CN113217272A - 一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组 - Google Patents

一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组 Download PDF

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Abstract

本发明属于清洁能源设备技术领域，尤其涉及一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，包括：H型垂直轴升力型风力机(1)以及螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)组合形成的H‑S升阻复合伸缩型垂直轴风电机组，其中S型垂直轴阻力型风力机(2)的风力机叶片固定安装在旋转轴上，H型垂直轴升力型风力机(1)的叶片长度固定，中间设置横向支撑(3)，横向支撑(3)上设置可伸缩调节装置(4)，从而获得面积在60％‑100％可调节的扫风面积，通过有效组合可把升力型和阻力型风力机优点有机地结合起来，实现了小风速便可启动；而在大风速下风力机效率保持较高，风力机启动不受风向的限制，启动风速小，高风速捕捉风能效率高的特点。

Description

一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组
技术领域
本发明属于清洁能源设备技术领域，尤其涉及一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组。
背景技术
把风能转变为电能是风能利用中最基本的一种方式。风力发电机一般有叶轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。风力发电机的工作原理比较简单，叶轮在风力的作用下旋转，它把风的动能转变为叶轮轴的机械能，发电机在叶轮轴的带动下旋转发电。
风力发电采用空气动力学原理，并非风推动叶轮叶片，而是风吹过叶片形成叶片正反面的压力差，这种压力差会产生升力，令叶轮旋转并不断横切风流。该原理类似于飞机上升时的原理，空气通过机翼，产生向上的升力和先前的阻力。如果将一块薄板放在气流中，则在沿气流方向将产生一正面阻力FD和一垂直于气流方向的升力FL，其值分别由下式确定L:
FD＝0.5CDρSV2
FL＝0.5CLρSV2；
式中：CD-阻力系数；C-升力系数；LS-薄板的面积；ρ为空气的密度阻力型叶轮；V-气流速度。
如果把薄片当作叶片，将其装在轮毂上组成叶轮，那么风的作用力旋转中心线就会使叶轮转动。由作用于叶片上的阻力FD而使其转动的叶轮，称为阻力型叶轮；而由升力FL而使其转动的叶轮，称为升力型叶轮。目前为止现代风力机绝大多数采用升力型叶轮。
1、叶轮：叶轮是将风能转化为动能的机构，风力带动风车叶片旋转，再通过齿轮箱将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50-70m/s，具有这样的叶尖速度，3叶片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮仅降低2-3％效率。对于外形很均衡的叶片，叶片少的叶轮转速就要快些，这样就会导致叶尖噪声和服饰等问题。3叶片叶轮上的受力更平衡，轮毂可以简单些。
叶片是用加强玻璃塑料(GRP、碳纤维强化塑料(CFRP)、钢和铝)构成的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5米，选择材料通常关心的是效率而不是重量、硬度和叶片的其他特性。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。世界上大多数大型风力机的叶片是由GRP制成的。
风力机的传动机构一般包括低速轴、高速轴、齿轮箱、联轴节和制动器等。但不是每一种风力机都必须具备所有这些环节。有些风力机的轮毂直接连接到齿轮箱上，不需要低速传动轴。也有一些风力机(特别是小型风力机)涉及呈无齿轮箱的，风机直接连接到发电机。
齿轮箱是传动装置的主要部件。齿轮箱主要功用是将叶轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常叶轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。如将很低的叶轮转速(600千瓦的风机通常为27转/分)变为很高的发电机转速(通常为1500转/分)，使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。根据机组的总体布置要求，有时将与叶轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)与齿轮箱合为一体，也有将大轴与齿轮箱分别布置，其间利用张紧套装置或联轴节连接的结构，为了增加机组的制动能力。
风力发电制动分为两部分，气动制动与机械制动。风的速度很不稳定，在大风的作用下，叶轮会越转越快，系统就可能被吹垮，常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置，配合叶尖制动(定浆距叶轮)或变桨距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。
偏航系统可以使叶轮扫掠面积总是垂直于主风向。中小型风机可用舵轮作为对风装置，其工作原理大致如下：当风向变化时，位于风轮后面两舵轮(其旋转平面与冯仑旋转平面相垂直)旋转，并通过一套齿轮传动系统使风轮偏转，当风轮重新对准风向后，舵轮停止转动，对风过程结束。大中型风力机一般采用电动的偏航系统来调整风轮并使其对准风向。偏航系统一般包括感应风向的风向标，偏航电机，偏航行星齿轮减速器，回转体大齿轮等。其工作原理如下：风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的处理器里，经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令，为了减少偏航时的陀螺力矩，电机转速将通过同轴联接的减速器减速后，将偏航力矩作用在回转体大齿轮上，带动风轮偏航对风，当对风完成后，风向标失去电信号，电机停止工作，偏航过程结束。
控制系统是现代风力发电机的神经中枢，现代风机是无人值守的。就兆瓦级风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。现代风机的存活风速为60-70米/秒，也就是说在如此大的风速下风机也不会被吹坏。风机的控制系统，要在如此恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网，并监视齿轮箱、发电机地运行温度，液压系统地油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。
然而现代风机智能采用单一的升力型风机或者单一的阻力型风机，无法将两者的优点有机结合。因此，需要研发一种复合型风力机组，为风光一体化发电等风能应用场合提供启动风速小，高风速捕捉风能效率高的风力设备，以解决无法在不同风速下均能够发挥风力机特点，风力机效率不能保持较高，并且风力机启动受风向限制的技术问题。
发明内容
本发明提供一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，通过H型垂直轴升力型风力机基础上叠加一个螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机，通过有效组合可把升力型和阻力型风力机优点有机地结合起来，实现了在小风速下有效发挥阻力型风力机特点，小风速便可启动；而在大风速下发挥升力型风力机特点，风力机效率保持较高。而且通过螺旋叶片S型布置，使风力机启动不受风向的限制。因此，这种新型复合式风力机具有启动风速小，高风速捕捉风能效率高的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，包括：
H型垂直轴升力型风力机(1)以及螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)组合形成的H-S升阻复合伸缩型垂直轴风电机组，其中所述S型垂直轴阻力型风力机(2)的风力机叶片固定安装在旋转轴上，所述H型垂直轴升力型风力机(1)的叶片长度固定，中间设置横向支撑(3)。
优选的，所述横向支撑(3)上设置可伸缩调节装置(4)，从而获得面积在60％-100％可调节的扫风面积。
优选的，所述旋转轴底端设置三相永磁风力发电机，所述三相永磁风力发电机输出电压为直流48V。
优选的，还包括风电机组控制系统，所述风电机组控制系统安装在所述旋转轴底部的底座机舱内。
优选的，所述风电机组由一固定安装的可升降支架支撑。
优选的，所述风力机组完全展开状态下最大直径为1400mm，完全收紧状态下最大直径为274mm。
优选的，所述螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)中两个风力机直径相差3倍，直径为0.5m，叶片弯度选择最佳值C＝0.3614，采用空芯轴结构，风力机高度H＝1.2m，两螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)的Cp理论值为0.165，三螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)的Cp理论值为0.12，当偏心率e＝0.1时，风力发电机的风轮在尖速比为的时候达到最大，且功率系数也能够达到最高。
优选的，所述H型垂直轴升力型风力机(1)为3叶片结构，风轮直径为1.5m，高度为2m，叶片为对称翼型，风轮实度为0.168-0.27，叶片弦长为0.135m，叶片弦线与旋转圆周切线相差3-5度，前缘向外扭转。
优选的，所述H型垂直轴升力型风力机(1)额定转速为412.7rmp，额定功率为1143W，所述用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组的发电额定电能输出功率为1007.6W。
优选的，所述用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组与舱体通过桅杆进行固定。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)升阻复合伸缩型风力机具有低风速(3m/s)启动力矩大，中风速(5m/s-10m/s)风能利用率高，高风速(10m/s-25m/s)可收缩扫风面积、基本维持恒功率运行。
(2)通过升力型风力机尖速比控制，可实现最佳Cp值运行，还可以通过适当控制策略实现高风速区失速减载运行模式，提高风机可靠性和安全性。
(3)上述两种升阻复合型结构风力机，升阻两个风力机叶片相对安装位置相差某个角度有最大启动转矩，结构2比结构1有较高的效率。
(4)结构2S型风力机选择典型的2段2叶片结构，每段相差90度安装，以便获得比较平稳启动转矩。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的风机完全展开状态下的H-S升阻复合垂直轴风力机模型结构图；
图2为根据本发明优选实施例的风机完全收紧状态下的H-S升阻复合垂直轴风力机模型结构图；
图3(a)所示为根据本发明优选实施例的风机完全展开状态下螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机的结构示意图；
如图3(b)所示为根据本发明优选实施例的风机完全展开状态下H型垂直轴升力型风力机的结构示意图；
图4(a)所示为根据本发明优选实施例的风机完全收紧状态下螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机的结构示意图；
图4(b)所示为根据本发明优选实施例的风机完全收紧状态下H型垂直轴升力型风力机的结构示意图。
图5为根据本发明优选实施例的S型风力机结构示意图；
图6为根据本发明优选实施例的S型风力机参数示意图。
图7为根据本发明优选实施例的
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和2所示，一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，包括：
H型垂直轴升力型风力机(1)以及螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)组合形成的H-S升阻复合伸缩型垂直轴风电机组，其中所述S型垂直轴阻力型风力机(2)的风力机叶片固定安装在旋转轴上，所述H型垂直轴升力型风力机(1)的叶片长度固定，中间设置横向支撑(3)。
优选的，所述横向支撑(3)上设置可伸缩调节装置(4)，从而获得面积可调节(60％-100％)的扫风面积。
优选的，所述旋转轴底端设置三相永磁风力发电机，所述三相永磁风力发电机输出电压为直流48V。
优选的，还包括风电机组控制系统，所述风电机组控制系统安装在所述旋转轴底部的底座机舱内。
优选的，所述风电机组由一固定安装的可升降支架支撑。
图1所示的风机完全展开状态下最大直径为1400mm，而风机完全收紧状态下最大直径为274mm。
如图3(a)所示为风机完全展开状态下螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机的结构示意图，如图3(b)所示为风机完全展开状态下H型垂直轴升力型风力机的结构示意图。
如图4(a)所示为风机完全收紧状态下螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机的结构示意图，如图4(b)所示为风机完全收紧状态下H型垂直轴升力型风力机的结构示意图。
H与S型风力机相对安装位置和各自几何尺寸匹配关系是该复合型风力机运行效率的关键，很难通过仿真和计算取得最优数据，需要借助样机运行测试及理论分析进行优化。本设计方案伸缩结构及相关零部件是该型风力机可靠运行的关键部位，设计参考依据不足，需对样机进行必要的实验手段验证或完善改进。本方案设计暂不考虑设置制动装置，考虑借助于升力型叶片失速控制和阻力型叶片减速作用抵御高风速风险，需要样机实验、分析数据后再确定。
升阻复合风力机结构及部件参数设计计算：
1、S型风力机几何参数选择与计算
S型风力机参数尺寸及结构示意图如图5所示。
选择升阻两个风力机直径相差3倍(试验确定该值在2-4范围选择)，升力型风力机受空间限制，风力机直径为1.5m，因此S型风力机D＝0.5m。参考理论研究成果，叶片弯度选择最佳值C＝0.3614。本设计方案为空芯轴结构。选择风力机高度H＝1.2m。两叶片S型风力机Cp理论值为0.165，三叶片S型风力机Cp理论值为0.12。尖速比0.9左右可获得最大Cp值。风轮的偏心率e＝s/D，参考研究成果,当偏心率e＝0.1时，风力发电机的风轮在尖速比为的时候达到最大，而且功率系数也能够达到最高。扫风面积S阻＝DH＝0.5*1.2＝0.6m2。风力机功率P阻：P阻＝1/2SρCpV3＝1/2*0.6*1.225*0.165*12*12*12＝104.78W(只计算2叶片)。如表1所示为S型风力机设计参数表。
表1
Figure BDA0003034745430000101
Figure BDA0003034745430000111
2、H型风力机几何参数计算
H型风力机为3叶片，风轮直径按D＝1.5m计算，风轮高度按h＝2m计算，叶片翼型：叶片选择对称翼型，参考翼型NACA0012参数如图6所示：
风轮实度：参考研究成果，风轮实度在0.168-0.27，气动性能较好，选取0.27为计算值,以对应较低的尖速比。叶片弦长：σ＝NC/D，弦长C＝0.27*1.5/3＝0.135m
叶片厚度：参考NACA 0012叶片安装角：参考研究成果，弦线与旋转圆周切线相差3-5度，前缘向外扭转。
3、复合型风力机额定转速、额定功率计算
H型风力机Cp按0.36计算，峰值尖速比按2.7计算，额定风速按12m/s计算。
额定转速：N＝2.7*60s*12m/s/3.14/1.5＝412.7rmp
额定功率：P＝1/2SρCpV3＝1/2*1.5*2*1.225*0.36*12*12*12＝1143W
按设计要求本设计方案发电机额定功率输出为1000W，为升阻两个风力机功率之和。考虑发电机效率及整机器效率0.85*0.95，该复合型风电机组发电额定电能输出功率Pe＝(1143W+104.78W)*0.85*0.95＝1007.6W。
风力机与舱体通过桅杆进行固定，具体固定方式如图7所示。
本实施例中：
(1)升阻复合伸缩型风力机具有低风速(3m/s)启动力矩大，中风速(5m/s-10m/s)风能利用率高，高风速(10m/s-25m/s)可收缩扫风面积、基本维持恒功率运行。
(2)通过升力型风力机尖速比控制，可实现最佳Cp值运行，还可以通过适当控制策略实现高风速区失速减载运行模式，提高风机可靠性和安全性。
(3)上述两种升阻复合型结构风力机，升阻两个风力机叶片相对安装位置相差某个角度有最大启动转矩，结构2比结构1有较高的效率。
(4)结构2S型风力机选择典型的2段2叶片结构，每段相差90度安装，以便获得比较平稳启动转矩。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域人员能很好的理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于包括：
H型垂直轴升力型风力机(1)以及螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)组合形成的H-S升阻复合伸缩型垂直轴风电机组，其中所述S型垂直轴阻力型风力机(2)的风力机叶片固定安装在旋转轴上，所述H型垂直轴升力型风力机(1)的叶片长度固定，中间设置横向支撑(3)。
2.根据权利要求1所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述横向支撑(3)上设置可伸缩调节装置(4)，从而获得面积在60％-100％可调节的扫风面积。
3.根据权利要求1所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述旋转轴底端设置三相永磁风力发电机，所述三相永磁风力发电机输出电压为直流48V。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：还包括风电机组控制系统，所述风电机组控制系统安装在所述旋转轴底部的底座机舱内。
5.根据权利要求1所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述风电机组由一固定安装的可升降支架支撑。
6.根据权利要求1所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述风力机组完全展开状态下最大直径为1400mm，完全收紧状态下最大直径为274mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)中两个风力机直径相差3倍，直径为0.5m，叶片弯度选择最佳值C＝0.3614，采用空芯轴结构，风力机高度H＝1.2m，两螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)的Cp理论值为0.165，三螺旋叶片S型垂直轴阻力型风力机(2)的Cp理论值为0.12，当偏心率e＝0.1时，风力发电机的风轮在尖速比为的时候达到最大，且功率系数也能够达到最高。
8.根据权利要求1所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述H型垂直轴升力型风力机(1)为3叶片结构，风轮直径为1.5m，高度为2m，叶片为对称翼型，风轮实度为0.168-0.27，叶片弦长为0.135m，叶片弦线与旋转圆周切线相差3-5度，前缘向外扭转。
9.根据权利要求8所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述H型垂直轴升力型风力机(1)额定转速为412.7rmp，额定功率为1143W，所述用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组的发电额定电能输出功率为1007.6W。
10.根据权利要求1所述的一种用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组，其特征在于：所述用于风光一体化发电系统的升阻复合型垂直轴风力机组与舱体通过桅杆进行固定。
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