基本信息
- 项目名称：
- 三戟立轴风轮微风发电系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 三戟立轴微风发电系统是在国家发明专利基础上进行优化而研制出的原创科技产品。其由风轮总成、传动装置、发电机、负载和测试电路等组成。采用全新的三戟内腔二次驱动风能传递技术，创立了与三戟立轴风轮同轴的具有交变磁路结构的低速永磁风力发电技术，改善了传统的叶片式结构、悬臂梁受力状态、传动装置的加工瓶颈等技术和加工及维护难题。使得立轴风力发电机具有更加广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- 本作品是在河科大系统科学与工程研究所获得省科技成果（9412009Y0420）的基础上，对已授权国家发明专利（ZL 2008 1 00495174）进行不断的技术完善、功能改进和结构优化而研制出的原创科技产品原型。三戟立轴微风发电系统由风轮总成、传动装置、发电机、负载和测试电路等组成。本创新作品改善了传统的叶片式结构、悬臂梁受力状态、传动装置的加工瓶颈等技术、加工和维护难题。采用全新的三戟内腔二次风能传递技术为垂直轴风轮风能传递提供了新的设计理念和技术手段；根据永磁发电原理创立了与三戟立轴风轮同轴的具有交变磁路结构的低速永磁风力发电技术，为低速永磁发电提供了新的设计思路和方法，使得立轴风力发电机具有更加广阔的应用前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：通过流体力学分析和风洞实验，研发出一套能够利用微风发电的三戟立轴风轮风力发电系统，并应用于工程实际中。 基本思路： 根据流体力学理论、永磁发电原理和能量传递机理对风轮进行优化，并对系统的传动方式和其他部件进行合理设计，捕捉最大风能点，实现风能-机械能-电能较高的转化效率，从而提高总的风能利用率。 创新点：在风轮迎风凹面板处导入风能集流通道而形成三戟形闭合腔内部的二次风能驱动，最大限度利用有效风能，弥补了传统萨布纽斯式垂直轴风轮的不足，提高风能利用率。 技术关键：通过三戟立轴风轮原创性设计和结构尺寸的优化来解决传统阻力型垂直轴风轮风能利用率低的问题，提高风能利用率。 主要技术指标： 1.通过对三戟风轮参数（凹面曲率半径R1、凸面曲率半径R2、风能集流通道长度及位置）的优化达到最高的风能利用率。 2.通过指导践行分析使得系统输出功率最大。
科学性、先进性
- 本项目研发的三戟立轴风轮的叶轮在旋转的过程中，其受力情况优越于水平轴风机，由于惯性力与重力的方向始终不变,所受载荷变化幅度小,因此疲劳寿命要比水平轴风轮长。从空气动力学上分析,物体速度越快,外形对流场的影响越大。对于水平轴风轮来讲,当风力发电机在户外运行时,叶片上不可避免的受到污染,这种污染有可能改变叶片的形状甚至损坏叶片。同时这种外形变化即使非常微小,也大幅度地降低了风轮的风能利用率。而三戟立轴风轮由于设计刚度高、对外界敏感程度低,使得风轮的气动性能保持良好状态且延长了风机的使用寿命。 三戟立轴风轮与三叶风能传递腔式风轮相比具有更高的功率系数，且结构简单、造型美观、运行可靠。三戟立轴风轮的主要几何构件仅为简单板件和盘形板件，风轮本身没有任何动件，运动中也不需配备任何其它调整机构，安装维护方便，相对于传统的水平轴风力发电机，三戟立轴风轮具有设计方法先进、风能利用率高、起动风速低、无噪声等众多优点。
获奖情况及鉴定结果
- 本项目的前期研究于2008年10月通过河南省科学技术厅组织的科技成果鉴定，鉴定结果为：“该研究在三戟消涡垂直轴风轮结构、低速永磁风力发电技术和电压控制器等方面均有原始创新，达到同研究领域国际领先水平”。2009年河南省科技成果登记：9412009Y0420。 2011年河南省第九届“挑战杯”竞赛中荣获一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 自行设计研发风力发电机产品，直接销售市场。
作品可展示的形式
- 模型和现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：外来风能进入集流通道,戟型盖板和风叶板组合闭合腔。气流将从集流通道流入闭合腔，经过内腔二次驱动,增大风轮的驱动力矩。风轮通过齿轮传动带动发电机发电。 技术特点：1、本作品逾越了阻力型风轮的先天性缺陷，开创了阻力型风轮风能传递新的途径和技术手段，研发出了相应的风能传递装置。2、本项目使用了具有自主知识产权的新型简捷型风洞试验装置，可以模拟不同工况下的结构参数优化的垂直轴风轮的动力学特性。3、三戟立轴内腔二次驱动风能传递技术具有涡流损失低、功率系数高、结构简单、运行可靠和外形美观等优点。 适用范围和推广前景：适用于边防哨所、牧民家庭、海岛用户以及公共供电事业中发挥作用，如: 1、庭园风电照明系统（10～90W） 2、路灯风电照明系统（100～500W） 3、微网风力供电系统（1000～5000W） 市场分析和经济效益预测：此装置的问世具有革命性创新。如果按输出功率为3KW、单价为2.1万元的小型风机装置、年产量为2000台的规模来生产，风机制造产值将达到四千万。
同类课题研究水平概述
- 国内外同类课题研究水平 近年来，垂直轴风力机的研究取得了极大的进展，很多形象各异的商用小型垂直轴风力机(Vertical AxisWind Turbines,VAWT)已成功投入市场。国外大的公司有加拿大的Cleanfield Energy公司，主导产品是额定功率为3.5kW，升力型叶轮风力发电机，整套系统由玻璃钢纤维和钢材组成，约重181.4kg，叶轮高3m，轮辐直径2.5m；美国Mag-Wing公司，主导产品MW1100的额定功率为5kW，额定风速12.5m/s，发电量在平均风速5.8 m/s 的条件下为1100 kWh/月，该机启动风速低于2.3m/s，最高风速45m/s；美国PacWind公司，整套系统的叶轮高1.22m，直径0.76m，重2.7kg，叶轮转速0~1200转/min，发电机高0.15m，直径0.45m，质量3.6kg。 2006年7月，中国垂直轴风力发电机试验基地在内蒙古化德县正式启动运行，由国务院三峡办牵头组织，哈尔滨工程大学，中国航天研究三院，哈尔滨电机集团公司，河南许昌继电器厂等单位参与研制开发的垂直轴风力发电机组是我国自主研发，拥有自主知识产权的新型风力发电机组。与常规的水平轴风力发电机组相比，单位千瓦能力投资可下降50%左右，且具有地面维护，易检修，寿命长等特点。麟风风电设备公司主导产品为H 型垂直轴风力发电机，该公司在大型垂直轴风机上采用了变“攻角”技术,该技术使垂直轴风力发电机的风轮在转动过程中,当叶片处于不同位置时根据风速、风向的变化情况，使叶片的“攻角”保持受控变化，使其始终处在最佳的“攻角”位置，从而达到最大的风能利用率。这项技术在世界上首次使大型升力型垂直轴风力发电机在风速为2m/s时就可以带负载自启动，同时在额定风速下获得比水平轴风力机更高的风能利用率。而且在高风速环境下运行噪声小，在风速超过额定风速后继续保持稳定的输出功率。这将使大型垂直轴风力发电机具有比大型水平轴风力发电机更高的商业开发价值。 面对复杂的工程实际应用，项目组成员还将针对作品的工程可用性、实验数据可靠性以及产品适用性等做进一步的探索研究，使作品日趋完善。
