为电力设计并研制三分之一比例的垂直轴风力发电机

摘要：本文通过对风力涡轮机技术测量风速的研究来阐述马来西亚的发电技术。测量超过

三分之一比例的原型垂直轴风力发电机的风速，其主要目的是预测全尺寸H型垂直轴风力涡轮机的性能。风力发电机产生的电力受发电机的两个主要部分的影响：风力发电和皮带传动系统。叶片、阻力区系统和皮带传动系统决定转化成电力的风力能，转化成电力的风受叶片、阻力区系统和皮带传送系统的影响。本文主要研究风力和皮带传送系统的影响。塞格林工业大学热工学系实验室为这个三分之一规模的风力发电机组设计了一套叶片和拖动装置。风力发电机组分别进行5.89米/秒、6.08米/秒和7.02米/秒的风速测试。从实验中计算出风力分别为132.19W，145.40W和223.80W。目前的研究正在探索最大风力。

关键词：皮带传送系统；雷诺数；风力；风力发电机组

引言：风能是一种动能，与大气运动密切相关。它已被用于航行船、磨粮食、灌溉数百年，

风力发电系统将动能转化为更加有用其他形式的能量，自古以来风力发电系统就被应用在灌溉、磨坊中；自20世纪初，它就开始被用来发电，许多国家尤其在农村地区都安装了水抽水风车。

风轮机是一台把风的动能转换成旋转机械能的机器，然后被用来工作，在更先进的机型里旋转机械能通过发电机被转换成电能，这是能量最通用的形式（菲茨沃特等，1996）。几千年来，人们利用风车抽水或磨粮食，即使进入二十世纪，身材高大、苗条、多叶片完全由金属制成的风力发电机也已经进入美国家庭和牧场将水抽到房子的管道系统或牲畜的饮水槽，第一次世界大战后，主要的工作是开始发展可以产生电力的风力涡轮机，马塞勒斯雅各布在1927年发明了一种可以为收音机和一些灯提供能量的原型，但仅仅如此。当电力需求增加后，Jacobs的小型的有不足的风力发电机开始不用。第一个大型风力涡轮机由帕尔默考斯莱特普特南在1934年美国建立起构思的，完成于1941年。这台机器非常巨大，该身有36.6码（33.5米）高，它的两个不锈钢叶片直径有58码（53米）。Putnam的风力涡轮机可以产生一千二百五十〇千瓦电力，足以满足一个小城镇的需要（莫内特等，1994）。然而由于机械故障在1945年就被遗弃了。随着20世纪70年代石油禁运，美国又开始考虑从风力涡轮机生产廉价电力的可行性。1975年，Mod-O原型开始运作，这是一个有两个21码（19米）叶片的100千瓦涡轮。更多的原型机（Mod-OA, Mod-1, Mod-2）每个都比前一次更大更有能量。

目前，美国能源部的目标是每台机器超越3200千瓦。风力涡轮机以许多不同的模式存在着，其中最引人注目的是垂直轴达里厄风力发电机，其形状极像打蛋器（菲茨沃特等，1996）。该模型由制造商鼎力支持，是一个拥有约100万千瓦能和三个长度不超过33码（30米）叶片的水平轴涡轮机。三叶片风力涡轮机旋转更加顺畅，比两片叶片更容易平衡。另外，更大的风力发电机产生更多的能量，较小的型号是不太可能发生重大机械故障，从而更经济地维护。风力发电场如雨后春笋般遍布了美国，其中最引人注目的是加利福尼亚州。风力发电场是一个在顺风风力涡轮机生产领域的巨大阵列。风力涡轮机的大量互联是必要的，以便产生足够的电力以满足庞大人口的需求。目前，由几个风能源公司拥有在风力发电场的17000台风力涡轮机每年每小时能产生的电力三十七点零亿千瓦，足以满足50万家庭的能源需求。风力涡轮机由三个基本部分组成：塔，机舱，转子叶片。塔是由一个类似电塔的钢格塔和一个钢管塔里面有梯子可以通到发动机舱两部分组成，构建风力涡轮机的第一步是架设塔。虽然塔的钢件在工厂制造，但是它们通常是在现场组装。在安装之前先把零件用螺栓

连在一起，然后塔必须与地面保持水平，起重机将塔吊到他指定的位子上，所有螺栓拧紧并稳定，然后再完整的测试，接下来，安装玻璃钢机舱。其在工厂里的内部工作是把主传动轴，齿轮箱和刀片俯仰和偏航控制装配到底座上（哈蒙斯，2004年），然后机舱闩上围绕设备，在现场，机舱是被吊过来与塔一起闩到位，此外，一个在转子表面的风力涡轮机的空气动力学在空气动力学领域内是非常重要的，转子轴带了一个风向标通过在垂直方向安装一个控制轴去定位叶片来改变风向。采用转子叶片间距调节其轴转身使叶片和转子的气动特性得到控制。风能使旋翼飞机跟随变换的风向而导致旋翼飞机偏航，集线器是转子刚性螺栓连接和转子转速相联系是相对固定的电网频率，未来只能得到更好的风力涡轮机。用于风能的潜力大部分尚未开发，美国每年由风产生的潜在电力总量约为10777亿千瓦时（基思，2005）。这些新的风力发电场示范着风能如何可以帮助满足国家日益增长的既经济实惠又可靠的电力需求。随着政府继续鼓励从而加快了其发展，这种可再生能源的竞争日趋激烈的来源将在2020年提供至少百分之六的国家电力。现在正进行研究，以增加对风力资源的知识。这包括在更多的地方测试其建立风力发电厂的可能性，那里的风强大有力且能被利用.计划实际上是把机器的寿命从5年提高到20年甚至30年，改善叶片的频率，提供更好的控制，发展传动系统使寿命更长从而允许更好的保护和接地。美国能源部最近建立一个计划去开发最新研究,为了打造出比现在一个理想的风力涡轮机效率百分之59.3还要高的风力发电机（Milligan和Artig,1999)，也就是说，59.3风的能源百分之可以被捕获。在实际使用中涡轮机效率约百分之三十，美国能源部还签约三家公司进行调查以减少机械故障，该项目始于1992年春，将延伸到本世纪末。风力发电机将在未来几年内会变得越加普遍，在世纪之初我们应该看到被妥善安置且高效耐用以及众多的涡轮机。据风力涡轮机的背景调查，H型垂直轴风力发电机在雪兰莪工业大学的热工实验室被设计出来，他们以具备自主研发的能力。此外，这台机器已经被设计允许各种各样的修改，比如叶片的轮廓，而且还进行了多次的测试。这个设计的第一部分包括了研究，集思广益，工程分析，涡轮机的设计选择和样机试验。使用通过适当的调查结果获得的数据，最终完整的涡轮机就被设计建造出来了。风力发电机以轴为标准可以被分为两类，水平轴风力机（HAWT）和垂直轴风力发电机（VAWT）。水平轴风力机在近地面很难被操作，动荡的风流会导致叶片的偏航，则叶片轴承得做得更加的光滑来避免更多层次的风流，水平轴风力机也很难去安装，这需要非常高且昂贵的起重机和熟练的操作技巧，顺风变种会遭遇疲劳，由湍流会引起结构失效，它的高度为低空飞行的飞机造成了安全隐患。除此之外，水平轴风力涡轮机的空气动力学是相当复杂的，在叶片上的气流跟远离涡轮机的气流是不一样的。这种十分自然的从空气中提取能量的方式通过涡轮机使风向改变。另外，在旋转体表面，应用于风力发电机的空气动力学包括了几乎在其他应用领域看不到的效用。学者们提出了许多不同构造类型的垂直轴风力发电机。达里厄的垂直型风力发电机是最常见的，我们广泛使用它来产生电能。然而，达里厄的发电机也像劣质的能源市场一样遭受构造性问题。为了提高风力发电机的效用，本文致力于设计并建立三分之一比例的H型垂直轴风力发电机，能够根据风的流动而自我启动。垂直轴风力发电机的高效性能将改变人们对风能被利用的标准的思考，而且能激励未来垂直轴风力发电机的设计和研究。提高风力发电机性能的研究包括对拖动装置的研究。

风机设计理论分析在这个研究里，皮带驱动系统由皮带的传动计算和被考虑在内的

V带这几部分组成，因此主要的计算是在这个系统里小型和大型皮带轮包角、皮带的长度、滑轮的速度、张力比和皮带的传动功率。V带结构如图一所示，阐明了V带的主要部分，例如：大轮的直径用3表示，小轮的直径用2表示，大轮的包角用θ3表示，小轮的包角用θ2表示。C表示着大轮和小轮两圆心间的距离。

大皮带轮包角

大型滑轮包角的定义是（约瑟夫等，2004年）

o-1θ3?180?2sinD3-D2 (1) 2C-2

-2

将大轮直径D3=30.48×10m，小轮直径D2=5.08 ×10m和圆心距C=0.3048m

这些数据带入到公式（1）中，可以获得大轮的包角θ3 = 229.25°。 小皮带轮包角

小型滑轮包角的定义是（约瑟夫等，2004年）

o-1θ2?180?2sinD3-D2 (2) 2C在公式（2）中利用上述相同的数据可以得到小轮的包角θ2 = 130.75°。 中心半径长

中心半径长度的定义是（约瑟夫等，2004年）

(D3-D2)2π(3) L?2C?（D3?D2)?24C将大轮直径D3=30.48×10m，小轮直径D2=5.08 ×10m和圆心距C=0.3048m

-2

-2

这些数据带入到公式（3）中，可获得半径长度L =1.221 m。

拉紧侧张力和松弛侧张力的比率

拉紧侧张力和松弛侧张力的比率的定义是（约瑟夫等，2004年）

TT12????3???ln??（4） 2.3??皮带的摩擦系数为0.25，θ3是前面提到的小轮包角的弧度（4 rad），T1是张力T2是

松弛力，将上述提到的数据代入到公式(3)中，可以得到拉紧侧张力和松弛侧张力的比率

T1/T2 = 1.545

拉紧侧皮带张力

拉紧侧皮带张力的定义是（佐尔格，1996年）

T1 = Wg (5)

通过选择涡轮机上部分的总重量W=17kg和采用重力加速度g=9.81 m/s，然后代入公式（5），可以获得拉紧侧皮带张力T1 = 166.77 N

松弛侧张力

使用公式4中T1的数值，可以获得松弛边的张力T2 = 107.94 N。 滑轮速度

滑轮的速度的定义是（约瑟夫等，2004年）

2

V??D3N60 (6)

皮带传送的能量

皮带传送的能量的定义是（约瑟夫等，2004年）

PB = (T1 – T2 )V (7)

将拉紧侧张力T1=166.77N、松弛侧张力T2=107.94N和滑轮速度V=2.84m/s带入到公式7中，可以获得皮带传送的能量PB = 167.08 W。

原型设计

1/3比例的垂直轴风力发电机的组件是在雪兰莪工业大学的结构实验室，通过CATIA软件设计出来的。将这些组件组装在一起能预示实际比例的垂直轴风力发电机的实际效用。风力发电机由三个连接发动机转子的锥形叶片组成，并且在开放性的大厅做

过测试。两端的尖顶处为风力发电机叶片的机翼，随着它在气流中的运作而产生可控制的空气动力，如图2所示。接下来会描述另一个已经被设计出来建造风力发电机的重要组件。

基面和基表

这个基础材料选择为钢是因为它的高度是6096mm，它的重量为15kg，这个基础本身不支持风力发电机产生的瞬间扭矩，所以设定了基地扩展和连接支架，为了连接4个钢支架，以38.10 mm × 76.2 mm的钢铁做成的底托盘为基础钢件，该38.10 mm × 38.10 mm

结构的钢板提供快速装配和拆卸涡轮机基础结构的能力。