基本信息
- 项目名称：
- 变攻角升阻力混合型垂直轴风力发电机
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该作品属于垂直轴风力发电机，具有安装维护简单、噪声低、叶片受力稳定等垂直轴风力机的固有优点。特点在于风力机风轮由两个叶片组成，可依据风速风向仪、光电编码器测得的风向、风速、叶轮转速及转角等信号，通过单片机控制每个叶片驱动电机，自动调节各叶片的攻角以获得最大的驱动力矩和发电效率。该系统可以广泛地应用在风力资源较丰富的哨所、岛屿、偏远山区等风力资源较丰富的地区，免除远距离的电线电缆的建设费用，带来巨大的经济效益。
- 详细介绍：
- 变攻角风力发电机采用全自动控制叶片攻角的方法，风轮由两个叶片组成，每个叶片由一个直流电机调节叶片的转角。依据风速风向仪、光电编码器测得的风向、风速、叶轮转速及转角等信号，通过单片机控制每个叶片驱动电机，自动调节各叶片的攻角，发挥阻力型起动特性好和升力型风能利用效率高的特点，实现了升阻力混合控制。 该作品继承了传统垂直轴风力机安装维护简单、噪声低、叶片受力稳定的优势，同时弥补了传统垂直轴风力机的不足： a．降低了垂直轴风力机的起动风速:在风车起动时，通过调节攻角保证叶片有最大的迎风角度，使风力机作为阻力型风力机起动，提高了起动力矩； b．提高了垂直轴风力机的发电效率：在风力机运行的过程中，实时测量风向、风速、叶轮转速及转角等信号，自动调节叶片攻角，充分利用叶片的升力和阻力，以获得最大的效率； c．调速、限速方便，提高了安全性：风力机运行过程中，当转速过高时，通过调节叶片攻角提供阻力矩，使转速稳定在安全可靠的范围内，可以省去机械限速装置。 该作品适合用于大型的风电场，因为在风电场中，同一地点范围的风向、风速信号，可作为该范围多个风力机叶片攻角调节的依据，降低了传感器使用成本；在相同尖速比的情况下，风轮直径越大，转速越小，叶片攻角变化越慢，叶片转角调节电机功率损耗越小。基于上述这两点的考虑，该作品可促进垂直轴风力机向大型化发展，带来巨大的经济效益。
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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
- 1.设计发明目的和基本思路： 风力发电机主要分水平轴风力机和垂直轴风力机两种类型。目前商业发电以水平轴为主。与水平轴风力机相比，垂直轴风力机具有安装维护方便、噪声小、叶片受力稳定的优点。垂直轴风力机分为阻力型和升力型，阻力型风力机起动性能较好，但只有小型风力机在低风速下才能获得较大的风能利用率；升力型风力机可用于大型风力机，能获得较高的风能利用率，但大型风力机没有自起动能力。 针对上述问题，该作品采用全自动控制叶片攻角的方法，发挥阻力型起动特性好和升力型风能利用效率高的特点，实现升阻力混合控制，从而降低起动风速，提高风能利用率。 2. 创新点： a．降低了垂直轴风力机的起动风速:在风车起动时，通过调节攻角保证叶片有最大的迎风角度。 b．提高了垂直轴风力机的发电效率：风力机运行的过程中，实时测量风向、风速、叶轮转速及转角等信号，自动调节叶片攻角，充分利用叶片的升力和阻力。 c．调速、限速方便：当转速过高时，通过调节叶片攻角提供阻力矩，使转速稳定在安全可靠的范围内，可省去机械限速装置。 3.技术关键： 依据风速风向仪、光电编码器测得的风向、风速、叶轮转速及转角等信号，通过单片机控制每个叶片驱动电机，自动调节各叶片的攻角以获得最大的驱动力矩和发电效率。 4.技术指标：叶片翼型--NACA0012;叶片数量--2;风轮直径L--2m;风轮高度H--2m;起动风速--2m/s;发电功率（10m/s)--800w。
科学性、先进性
- 1．继承了传统垂直轴风力机的优势： 1）安装维护方便：垂直轴风力机的发电机及变速箱可安装在地面。 2）叶片寿命较长：水平轴风力机的叶片在运行过程中，受重力和离心力综合作用，叶片受交变载荷；垂直轴风力机的叶片受力方向始终不变。 3）噪声小：水平轴风轮的尖速比在5-7之间，高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音；垂直轴风轮的尖速比在1.5-2之间。 2．具有科学性和技术先进性： 1）应用叶素理论求得作用在叶片上的气动力，结合理论力学知识求得叶轮的驱动力矩和瞬时功率，并运用Matlab软件分析得到叶片攻角的最优变化规律和两种控制策略下的风力机气动性能。 2）采用全自动控制方法，由单片机采集风向、风速、叶轮转速及转角等信号并直接控制电机调节叶片攻角，充分利用叶片的升力和阻力，以获得最大的驱动力矩和发电效率，使风力机适应任意的风速和转速范围。并且当高风速下，可通过自动调节叶片攻角提供阻力矩，使转速稳定在安全可靠的范围内。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年XXX大学第十五届大学生课外学术科技作品竞赛荣获一等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术转让或合作开发
作品可展示的形式
- 实物、产品;现场演示;录像
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
- 1.使用说明（详见申报材料） 2.技术特点和优势： 1）采集风向、风速及转速信号，实时自动调节叶片攻角。 2）提高起动力矩，降低起动风速 3）提高发电效率，维持安全的转速范围。 3.适用范围： 该作品可以应用在哨所、岛屿、偏远山区等风力资源较丰富的地区，免除远距离的电线电缆的建设费用；也可以应用于风速较低的场合，作为单个家庭使用。 4.市场分析和经济效益预测： 该作品具有安装维护方便、噪声小及叶片受力稳定的传统优点，并且提高了发电效率，降低了起动风速；在风电场中，同一地点范围的风向、风速信号，可作为该范围多个风力机叶片攻角调节的依据，降低了传感器使用成本；在相同尖速比的情况下，风轮直径越大，转速越小，叶片攻角变化越慢，电机功率损耗越小。基于上述考虑，该作品更适合于大型风力机，可促进垂直轴风力机向大型化发展，带来巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 风力发电机按风轮轴的方向可分为水平轴风力机和垂直轴风力机。能量驱动链(即风轮、主轴、增速箱、发电机)为水平方向的，是水平轴风力机。能量驱动链为垂直方向的，是垂直轴风力机。 水平轴风力发电机比垂直轴风力机出现较早，并得到了广泛的应用，多用于大型水平轴风电场。 垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚一些，直到20世纪20年代才开始出现（Savonius式风轮——1924年，Darrieus式风轮——1931年）。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。 近年来，越来越多的机构和个人开始研究垂直轴风力发电机，并取得了长足的发展。 目前，大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大部分是由叶片设计方法计算所得，一般在40%以上；但一些机构对测试方法提出质疑，认为依据风轮后部测试的风速计算出的发电效率偏高，需做出修正。 传统的垂直轴风力机: 传统的垂直轴叶轮的转动与风向无关，因此不需要像水平轴风力机那样采用迎风装置。美国公司FloWind和英国Peter Musgrove团队分别研制了基于达里厄风力机原理的φ型和H型风力机。国内上海模斯电子设备有限公司和上海麟风风能科技有限研制了中小型垂直轴风力发电机。该类风机都属于固定叶片的垂直轴风力机，大型风力机起动性能差，特别是达里厄风力机没有自起动的能力。 变攻角垂直轴风力机： 国外相关研究成果： 活动叶片垂直轴风轮，叶片的角度变化是应用导杆或凸轮机构获得，试验表明在低风速下该垂直轴风轮的效率比传统的达里厄风力机要高，还有自起动的优点。 国内相关研究成果： 专利号为200610023892.2，发明名称为 垂直轴风力发电机叶片攻角调节装置。 叶片与齿轮固定连接，在一定强度的风力作用下，齿条一端的滚子沿静止的凸轮轮廓线运动，带动齿条作往复运动。在圆周上的不同位置，可使叶片的攻角保持在各个设定范围内；当风向发生变化后 ，由电机带动凹槽凸轮转动相应的角度，使风向同凹槽凸轮的相对方位保持不变 ，保证风向变化后的叶片攻角仍然能和风向保持各个设定值范围。
