通过利用计算机辅助设计和分析，减少项目开发的成本和时间。

1.1风力发电现状介绍

现在风力发电使用还是比较多的，有很多大型的风电场，风力发电是一种制作比较简单，制作成本和维护成本较高的发电方式，它的优点是绿色环保，理想的绿色能源。

目前主流风轮有三种：

右图是水平轴大型风力发电机，翼型的扇叶有效提高风能利用效率，主要用于大型风电场，常年风力较大而且风向不变，这种风力发电机效率较高维护成本低。

右图是一种比较常见的垂直轴升力型风力发电机，适合家庭使用，需要风力较大，风速高时效率是最高的，结构简单维护成本低，低风速时优势不明显，翼型加工较困难。

总的来说是非常好的设计。

右图是垂直轴阻力型风力发电机，结构简单制作容易而且维护成本低，缺点是效率较低，弧面回程时受阻力，降低了风轮的风能利用率。

1.2

各种创新型风力发电

在尾部装上对风装置的水平轴发电机也有非常高的效率，但它也有自己的缺点，受力不平衡，尾舵可以保证扇叶时刻对着风。

尾舵在小型发电机中有很大的作用，大大提高小型发电机的效率。

升阻混合型的垂直轴风力发电机既具有垂直轴升力型发电机高风速时的高效率，同时也具有垂直轴阻力型发电机的地启动性，很巧妙的设计。

在垂直轴阻力型风力发电机上加上对风挡风装置是一种非常好的创意，有效减小阻力，提高效率。

哈尔滨某大学大学生的创新设计，利用顶部的对风装置得到风向，再利用单片机和伺服系统控制步进电机调节叶片的角度，减小阻力提高风能利用率，但是它的缺点也是显而易见的，电控系统消耗电能，系统过于复杂，造价高。

但不失为一个很好的创意。

第2章风能资源

2.1风能的计算

风垂直作用于平板上的力可由下面的公式计算出来

正压力:

Wp=1/2ρv2（ρ：

空气密度，v：

风速）

风的动能:

P=1/2sρv3（ρ：

空气密度，v：

风速）

2.2山东省各市统计平均风速、风向和风向频率

由表上可知青岛市的风能资源相对还是比较丰富的，

风的平均动能P=1/2*1*1.16*63=125.3（w/m2）

第3章垂直轴变攻角风轮装置

3.1装置的介绍

装置的最初设计如右图，四个扇叶分别有自己的控制锁块，利用中间的螺纹机构使锁块周期性起落锁定和释放扇叶，但由于机构过于复杂，我对它进行较大的改动，

将锁定装置换成如图固定的杆，扇叶转动过程中会周期性被杆挡住，而另一边可以自由旋转，在风的作用下，会自己调到一个和风作用力最小的位置，即和风的方向平行，减小回程时的阻力。

起初扇叶设计成升力型是想增加效率，经过solidworksflowsimulation

分析和实践证明该设计不合理，升力会使叶片绕行星轴偏转产生阻力，同时升力型扇叶有诱导阻力。

将升力型扇叶改成钝头的叶片后基本不受到升力了，在试验中叶片和风的夹角基本为零，有效减小了回程阻力，为了加快扇叶对风的敏感程度和迅速自转，故将行星轴设计得更偏离扇叶的轴心，在小风速下扇叶便可自转。

第4章solidworksflowsimulation在设计中的使用

4.1solidworksflowsimulation简介

SolidWorksFlowSimulation是第一种完全内置于SolidWorks软件中的液流仿真和热分析程序，易用性首屈一指。

用solidworks先把你要分析的三维模型建好,无需划分网格,只要打开SolidWorksFlowSimulation插件,选上一些重要参数,便可对模型进行流体分析。

大大提高对设计分析的简便性。

4.2SolidWorksFlowSimulation在设计中的使用

我是先对最初的设计模型进行机构上的优化，再参考SolidWorksFlowSimulation分析结果和实际模型的工作状态，进行扇叶轴的位置和叶形进行优化分析能较直观地反映出风轮的运转情况和原因，通过模型试验和计算机分析结合来设计生产产品是最经济可靠的。

4.3对模型的流体分析

以下各图的分析时定义的风速都是6m/s

下图是一般垂直轴阻力型风力发电机的模型的周围的速度场分布，迎风的弧面收到一个较大的阻力，使得能量的利用率下降，故人们做了像右图一样的装置来减少这个回程阻力。

下图是我的一个模型的一个分析结果，风叶回程时由于角度可变，不再是固定的，阻力是有效减小了，但是升力型的叶片回程时会有一个绕行星轴的一个力矩，使叶片偏转，增大了回程的阻力，在实际试验中，用泡沫塑料制作的叶片偏转角度非常大，以至风轮无法得到足够的力矩来旋转。

这和行星轴的位置还有叶片的形状有很大关系。

同时在最右边的叶片现在已经是到达它的临界偏转状态了，当它偏转时，会对流场有一个瞬时的破坏，引起风轮的周期性震动和噪音，引起机械磨损，这是本装置的一个缺陷。

本装置只是想怎么去减小回程阻力，但是在解决掉这个问题的同时，也带来了其他装置没有的缺点。

下图是将升力型叶片换成钝头型的叶片后的压力场和速度场分布，在实际模型制作中，该装置在自然风中达到了较高的转速，回程叶片不再有偏转角，由于行星轴更偏叶片的心，噪音和震动还是比较明显的，但是叶片翻转时对流场的破坏减小了，翻叶动作只是在低压区进行，不会产生大的阻力。

第5章发电机和整流稳压电路

5.1发电机的选用

选用24V100rpm左右的永磁有刷直流减速电机,成本较低，低转速时输出电压较高，利于低转速时电能的收集。

具体功率大小应和风轮风叶和风速匹配。

但缺点是转换效率低，电压变化大，输出不稳定。

这些缺点大部分都可以通过下面的电路来整流处理，输出可调的稳定的直流电压。

5.2整流直流升压电路

由于风轮具有正反转的能力,这是这套装置的一个缺点，所以输出电压有时正有时负的，经二极管桥式整流电路得到正负稳定的电压，再经升压整流电路输出稳定的电压，转换效率可达95%，蓄电池可选36V以下的。

发电机的整流升压电路如下图示:

整流部分电路采用桥式二极管整流电路，二极管选用5A整流锗管（压降低）或是5A桥式整流堆。

整流电路的作用是将发动机输来的方向变化的电压转成直流电压，通过电容器消去尖峰脉冲，电容器起滤波作用，选用50V470μF的即可。

直流升压模块是一个购买的成品，最大输出电流是3A，最大输出电压是36V，输出性能是由管子性能决定的，它的功能是将低转速时发动机输出的低电压转化成高电压，从而给蓄电池充电，在一定程度上提高发动机的效率。

下图是用LM2577的非常常见的整流升压电路

第6章项目总体情况

6.1项目完成情况

前期在网络上搜集大量资料，通过电脑建模分析辅助设计和制作实际的小模型做很多实体实验，逐渐优化设计。

用小模型放到自然风下实验验证设计的合理性和缺点，不断返回来改进模型。

现在得到一套比较简洁实用的垂直轴风力发电机及其附属电路的设计方案，但由于设备条件有限，诸多实验也只是简单的观察对比，没有具体实际的实验数据，风轮设计制作的细节未能一一详述，也没有做出实际模型来。

只能给出一个可以实现并容易实现的工作原理和制作方法。

6.2项目成果

通过实验和计算机建模分析，得到一种能够减小垂直轴变攻角阻力型风力发电机风轮回程时阻力的实现方法，提高垂直轴阻力型风轮的效率。

通过附属电路的整流升压，利用低风速时发电机输出的电能。

由于没有实际的比例模型和相关的检测设备，没能得到有效的试验数据。

6.3项目的目的意义、达到的目标和学习收获

项目的意义在于提出一种新的思考方式，不拘泥于什么就该是什么样的，只要能巧妙有效地实现某种目的某种功能，就是一种好的设计好的创意。

我们的各行各业普遍落后于欧美各国，很大程度上是由于我们创新意识和追求完美的意识不够强，还有我们太注重形式上的东西，大过于浮躁，好大喜功。

我从本次的项目设计中收获最大的是：

各方面的技术基础必须足够扎实，才能设计出好产品。

本次设计过程中我深感自己知识和能力很有限。

电子、流体力学、计算机辅助设计、机械设计等等的知识我只是学到了皮毛。

还有以后要对自己加强团队意识的训练，因为这次都是自己在设计和解决问题，很多地方都做的不太好。

在大学的最后一年多中还必须丰富自己的知识，锻炼团队意识。

本项目达到的目标是基本完成一套创意设计，对真正解决风力发电机的缺点感觉自己道行还不是很够，本次大学生创新项目给我机会找出自己的很多缺点，也发现一些自己的长处，锻炼了分析和处理问题的能力，动手能力和创新意识。

6.4对大学生创新项目的建议

该项目对培养大学生创新有很好的帮助，建议是应加大宣传力度，使更多的有创新想法大学生加入进来。

我觉得一个有创意的巧妙的想法即使在实际工程中不好实现，但这个巧妙的想法会留下来，当以后遇到类似的问题时，这个想法就会冒出来，解决掉问题，好想法在很多工程问题上都是可以通用的。

同时我希望科技立项项目不要太拘泥于形式上的东西，更注重那些闪光的设计创新点，那才是真正的科技和社会进步的力量。

参考文献

[1]工程流体力学/夏泰淳主编.—上海：

上海交通大学出版社，2006（2010重印）