題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 變攻角升阻力混合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該作品屬于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，具有安裝維護(hù)簡單、噪聲低、葉片受力穩(wěn)定等垂直軸風(fēng)力機(jī)的固有優(yōu)點(diǎn)。特點(diǎn)在于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由兩個(gè)葉片組成，可依據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀、光電編碼器測(cè)得的風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號(hào)，通過單片機(jī)控制每個(gè)葉片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，自動(dòng)調(diào)節(jié)各葉片的攻角以獲得最大的驅(qū)動(dòng)力矩和發(fā)電效率。該系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用在風(fēng)力資源較豐富的哨所、島嶼、偏遠(yuǎn)山區(qū)等風(fēng)力資源較豐富的地區(qū)，免除遠(yuǎn)距離的電線電纜的建設(shè)費(fèi)用，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
- 詳細(xì)介紹：
- 變攻角風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用全自動(dòng)控制葉片攻角的方法，風(fēng)輪由兩個(gè)葉片組成，每個(gè)葉片由一個(gè)直流電機(jī)調(diào)節(jié)葉片的轉(zhuǎn)角。依據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀、光電編碼器測(cè)得的風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號(hào)，通過單片機(jī)控制每個(gè)葉片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，自動(dòng)調(diào)節(jié)各葉片的攻角，發(fā)揮阻力型起動(dòng)特性好和升力型風(fēng)能利用效率高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了升阻力混合控制。 該作品繼承了傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝維護(hù)簡單、噪聲低、葉片受力穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力機(jī)的不足： a．降低了垂直軸風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速:在風(fēng)車起動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)攻角保證葉片有最大的迎風(fēng)角度，使風(fēng)力機(jī)作為阻力型風(fēng)力機(jī)起動(dòng)，提高了起動(dòng)力矩； b．提高了垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率：在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片攻角，充分利用葉片的升力和阻力，以獲得最大的效率； c．調(diào)速、限速方便，提高了安全性：風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內(nèi)，可以省去機(jī)械限速裝置。 該作品適合用于大型的風(fēng)電場(chǎng)，因?yàn)樵陲L(fēng)電場(chǎng)中，同一地點(diǎn)范圍的風(fēng)向、風(fēng)速信號(hào)，可作為該范圍多個(gè)風(fēng)力機(jī)葉片攻角調(diào)節(jié)的依據(jù)，降低了傳感器使用成本；在相同尖速比的情況下，風(fēng)輪直徑越大，轉(zhuǎn)速越小，葉片攻角變化越慢，葉片轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)電機(jī)功率損耗越小?；谏鲜鲞@兩點(diǎn)的考慮，該作品可促進(jìn)垂直軸風(fēng)力機(jī)向大型化發(fā)展，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.設(shè)計(jì)發(fā)明目的和基本思路： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要分水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)兩種類型。目前商業(yè)發(fā)電以水平軸為主。與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力機(jī)具有安裝維護(hù)方便、噪聲小、葉片受力穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。垂直軸風(fēng)力機(jī)分為阻力型和升力型，阻力型風(fēng)力機(jī)起動(dòng)性能較好，但只有小型風(fēng)力機(jī)在低風(fēng)速下才能獲得較大的風(fēng)能利用率；升力型風(fēng)力機(jī)可用于大型風(fēng)力機(jī)，能獲得較高的風(fēng)能利用率，但大型風(fēng)力機(jī)沒有自起動(dòng)能力。 針對(duì)上述問題，該作品采用全自動(dòng)控制葉片攻角的方法，發(fā)揮阻力型起動(dòng)特性好和升力型風(fēng)能利用效率高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)升阻力混合控制，從而降低起動(dòng)風(fēng)速，提高風(fēng)能利用率。 2. 創(chuàng)新點(diǎn)： a．降低了垂直軸風(fēng)力機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速:在風(fēng)車起動(dòng)時(shí)，通過調(diào)節(jié)攻角保證葉片有最大的迎風(fēng)角度。 b．提高了垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)電效率：風(fēng)力機(jī)運(yùn)行的過程中，實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片攻角，充分利用葉片的升力和阻力。 c．調(diào)速、限速方便：當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，通過調(diào)節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內(nèi)，可省去機(jī)械限速裝置。 3.技術(shù)關(guān)鍵： 依據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀、光電編碼器測(cè)得的風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號(hào)，通過單片機(jī)控制每個(gè)葉片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，自動(dòng)調(diào)節(jié)各葉片的攻角以獲得最大的驅(qū)動(dòng)力矩和發(fā)電效率。 4.技術(shù)指標(biāo)：葉片翼型--NACA0012;葉片數(shù)量--2;風(fēng)輪直徑L--2m;風(fēng)輪高度H--2m;起動(dòng)風(fēng)速--2m/s;發(fā)電功率（10m/s)--800w。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1．繼承了傳統(tǒng)垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)勢(shì)： 1）安裝維護(hù)方便：垂直軸風(fēng)力機(jī)的發(fā)電機(jī)及變速箱可安裝在地面。 2）葉片壽命較長：水平軸風(fēng)力機(jī)的葉片在運(yùn)行過程中，受重力和離心力綜合作用，葉片受交變載荷；垂直軸風(fēng)力機(jī)的葉片受力方向始終不變。 3）噪聲小：水平軸風(fēng)輪的尖速比在5-7之間，高速下葉片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪音；垂直軸風(fēng)輪的尖速比在1.5-2之間。 2．具有科學(xué)性和技術(shù)先進(jìn)性： 1）應(yīng)用葉素理論求得作用在葉片上的氣動(dòng)力，結(jié)合理論力學(xué)知識(shí)求得葉輪的驅(qū)動(dòng)力矩和瞬時(shí)功率，并運(yùn)用Matlab軟件分析得到葉片攻角的最優(yōu)變化規(guī)律和兩種控制策略下的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能。 2）采用全自動(dòng)控制方法，由單片機(jī)采集風(fēng)向、風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)角等信號(hào)并直接控制電機(jī)調(diào)節(jié)葉片攻角，充分利用葉片的升力和阻力，以獲得最大的驅(qū)動(dòng)力矩和發(fā)電效率，使風(fēng)力機(jī)適應(yīng)任意的風(fēng)速和轉(zhuǎn)速范圍。并且當(dāng)高風(fēng)速下，可通過自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片攻角提供阻力矩，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在安全可靠的范圍內(nèi)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2009年XXX大學(xué)第十五屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽榮獲一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓或合作開發(fā)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品;現(xiàn)場(chǎng)演示;錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1.使用說明（詳見申報(bào)材料） 2.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1）采集風(fēng)向、風(fēng)速及轉(zhuǎn)速信號(hào)，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)葉片攻角。 2）提高起動(dòng)力矩，降低起動(dòng)風(fēng)速 3）提高發(fā)電效率，維持安全的轉(zhuǎn)速范圍。 3.適用范圍： 該作品可以應(yīng)用在哨所、島嶼、偏遠(yuǎn)山區(qū)等風(fēng)力資源較豐富的地區(qū)，免除遠(yuǎn)距離的電線電纜的建設(shè)費(fèi)用；也可以應(yīng)用于風(fēng)速較低的場(chǎng)合，作為單個(gè)家庭使用。 4.市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 該作品具有安裝維護(hù)方便、噪聲小及葉片受力穩(wěn)定的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)，并且提高了發(fā)電效率，降低了起動(dòng)風(fēng)速；在風(fēng)電場(chǎng)中，同一地點(diǎn)范圍的風(fēng)向、風(fēng)速信號(hào)，可作為該范圍多個(gè)風(fēng)力機(jī)葉片攻角調(diào)節(jié)的依據(jù)，降低了傳感器使用成本；在相同尖速比的情況下，風(fēng)輪直徑越大，轉(zhuǎn)速越小，葉片攻角變化越慢，電機(jī)功率損耗越小?；谏鲜隹紤]，該作品更適合于大型風(fēng)力機(jī)，可促進(jìn)垂直軸風(fēng)力機(jī)向大型化發(fā)展，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
同類課題研究水平概述
- 風(fēng)力發(fā)電機(jī)按風(fēng)輪軸的方向可分為水平軸風(fēng)力機(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。能量驅(qū)動(dòng)鏈(即風(fēng)輪、主軸、增速箱、發(fā)電機(jī))為水平方向的，是水平軸風(fēng)力機(jī)。能量驅(qū)動(dòng)鏈為垂直方向的，是垂直軸風(fēng)力機(jī)。 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)比垂直軸風(fēng)力機(jī)出現(xiàn)較早，并得到了廣泛的應(yīng)用，多用于大型水平軸風(fēng)電場(chǎng)。 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)明則要比水平軸的晚一些，直到20世紀(jì)20年代才開始出現(xiàn)（Savonius式風(fēng)輪——1924年，Darrieus式風(fēng)輪——1931年）。由于人們普遍認(rèn)為垂直軸風(fēng)輪的尖速比不可能大于1，風(fēng)能利用率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電，因而導(dǎo)致垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)長期得不到重視。 近年來，越來越多的機(jī)構(gòu)和個(gè)人開始研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并取得了長足的發(fā)展。 目前，大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率絕大部分是由葉片設(shè)計(jì)方法計(jì)算所得，一般在40%以上；但一些機(jī)構(gòu)對(duì)測(cè)試方法提出質(zhì)疑，認(rèn)為依據(jù)風(fēng)輪后部測(cè)試的風(fēng)速計(jì)算出的發(fā)電效率偏高，需做出修正。 傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī): 傳統(tǒng)的垂直軸葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無關(guān)，因此不需要像水平軸風(fēng)力機(jī)那樣采用迎風(fēng)裝置。美國公司FloWind和英國Peter Musgrove團(tuán)隊(duì)分別研制了基于達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)原理的φ型和H型風(fēng)力機(jī)。國內(nèi)上海模斯電子設(shè)備有限公司和上海麟風(fēng)風(fēng)能科技有限研制了中小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。該類風(fēng)機(jī)都屬于固定葉片的垂直軸風(fēng)力機(jī)，大型風(fēng)力機(jī)起動(dòng)性能差，特別是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)沒有自起動(dòng)的能力。 變攻角垂直軸風(fēng)力機(jī)： 國外相關(guān)研究成果： 活動(dòng)葉片垂直軸風(fēng)輪，葉片的角度變化是應(yīng)用導(dǎo)桿或凸輪機(jī)構(gòu)獲得，試驗(yàn)表明在低風(fēng)速下該垂直軸風(fēng)輪的效率比傳統(tǒng)的達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)要高，還有自起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。 國內(nèi)相關(guān)研究成果： 專利號(hào)為200610023892.2，發(fā)明名稱為 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片攻角調(diào)節(jié)裝置。 葉片與齒輪固定連接，在一定強(qiáng)度的風(fēng)力作用下，齒條一端的滾子沿靜止的凸輪輪廓線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)齒條作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在圓周上的不同位置，可使葉片的攻角保持在各個(gè)設(shè)定范圍內(nèi)；當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化后 ，由電機(jī)帶動(dòng)凹槽凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，使風(fēng)向同凹槽凸輪的相對(duì)方位保持不變 ，保證風(fēng)向變化后的葉片攻角仍然能和風(fēng)向保持各個(gè)設(shè)定值范圍。
