曹 政

(江蘇省海安高級(jí)中學(xué)，江蘇 海安 226600)

一種可抗臺(tái)風(fēng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)

曹 政

(江蘇省海安高級(jí)中學(xué)，江蘇 海安 226600)

提出了一種可抗臺(tái)風(fēng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)，葉片可以根據(jù)風(fēng)速大小自行向內(nèi)折疊一定角度，使得風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速下降，輸出功率基本保持不變，達(dá)到抗臺(tái)風(fēng)的目的。設(shè)計(jì)了垂直軸風(fēng)力機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，分析了垂直軸風(fēng)力機(jī)抗臺(tái)風(fēng)的工作原理，闡述了可抗臺(tái)風(fēng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)工作過(guò)程。

垂直軸風(fēng)力機(jī)；葉片；抗臺(tái)風(fēng)

0 引 言

開發(fā)利用風(fēng)能可在一定程度上有效解決能源危機(jī)。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)商業(yè)化時(shí)間較早，但這種風(fēng)力機(jī)的技術(shù)構(gòu)成復(fù)雜、造價(jià)高，且運(yùn)行限制條件嚴(yán)格，適合運(yùn)行的風(fēng)速范圍小。而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其不受風(fēng)向影響、無(wú)需偏航裝置、安裝維護(hù)方便、成本低、噪聲小等優(yōu)勢(shì)[1]，逐漸受到業(yè)界重視。

現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多為升力型風(fēng)力機(jī)。額定風(fēng)速和極限風(fēng)速是其重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，為了保證輸出功率一致，風(fēng)力機(jī)的控制電路會(huì)將額外的風(fēng)能以電阻發(fā)熱等形式消散；一旦超過(guò)極限風(fēng)速時(shí)，某些結(jié)構(gòu)會(huì)將風(fēng)力機(jī)緊急制動(dòng)，防止功率過(guò)載或者轉(zhuǎn)速過(guò)大導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)磨損[2]。在更極端(如臺(tái)風(fēng))情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)很可能遭到整體損壞。

設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)合理，能抗臺(tái)風(fēng)，且在超過(guò)極限風(fēng)速時(shí)能穩(wěn)定發(fā)電的垂直軸風(fēng)力機(jī)，可提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的壽命，促進(jìn)垂直軸風(fēng)力機(jī)的推廣應(yīng)用。

1 抗臺(tái)風(fēng)垂直軸風(fēng)力機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的可抗臺(tái)風(fēng)垂直軸風(fēng)力機(jī)，如圖1所示。中空立柱豎直焊接于基礎(chǔ)平臺(tái)中央，發(fā)電機(jī)輸出軸豎向固定于中空立柱頂部，發(fā)電機(jī)外殼上表面裝配有連接圓盤，多個(gè)葉片組件與圓盤之間通過(guò)支撐套管連接，葉片組件豎直布置，且沿立柱周向均布，構(gòu)成風(fēng)輪。

復(fù)合支撐套管由外支撐管和內(nèi)支撐管組成，內(nèi)支撐管剛好插于外支撐管中，彈簧置于內(nèi)支撐管中以連接內(nèi)、外支撐管。

可折疊葉片由上葉片、下葉片、連接塊、鉸鏈、導(dǎo)軌及滑塊構(gòu)成。上葉片和下葉片各自的一端連接與內(nèi)支撐管端部，葉片的另一端于導(dǎo)軌中自由運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌豎向布置，其中部固定于外支撐管端部。

1-基礎(chǔ)平臺(tái)；2-立柱；3-導(dǎo)軌；4-下葉片；5-內(nèi)支撐管；6-連接塊；7-上葉片；8-滑塊；9-外支撐管；10-連接管；11-連接圓盤；12-發(fā)電機(jī)圖1 可抗臺(tái)風(fēng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)整體結(jié)構(gòu)

采用鉸鏈將葉片的一端與滑塊相連，滑塊置于導(dǎo)軌槽內(nèi)沿導(dǎo)槽自由移動(dòng)；采用鉸鏈將葉片的另一端與連接塊相連，連接塊固定于內(nèi)支撐管端部。

2 抗臺(tái)風(fēng)原理

根據(jù)風(fēng)能轉(zhuǎn)換理論[3]，風(fēng)力機(jī)可產(chǎn)生的功率為：

(1)

式中：Cp為風(fēng)能利用率；ρ為空氣密度；S為葉輪掃掠面積；υ為風(fēng)速。

可見(jiàn)，垂直軸風(fēng)力機(jī)正常工作時(shí)的輸出功率與葉輪掃掠面積和風(fēng)速有關(guān)。在風(fēng)速無(wú)法人為控制的情況下，只有改變?nèi)~輪掃掠面積，將輸出功率控制在許可范圍內(nèi)。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，從而保證風(fēng)力機(jī)在臺(tái)風(fēng)影響下結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，且能正常發(fā)電。

垂直軸風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中葉片產(chǎn)生離心力，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速甚至是臺(tái)風(fēng)時(shí)，風(fēng)力機(jī)葉片向外甩出，在彈簧拉力作用下葉片建立新的平衡，此時(shí)葉片向內(nèi)于某一固定角度不變，葉輪掃掠面積S變小，反過(guò)來(lái)會(huì)使葉輪角速度ω變小并趨于穩(wěn)定，風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨之穩(wěn)定。因此，整個(gè)風(fēng)力機(jī)不需要采取強(qiáng)制機(jī)械停機(jī)就能安全度過(guò)臺(tái)風(fēng)期，更重要的是其在臺(tái)風(fēng)期間也能正常發(fā)電。

3 可折疊葉片受力分析

可折疊葉片包括上葉片和下葉片。上葉片和下葉片各自的一端連接與內(nèi)支撐管端部，葉片的另一端于導(dǎo)軌中自由運(yùn)動(dòng)。內(nèi)支撐管置于外支撐管內(nèi)，其相對(duì)移動(dòng)受彈簧約束，如圖2所示。

圖2 復(fù)合支撐管結(jié)構(gòu)示意圖

風(fēng)力機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片受4個(gè)力的作用：重力，風(fēng)作用于葉片產(chǎn)生的升力，離心力以及彈簧拉力。葉片所受重力方向平行于回轉(zhuǎn)軸，與風(fēng)力機(jī)的功率無(wú)關(guān)，故對(duì)葉片的受力分析只要考慮回轉(zhuǎn)葉片的切向和法向方向的受力情況，如圖3所示。

圖3 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片受力分析圖

升力的切向分量Fz用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)。升力的法向分量Fx、離心力合力Fn以及彈簧拉力F彈用于調(diào)節(jié)葉片的折疊程度。

設(shè)彈簧彈性系數(shù)為k，彈簧原長(zhǎng)為l0，彈簧初始伸長(zhǎng)量x0(即外支撐管程度)，則彈簧產(chǎn)生的拉力為：

(2)

設(shè)上、下葉片質(zhì)量均為m，它們繞旋軸旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力合力為：

(3)

葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的最大升力法向分量Fx為[3]：

(4)

式中：ρ為空氣密度，υ為風(fēng)速，c為葉片弦長(zhǎng)，CN為法向力系數(shù)。

當(dāng)風(fēng)速為額定風(fēng)速υ0時(shí)，設(shè)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為ω0，此時(shí)彈簧力等于葉片離心力與葉片升力法向分量之和，x=0，F(xiàn)彈=Fn+Fx，有：

(5)

當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，上葉片在升力法向分量、彈簧力和離心力共同作用下到達(dá)新位置，此時(shí)彈簧力等于葉片離心力與葉片升力法向分量之和，葉輪角速度為ω，葉片處于新的受力平衡狀態(tài)，有：

(6)

4 穩(wěn)定發(fā)電原理分析

下面結(jié)合可抗臺(tái)風(fēng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片幾何解析圖(如圖4所示)，分析臺(tái)風(fēng)時(shí)風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定發(fā)電原理。

圖4 垂直軸風(fēng)力機(jī)葉片幾何解析圖

y軸代表風(fēng)力機(jī)立柱，x軸代表支撐管，外支撐管長(zhǎng)x0，A′B′表示風(fēng)力機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)某可折疊葉片的上葉片，A′D′表示下葉片，上、下葉片長(zhǎng)度均為y0，BD表示導(dǎo)軌。

(1)當(dāng)實(shí)際風(fēng)速小于(或等于)風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的額定風(fēng)速時(shí)，上、下葉片產(chǎn)生的升力法向分量Fx與葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力合力Fn之和小于(或等于)彈簧拉力F彈，點(diǎn)A′向回轉(zhuǎn)中心O移動(dòng)，但受外支撐管長(zhǎng)度x0的約束，只能到達(dá)點(diǎn)A(x0，0)，同時(shí)B′、D′兩點(diǎn)在導(dǎo)軌內(nèi)移動(dòng)，分別到達(dá)B(x0，y0)、D(x0，-y0)，此時(shí)上、下葉片完全貼合于導(dǎo)軌，且平行于立柱，風(fēng)力機(jī)可將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)正常發(fā)電；

(2)當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的額定風(fēng)速，甚至達(dá)到臺(tái)風(fēng)時(shí)，葉片的離心力合力Fn增大，葉片向外甩出至某一位置A′B′、A′D′，此時(shí)葉片鉸接點(diǎn)為A′(x0+x，0),x越來(lái)越大，彈簧拉力相應(yīng)增大，又由于y相應(yīng)變小，葉輪掃掠面積S也會(huì)變小，葉片上產(chǎn)生的升力相應(yīng)變小，驅(qū)動(dòng)風(fēng)力機(jī)旋轉(zhuǎn)的升力切向分量Fz相應(yīng)變小，葉輪角速度ω下降，離心力變小，最終葉片在升力法向分量、離心力與彈簧力作用下建立新的平衡，葉片處于某一固定位置不再移動(dòng)，因而風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨之恒定，從而使發(fā)電機(jī)在臺(tái)風(fēng)的作用下可以正常的工作而不損害發(fā)電機(jī)的壽命。

將式(5)帶入式(6)得，

(7)

由RtΔAA′B′知:

(8)

當(dāng)風(fēng)速大于額定風(fēng)速時(shí)，葉輪掃掠面積為：

(9)

(10)

由公式(10)知，可抗臺(tái)風(fēng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)的功率隨葉輪角速度ω的變化而變化。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)額定風(fēng)速時(shí)，甚至在臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下，葉輪角速度ω隨風(fēng)速的增加而增加，離心力Fn越來(lái)越大，鉸接點(diǎn)A向外甩出向A′運(yùn)動(dòng)，葉片端部B相應(yīng)地向B′運(yùn)動(dòng)，即x越來(lái)越大，y相應(yīng)變小，葉輪掃掠面積S也會(huì)變小，而掃掠面積S的變小反過(guò)來(lái)會(huì)使葉輪角速度ω變小，離心力下降，鉸接點(diǎn)A′回縮，最終葉片在離心力與彈簧力作用下建立新的平衡，葉片處于某一固定位置不再移動(dòng)，角速度ω不變，風(fēng)力機(jī)的輸出功率隨之恒定，從而減小了立柱的振顫，增強(qiáng)了風(fēng)力機(jī)的整體穩(wěn)定性，避免了整機(jī)的毀壞。因此，整個(gè)風(fēng)力機(jī)不需要采取強(qiáng)制機(jī)械停機(jī)就能安全度過(guò)臺(tái)風(fēng)期，更重要的是其在臺(tái)風(fēng)期間也能正常發(fā)電。

5 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，即使可利用制動(dòng)機(jī)構(gòu)人為停機(jī)，但風(fēng)力發(fā)電機(jī)的迎風(fēng)面仍然受臺(tái)風(fēng)的靜載荷和動(dòng)載荷疊加效應(yīng)的作用，若風(fēng)力發(fā)電機(jī)承受彎矩和扭矩超過(guò)其極限載荷，輕則葉片折斷，重則風(fēng)力機(jī)傾覆報(bào)廢。可抗臺(tái)風(fēng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)解決了傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)極限后就不能工作的難題，避免了主軸振顫、葉片扭曲、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損加劇，無(wú)法正常穩(wěn)定發(fā)電等問(wèn)題，能有效延長(zhǎng)風(fēng)力機(jī)的使用壽命，提高風(fēng)力機(jī)效率，有著較好的應(yīng)用前景。

[1] Tai FZ , Kang K W, Jang MH, et al. Study on the analysis method for the vertical-axis wind turbines having Darrieus blades[J]. Renew Energy 2013; 54: 26-31.

[2] 王 磊. 垂直軸阻力差型風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)制動(dòng)研究 [D]. 西安: 西北大學(xué), 2014.

[3] Ion Paraschivoiu著,李春等譯. 垂直軸風(fēng)力機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M]. 上海: 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2013.

Design of Anti-typhoon Vertical Axis Wind Turbine

CAO Zheng

(Haian Senior School of Jiangsu Province, Haian 226600, Jiangsu Province, China)

A type of Anti-typhoon Vertical Axis Wind Turbine is proposed. In order to resist typhoon, the blades can fold inwards for a certain angle according to wind speed, which leads to a drop of rotating speed while output power maintains still. The principle of resisting typhoon is argued. It designs the whole structure of this VAWT and describes the working process of the VAWT.

Vertical Axis Wind Turbine; Blade; Anti-typhoon

10.3969/j.issn.1009-3230.2015.12.017

2015-11-04

2015-11-28

曹 政(1997-)，男，江蘇南通人，江蘇省海安高級(jí)中學(xué)高三年級(jí)學(xué)生，獲得全國(guó)中學(xué)生數(shù)學(xué)奧林匹克競(jìng)賽江蘇省賽區(qū)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。

TH

B

1009-3230(2015)12-0050-03