CN107013414B - 一种h型垂直轴风力发电机的变攻角方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，包括：S1，确定上风区、下风区理论最佳攻角；S2，获得上风区、下风区诱导速度和诱导因子的运算关系；S3，确定上风区叶片安装角的调节规律；S4，确定下风区叶片安装角的调节规律；S5，根据上风区和下风区叶片安装角的调节规律，实时调节H型垂直轴风力发电机的安装角。本发明还提供了一种H型垂直轴风力发电机的攻角实时调节装置，运用本发明的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，实时调节叶片攻角，使得叶片在旋转过程中各个位置的攻角与最佳攻角最为接近，从而达到提高风能利用率的目的。
Description
技术领域
本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种H型垂直轴风力发电机的变攻角方法及其攻角实时调节装置。
背景技术
目前垂直轴风力发电机风能利用率仅有35％左右，远低于理论值66.6％，这一缺点阻碍了其规模化发展。垂直轴风力机的合成风速是指来流风速与切向风速的矢量和，叶片的攻角是指合成风速与叶片弦线的夹角，叶片的安装角是指叶片弦线和风轮切线之间的夹角。其中，叶片攻角是影响垂直轴风力机风能利用率的最重要因素之一。现有大多数垂直轴风力机的安装角一般为固定式，由于垂直轴风力机风轮在旋转过程中切向风速的变化，导致合成风速和叶片攻角随方位角不断变化，叶片在每个位置的气动特性各不相同，这是目前垂直轴风力机发电效率比水平轴风力机发电效率低的主要原因，因此实时可变攻角的垂直轴风力机是未来垂直轴风力机的一个重要发展方向。
目前，对于垂直轴风力机的攻角调节问题尚处于研究阶段：严强的专利“垂直轴风力发电机叶片攻角调节装置”(200610023892.2)公开了一种垂直轴风力机叶片攻角调节装置以降低启动风速、提高风能利用率；张立勋等以双盘面多流管理论为基础对主动式攻角调节控制方法和规律进行研究，获得了不同叶尖速比下的攻角控制规律，验证了主动式变桨距控制规律可显著提高垂直轴风力机的启动性能和风能利用率(张立勋，梁迎彬，尉越啸，等.垂直轴风力机主动式变桨距控制规律[J].中南大学学报(自然科学版)，2013，44(6):2561-2568.)；廉正光等的专利“一种变桨距垂直轴风力发电机”(201410009955.3)利用双曲柄调距机构及双偏心轴机构，设计了一种新型调距机构，并且制造出采用该机构的风力发电机样机。
上述研究提出的攻角调节方法均在一定程度上改善了垂直轴风轮的运转性能，提高了风能利用率。但在结构上，严强和廉正光设计的叶片攻角调节装置都用到了凸轮机构，很难适应不同风速的情况；张立勋等对变桨距规律的研究所采用的样机，利用两个伺服电机分别控制两个叶片的攻角变化，增加了系统惯性，且其调节方式有一定的滞后性。另外，理论上上述研究在气动特性分析时假设了垂直轴风轮下风区各个方位的诱导速度大小一致、方向不变；这些假设虽然简化了计算，但研究结果不能完全反映实际情况；而且所采用的翼型静态数据未考虑垂直轴风力机在实际工作状况下发生的动态失速问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够实现实时调节叶片攻角，大大提高风能利用率的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法及其攻角实时调节装置。
本发明提供了一种H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，其特征在于，包括：
S1，确定上风区、下风区理论最佳攻角；
S2，获得上风区、下风区诱导速度和诱导因子的运算关系；
S3，确定上风区叶片安装角的调节规律；
S4，确定下风区叶片安装角的调节规律；
S5，根据上风区和下风区叶片安装角的调节规律，实时调节H型垂直轴风力发电机的安装角。
进一步，在本发明提供H型垂直轴风力发电机的变攻角方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S1中，上风区、下风区理论最佳攻角的确定方法如下：
根据CT＝CL sinα-CD cosα，利用美国Sandia实验室测得的动态失速下翼型的升阻力系数值，绘制NACA0015翼型的升力、阻力系数曲线图，分析该曲线图，确定上风区、下风区理论最佳攻角，
其中，CL表示翼型升力系数，
CD表示翼型阻力系数，
CT表示翼型切向力系数，
α表示叶片攻角。
进一步，在本发明提供H型垂直轴风力发电机的变攻角方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S2中，上风区、下风区诱导速度和诱导因子的运算关系建立的具体步骤如下：
S2-1，建立双致动盘多流管理论分析模型；
S2-2，建立上风区诱导速度、下风区诱导速度、以及诱导因子之间的运算关系：
V＝uV∞，
Ve＝(2u-1)V∞，
V'＝u'Ve＝u'(2u-1)V∞，
W2＝V2[(Rω/V-sinθ)2+cos2θ]，
其中，V表示上风区诱导速度，
V'表示下风区诱导速度，
V∞表示无穷远来流风速，
u表示上风区诱导因子，
u'表示下风区诱导因子，
W表示合成风速，
θ表示叶片方位角，
R表示风轮半径，
ω表示风轮角速度。
进一步，在本发明提供H型垂直轴风力发电机的变攻角方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S3中，上风区叶片安装角的调节规律确定方法如下：
fupu＝1-u，
令叶片攻角α为上风区理论最佳攻角，上风区诱导因子迭代初值为1，
对上风区诱导因子进行迭代计算，得到上风区叶片安装角的调节规律，
其中，βup表示上风区安装角，
fup表示上风速度诱导因子迭代函数，
α表示叶片攻角，
N表示风轮叶片数，
c表示叶片弦长。
进一步，在本发明提供H型垂直轴风力发电机的变攻角方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S4中，下风区叶片安装角的调节规律确定方法如下：
S4-1，采用数值模拟方法，制作下风区叶片在各个方位处诱导速度的大小变化曲线和方向变化曲线，
S4-2，建立风轮下风区叶片攻角的计算模型，
S4-3，定义风轮下风区的局部叶尖速比X'
S4-4，建立下风区安装角与攻角间的关系
S4-5，令叶片攻角等于下风区理论最佳攻角，得到下风区叶片安装角调节规律，
其中，V'表示下风区诱导速度，
α表示叶片攻角，
θ表示叶片方位角，
R表示风轮半径，
ω表示风轮角速度，
X'表示下风区局部叶尖速比，
βdw表示下风区安装角，
γ表示偏角，即下风区诱导速度与水平方向的夹角，
进一步，在本发明提供H型垂直轴风力发电机的变攻角方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S5中，调节H型垂直轴风力发电机的实际安装角时，
由于叶片在0°和180°方位时，叶片升力方向通过转轴中心，不能产生推动风轮的转矩，因此，将叶片攻角调节为0°，使得此时的阻转矩最小，此时安装角为0°。
进一步，在本发明提供H型垂直轴风力发电机的变攻角方法中，还可以具有这样的特征：其中，上风区理论最佳攻角为10.7°。
进一步，在本发明提供H型垂直轴风力发电机的变攻角方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤S4-5中，下风区理论最佳攻角为-10.7°。
在本发明还提供一种运用H型垂直轴风力发电机的变攻角方法的攻角实时调节装置，主要包括叶片、叶片支撑架、调节攻角推杆、支撑杆、底座、发电机、尾舵、主轴、电动推杆、三通接头、导电滑环、风速检测仪、风向检测仪，其特征在于：
发电机固定在底座上，主轴下端与发电机的轴相连，电动推杆安装在主轴的上端，导电滑环固定安装在主轴内，
主轴的上端和下端还分别垂直焊接有三个支撑杆，主轴同一端相邻两个支撑杆之间的夹角为120°，主轴上端的支撑杆与下端的支撑杆的焊接方向一一相同，六个支撑杆的另一端上均通过螺栓固定安装有叶片支撑架，
叶片固定安装在同一竖直平面的两个叶片支撑架上，
调节攻角推杆的一端通过螺栓连接在叶片上，调节攻角推杆的另一端连接在三通接头上，三通接头通过螺栓固定在电动推杆上，尾舵安装在电动推杆上，
风速检测仪、风向检测仪安装在底座附件。
本发明的优点如下：
根据本发明所涉及的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，采用局部叶尖速比法，分上下风区进行考虑，比传统方法更精确，使得叶片旋转过程中各个位置的攻角与最佳攻角最为接近，极高地提升了风力机的发电效率。
根据本发明所涉及的H型垂直轴风力发电机的攻角实时调节装置，其电动推杆取代常用的凸轮机构，降低了材料费用，易于调节连杆的运动规律，也便于安装和维护；加装尾舵能够实现攻角调节规律与当前风向的动态匹配；导电滑环的使用解决了步进电机安装在机构顶部的电线缠绕问题。
因此，根据本发明技术方案能够实现实时调节叶片攻角，达到大大提高风能利用率和改善自启动性能的目的。
附图说明
图1是本发明实施例的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法流程图；
图2是本发明实施例中的叶片受力分析图；
图3是本发明实施例中的NACA0015翼型的升力、阻力系数曲线图；
图4-1是本发明实施例中的双致动盘理论分析模型图的模型主视图；
图4-2是本发明实施例中的双致动盘理论分析模型图的模型俯视图；
图5是本发明实施例中的上风区安装角的实际调节规律图；
图6-1是本发明实施例中的下风区诱导速度的大小变化曲线；
图6-2是本发明实施例中的下风区诱导速度的方向变化曲线；
图7是本发明实施例中的下风区叶片攻角的分析模型；
图8是本发明实施例中的下风区安装角的调节规律图；
图9是本发明实施例中的各方位下的叶片所处实际位置图；
图10是本发明实施例中的H型垂直轴风力发电机的攻角实时调节装置结构图；
图11是本发明实施例中的导电滑环位置图；
图12是本发明实施例中的调距部分结构示意图；
图13是本发明实施例中的双曲柄四连杆机构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的一种H型垂直轴风力发电机的变攻角方法及其攻角实时调节装置作具体阐述。
从图2，即叶片受力分析图可知，计算叶片在各个方位下的攻角，必须先算得上风区和下风区各个方位的诱导速度，以及其诱导因子。
本发明实施例中的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，步骤如下：
S1，确定上风区、下风区理论最佳攻角，具体确定方法如下：
根据CT＝CL sinα-CD cosα，利用美国Sandia实验室测得的动态失速下翼型的升阻力系数值，绘制NACA0015翼型的升力、阻力系数曲线图，如图3所示，分析该曲线图，以得到最大切向力系数为目标，确定上风区、下风区理论最佳攻角，
其中，CL表示翼型升力系数，
CD表示翼型阻力系数，
CT表示翼型切向力系数，
α表示叶片攻角。
本实施例中，CL和CD的值可由NACA系列翼型空气动力学特性数据库查得。由图3分析可得到，在上风区、下风区理论最佳攻角分别为10.7°和-10.7°。
S2，获得上风区、下风区诱导速度和诱导因子的运算关系，具体步骤如下：
S2-1，建立双致动盘多流管理论分析模型，如图4所示，图4-1为模型主视图，图4-2为模型俯视图。
S2-2，建立上风区诱导速度、下风区诱导速度、以及诱导因子之间的运算关系：
V＝uV∞，
Ve＝(2u-1)V∞，
V'＝u'Ve＝u'(2u-1)V∞，
W2＝V2[(Rω/V-sinθ)2+cos2θ]，
其中，V表示上风区诱导速度，
V'表示下风区诱导速度，
V∞表示无穷远来流风速，
u表示上风区诱导因子，
u'表示下风区诱导因子，
W表示合成风速，
θ表示叶片方位角，
R表示风轮半径，
ω表示风轮角速度。
S3，确定上风区叶片安装角的调节规律，具体确定方法如下：
对于垂直轴风轮的上风区，无穷远来流风直接作用到叶片上，气流相对平稳，诱导速度方向与来流风方向一致，但诱导速度的大小是变化的，
fupu＝1-u，
令叶片攻角α为上风区理论最佳攻角，上风区理论最佳攻角为10.7°，上风区诱导因子迭代初值为1，对上风区诱导因子进行迭代计算，得到上风区叶片安装角的调节规律，如图5所示。
其中，βup表示上风区安装角，
fup表示上风速度诱导因子迭代函数，
α表示叶片攻角，
N表示风轮叶片数，
c表示叶片弦长，
S4，确定下风区叶片安装角的调节规律，具体确定方法如下：
在下风区，无穷远来流风经过上风区叶片后，到达下风区，出现扰流现象，此时下风区各个方位诱导速度的大小发生了改变，且方向也与来流风方向不同。
S4-1，采用数值模拟方法，制作下风区叶片在各个方位处诱导速度的大小变化曲线和方向变化曲线，如图6所示；
S4-2，从图9可以看出，无穷远来流风进入下风区后，风速的大小和方向均发生了较大变化，故建立风轮下风区叶片攻角的计算模型，如图7所示；
S4-3，定义风轮下风区的局部叶尖速比X'
S4-4，建立下风区安装角与攻角间的关系
S4-5，令叶片攻角α等于下风区理论最佳攻角，下风区理论最佳攻角为-10.7°，得到下风区叶片安装角调节规律，如图8所示，
其中，V'表示下风区诱导速度，
α表示叶片攻角，
θ表示叶片方位角，
R表示风轮半径，
ω表示风轮角速度，
X'表示下风区局部叶尖速比，
βdw表示下风区安装角，
γ表示偏角，即下风区诱导速度与水平方向的夹角，
S5，根据上风区和下风区叶片安装角的调节规律，实时调节H型垂直轴风力发电机的安装角。
本实施例中，调节H型垂直轴风力发电机的实际安装角时，由于叶片在0°和180°方位时，叶片升力方向通过转轴中心，不能产生推动风轮的转矩，因此，将叶片攻角调节为0°，使得此时的阻转矩最小，此时安装角为0°。图9展示了一个叶片在0°～360°方位角时所处的实际位置。
在本发明实施例中的运用H型垂直轴风力发电机的变攻角方法的攻角实时调节装置，主要包括叶片1、叶片支撑架2、调节攻角推杆3、支撑杆4、底座5、发电机6、尾舵7、主轴8、电动推杆9、三通接头10、导电滑环11、风速检测仪12、风向检测仪13。
在本发明实施例中的攻角实时调节装置整体上分为三大部分：调距部分、传动部分和控制部分。
本实施例中，发电机6固定在底座5上，主轴8下端与发电机6的轴相连，电动推杆9安装在主轴8的上端。
导电滑环11固定安装在主轴8内，用于解决控制系统置于机构顶部带来的控制线缠绕问题。
主轴8的上端和下端均垂直焊接有三个支撑杆，主轴8同一端相邻两个支撑杆之间的夹角为120°，主轴8上端的支撑杆与下端的支撑杆4的焊接方向一一相同，六个支撑杆的另一端上均通过螺栓固定安装有叶片支撑架，
叶片1固定安装在同一竖直平面的两个叶片支撑架上，
调节攻角推杆3的一端通过螺栓连接在叶片上，调节攻角推杆3的另一端连接在三通接头10上，三通接头10通过螺栓固定在电动推杆9上，尾舵7安装在电动推杆9上。
风速检测仪12、风向检测仪13安装在底座5附近，距离风力发电机1-2m即可，目的在于检测得到实时风速和风向。
本发明的攻角实时调节装置由单片机进行控制，实现H型垂直轴风力发电机攻角的实时调节。
本实施例中，当风驱动风力发电机工作后，叶片绕主轴8转动，尾舵7根据风向做出调整，使电动推杆9的轴向与风向平行，同时风速检测仪12、风向检测仪13将检测到的风的信号转化为数字信号传至单片机，单片机根据设定好的程序调节电动推杆9的伸出长度，进而改变叶片的攻角。电动推杆9的伸出长度作为四连杆机构的机架部分，调节攻角推杆3作用于叶片1，使叶片1能够在旋转过程中，实时变化攻角的大小，使其满足受力下的最优攻角值。
以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡依本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。
Claims (4)
1.一种H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，其特征在于，包括：
S1，确定上风区、下风区理论最佳攻角；
S2，获得上风区、下风区诱导速度和诱导因子的运算关系；
S3，确定上风区叶片安装角的调节规律；
S4，确定下风区叶片安装角的调节规律；
S5，根据上风区和下风区叶片安装角的调节规律，实时调节H型垂直轴风力发电机的安装角；
所述步骤S1中，所述上风区、下风区理论最佳攻角的确定方法如下：
根据CT＝CLsinα-CDcosα，绘制翼型的升力、阻力系数曲线图，分析该曲线图，确定上风区、下风区理论最佳攻角，
其中，CL表示翼型升力系数，
CD表示翼型阻力系数，
CT表示翼型切向力系数，
α表示叶片攻角；
所述步骤S2中，所述上风区、下风区诱导速度和诱导因子的运算关系建立的具体步骤如下：
S2-1，建立双致动盘多流管理论分析模型；
S2-2，建立上风区诱导速度、下风区诱导速度、以及诱导因子之间的运算关系：
V＝uV∞，
Ve＝(2u-1)V∞，
V'＝u'Ve＝u'(2u-1)V∞，
W2＝V2[(Rω/V-sinθ)2+cos2θ]，
其中，V表示上风区诱导速度，
V′表示下风区诱导速度，
V∞表示无穷远来流风速，
Ve表示转轴处的均衡诱导速度，
u表示上风区诱导因子，
u′表示下风区诱导因子，
W表示合成风速，
θ表示叶片方位角，
R表示风轮半径，
ω表示风轮角速度；
所述步骤S3中，所述上风区叶片安装角的调节规律确定方法如下：
fupu＝1-u，
令叶片攻角α为上风区理论最佳攻角，上风区诱导因子迭代初值为1，对上风区诱导因子进行迭代计算，得到上风区叶片安装角的调节规律，
其中，βup表示上风区安装角，
fup表示上风速度诱导因子迭代函数，
CNi表示第i个流管内的法向力系数，
CN表示法向力系数，
α表示叶片攻角，
N表示风轮叶片数，
c表示叶片弦长；步骤S4中，所述下风区叶片安装角的调节规律确定方法如下：
S4-1，采用数值模拟方法，制作下风区叶片在各个方位处诱导速度的大小变化曲线和方向变化曲线，
S4-2，建立风轮下风区叶片攻角的计算模型，
S4-3，定义风轮下风区的局部叶尖速比X'
S4-4，建立下风区安装角与攻角间的关系
S4-5，令叶片攻角等于下风区理论最佳攻角，得到下风区叶片安装角调节规律，
其中，V'表示下风区诱导速度，
α表示叶片攻角，
θ表示叶片方位角，
R表示风轮半径，
ω表示风轮角速度，
X'表示下风区局部叶尖速比，
βdw表示下风区安装角，
γ表示偏角，即下风区诱导速度与水平方向的夹角。
2.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，其特征在于，
所述上风区理论最佳攻角为10.7°。
3.根据权利要求1所述的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法，其特征在于，
所述S4-5中，所述下风区理论最佳攻角为-10.7°。
4.一种运用权利要求1-3中任一权利要求所述的H型垂直轴风力发电机的变攻角方法的攻角实时调节装置，包括叶片、叶片支撑架、调节攻角推杆、支撑杆、底座、发电机、尾舵、主轴、电动推杆、三通接头、导电滑环、风速检测仪、风向检测仪和螺栓，其特征在于：
发电机固定在底座上，主轴下端与发电机的轴相连，电动推杆安装在主轴的上端，导电滑环固定安装在主轴内，
主轴的上端和下端均焊接有三个支撑杆，支撑杆与主轴垂直，主轴同一端相邻两个支撑杆之间的夹角为120°，主轴上端的支撑杆与下端的支撑杆的焊接方向一一相同，六个支撑杆上均通过螺栓固定安装有叶片支撑架，
叶片固定安装在同一竖直平面的两个叶片支撑架上，
调节攻角推杆的一端通过螺栓连接在叶片上，调节攻角推杆的另一端连接在三通接头上，三通接头通过螺栓固定在电动推杆上，尾舵安装在电动推杆上，风速检测仪、风向检测仪设置在底座附近。
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| 垂直轴风力机非对称翼型叶片变攻角方法;张立军;《可再生能源》;20160229;第34卷(第2期);第232-238页、附图1-8 |
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