升阻力混合型垂直轴风力发电机

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1、序号： 编码： 哈尔滨工程大学第十六届“五四杯”大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书A科技发明制作类作品名称：升、阻力混合型垂直轴风力发电机院系名称：机电工程学院申报者姓名： 梁迎彬 王康 张松 1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2申报者根据作品类别（A科技发明制作、B自然科学类学术论文、C社会科学类社会调查报告和学术论文）分别填写。3序号、编码由“五四杯”竞赛组委会填写。4所有科技发明制作必须撰写研究论文，论文要求与大学生科创学刊要求相同。 5作品申报书须按要求由各院（系）统一报送，考虑低碳环保要求本次竞赛只需交电子版。6所有参赛作品必须按规定时间报送，相关要求见“启航网”

2、通知。申报者情况负责人情况姓 名梁迎彬性别男年龄24学号06071101身份证号130633198603111718公寓寝室3#405联系方式13654689476电子邮箱lyingbin合作者情况姓 名性别年龄学号联系方式电子邮箱 王康男25S3080700481393648323168wangkang张松男22S30907003913104503881zhangsong_251申报作品情况作品名称升阻力混合型垂直轴风力发电机作品分类计算机技术（包括软件、硬件技术）机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动控制、交通建筑等）通讯与电子（包括通讯电信、电力电子等）能源化工（包括能源、材料、化学化工、

3、生态环保、轮机等）数理（包括数学、物理、光学等）特色专业（水声、船舶、核能等）是否参加过各种立项否是否在其他竞赛中获奖否作品设计、发明的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；升力型风力机可作成大型风力机，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，该作品采用两层叶片，外层升力型叶片采用全自动控制方法控制叶片攻角，内层叶片通过机械结构设

4、计成可变形叶片，在顺风区叶片张开利用阻力增加转矩，逆风区叶片合拢降低阻力距，这样充分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。创新点，技术关键和主要技术指标创新点：a降低了垂直轴风力机的起动风速:在风车起动时，利用内层阻力型叶片在顺风区的张开增加力矩，并在逆风区合拢减少阻力距，使风机在低风速下启动；同时通过调节外层升力型叶片的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，自动调节外层叶片攻角和内层叶片的开合，

5、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。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，通过单片机控制外层每个叶片驱动电机，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；根据采集信息，控制内层叶片的开合，降低阻力距。技术指标叶片翼型NACA0012叶片数量3风轮直径L4m风轮高度H2m起动风速 2m/s发电功率（10m/s）1000w作品的科学性、先进性和实用性（必须说明与现有技术相比，该作品是否具有突出的实质性技

6、术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）1. 科学性先进性:A继承了传统垂直轴风力机的优势：1）安装维护方便：与水平轴风力机相比，垂直轴风力机的发电机及变速箱可安装在地面，降低了安装维护成本。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，重力与叶片的夹角随时变化，叶片受交变载荷；而垂直轴风力机的叶片受力方向始终不变。3）噪声小，具环保性：水平轴风轮的尖速比一般在5-7左右，高速下叶片切割气流将产生很大的气动噪音；很多鸟类在这样的高速叶片下很难幸免。而垂直轴风力机的尖速比一般在1.5-2之间。B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

7、动力，结合理论力学知识求得气流对叶轮的驱动力矩和瞬时功率，运用Matlab数学分析工具分析得到了叶片攻角的最优变化规律和风力机气动性能。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。并且当高风速下叶轮转速过高时，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。当前国内外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

8、，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，如图1所示为大型水平轴风电场。 图1 水平轴风力发电机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

9、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。如图2和图3分别为美国公司FloWind和英国Peter Musgrove团队研制的基于达里厄风力机原理的型和H型风力机。图4和图5为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的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较差，特别是达里厄风力机没有自起动的能力。 图3 H型垂直轴风力机图2 型垂直轴风力机 图5 麟风风能公司研制的垂直轴风力机图4 上海模斯公司研制的垂直轴风力机变攻角垂直轴风力机：国外相

10、关研究成果: 图6 马萨诸州能源公司研制的活动叶片风力机图6所示的活动叶片垂直轴风轮，叶片的角度变化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。如图7所示，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

11、向保持各个设定值范围。图7 攻角调节装置适应范围及推广前景1. 适用范围：该作品由于起动风速低，发电效率高，噪声低，既可以应用在哨所、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。 2. 前景预测：该作品提高了垂直轴风力机的发电效率，降低了起动风速，结合垂直轴风力机安装维护方便、噪声小及叶片受力稳定的传统优点，更适合用于大型的风电场。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

12、述2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。作品所处阶段实验室阶段 中试阶段 生产阶段其他 （自填）作品可展示的形式实物、产品 模型 图纸 磁盘现场演示 图片 录像 样品专利申请情况提出专利申请 已获专利权批准 未提出专利申请说明：1本表必须由申报者本人填写； 2本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书。附件： 一、 整体三维效果图：二、叶片俯视图三、工作原理该作品综合利用了风气动力产生的升力和阻力，用于风力机发电。外层升力型叶片采用主动控制，赋予电机最优的控制规律，调节桨矩角，从而达到控制叶片攻角，实现最大的风能利用率。内层叶片可以绕转轴旋转，在顺风区，两叶片同时向外张开，利用阻力产生较大的驱动力矩；在逆风区，两叶片同时闭合，降低阻力矩，从而提高风机的启动性能。该风力机利用阻力型风机低速启动性能好和升力型风机风能利用率高的优势，很大程度的提高了传统风力机的性能。四、内层叶片工作原理图叶片的两部分中间铰接，采用四杆机构控制叶片的运动：曲柄转动，带动叶片摆动；曲柄与齿轮固结，两齿轮啮合。当电机驱动其中的一个齿轮时，另一个齿轮也会运动，从而实现控制叶片运动的规律。11