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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流摇摆帆式风力发电系统设计.精品文档.摇摆帆式风力发电创新设计说明书设计者：廖潇，匡思维，周程，任鹏飞，孟凡龙，张强 指导教师：王坤 （华中科技大学能源与动力工程学院，武汉，430074）摘要：设计一种新型摇摆帆式结构的风力发电装置，解决传统风力发电装置的启动风速高的弊端，以提高风力资源利用率。关键词：摇摆式、百叶窗帆式、杠杆放大原理、共振、单片机、传感器作品内容简介传统风力发电装置由于受到其本身结构限制会出现在过低、过高风速时都无法利用的状况，适用范围受限。而本系统作为一种采用全新摇摆帆式结构的风力发电装置，能很好的利用小风和不稳定风发电，并
2、且外形独特，其“百叶窗”叶片式结构 可作为广告牌或结合太阳能板达到风光互补发电。采用灵活的“百叶窗”叶片式结构，一方面可以很好的增大与风的接触面积，利用杠杆放大原理将小风风力进行适当放大，从而能够使得传统风机不能利用的小风能量得以收集、利用，进一步提高了风机的适应性；另一方面通过对百叶窗式叶片迎风角度智能化控制，同时利用弹簧和配重作为储能装置使帆板能在偏倒之后以最小能量损失回程，以达到利用不稳定风持续做功的效果，最大化利用风能。再者，当处于一定工况（风频率与该装置本身固有频率相等）时，该装置能够出现共振现象，增大摆幅（摆幅增大），从而提高了效率和发电量。最后，360度“丁”字型偏心旋转底座使该
3、装置对变化的风向具有自适应性。作品在设计过程中已经做出了初步试验样机，可行性和制作过程中的重要问题已经得到初步解决。作为一种自主创新的新型风力发电系统，很好的符合了“节能减排、绿色能源”的主题。联系人：廖潇联系电话：15827464724E-mail：553667493 1研制背景及意义1.1研制背景鉴于矿石燃料的不断减少，加之矿石燃料的燃烧产生大量污染物，人们纷纷开始研究新型能源作为替代品满足现代化需求，而风能无疑是其中技术较为成熟的新能源之一。风能凭借其清洁无污染，属于可再生能源，因而风机取得日新月异的发展。然而，纵观各种传统风机不难发现，传统风机鉴于启动风速要求较高，因而多应用在边远山区
4、，草原，军事哨所以及沿海等风力条件优越地区，这样一些小风和不稳定的风能资源不能得到收集、利用，因此，我们需要一种新型的适应性更强的风机作为传统风机市场的补充。图（1） 电厂所释放的浓烟（删除）为解决如何将小风收集的问题，我们从小草在轻风中有节奏的摆动得到灵感（如图(2)所示），充分利用杠杆放大原理，采用高而窄的帆式结构，设计了新型摇摆帆式风力发电系统。图（2）1.2研究意义本系统是在原来的基础上对水平轴和垂直轴风力发电做本质上的改变，充分利用最普遍的现象物体在风中的摇摆运动来发电，从而使小风得到利用，拓宽现代风机的适用范围。2系统的组成2.1 成品概况（图片？）2.2系统组成：下图为目前我们已
5、做成形的原理性试验样机的示意图，本模型系统分为6部分，如图(3)所示：图（3）1、传感器部分 2、发电机3、摇摆式帆架 4、“百叶窗”叶片部分 5、步进电机控制部分 6、自适应转向部分系统的工作原理为：（叶片开关时提及单片机控制系统？）当外界风正面吹来时，帆板迎风面产生风压力，由杠杆放大原理在帆板转轴上产生较大扭矩力，从而带动帆板偏移。当帆板运动到最大偏移角度时，叶片开启，由于（此时）受风面积降为0，帆板在配重物重力和弹簧弹力的作用下回程。在回程过程中，利用我们特别设计的平行四边形控制结构可使叶片随时处于水平状态，最大化减小回程的阻力。当帆板返回到原始位置时，叶片关闭，在风力作用下进行下一周期
6、。通过这样的往复摇摆式运动带动转轴转动，通过棘轮（链条）和加速齿轮(齿轮)将大的力矩转化为大的转速带动发电机转动，从而实现小风发电。2.3系统工作流程：图（4）流程图3设计方案（与上面的6个部分统一说明？）3.1发电机模块：首先，鉴于传统电机具有技术成熟，发电效率高等优点，该系统目前采用传统电机作为电能转化部分；其次，考虑到小风带负荷能力较低，该系统采用单行程做功方式；最后，为了解决单向做功问题，（该部分采用棘轮机构配合齿轮加速带动电机做功）。另一方面，该部分也可以采用直线电机，从而省去传统的齿轮箱等中间机构，减小能量多重转换的损失，为进一步提高效率提供了较大的空间；但是鉴于直线电机价格昂贵，
7、本系统暂且选择采用传统电机。3.2摇摆帆式主体模块：以自然界小草摆动为灵感，利用杠杆放大原理将小风风力进行放大，带动电机做功。以F1L1=F2L2为依据，为增大力臂比值，该部分采用高而窄的帆式结构作为风能吸收部分，从而降低风机对启动风速的要求，使得风机适应性更强。3.3传感器模块：该部分主要分为红外线传感器和速度传感器。一方面，通过速度传感器测量帆板速度，当速度为零时，该行程做功结束，通过控制模块控制叶片开启，减小风阻在弹簧和配重作用下帆板回程；另一方面，考虑在大风速下时摆幅过大而导致结构安全问题，采用红外线传感器对帆架偏角进行测定。一旦帆架偏角达到安全阀值，向单片机传达该行程做功结束的信号，
8、叶片开启，帆板回程。3.4控制模块：首先，鉴于对控制的精确度要求，该部分采用电控方式，利用单片机接收来自传感器的信号并通过控制机构实现叶片智能化转换开闭状态；其次，为减小帆板回程时阻力影响，在百叶窗叶片设计中采用平行四边形结构，以使回程时叶片保持水平状态，最大程度减小回程阻力，减小收集能量的自身损失和耗散，从而达到最大限度利用有限风能的目的。（如图(5)所示）图（5）减小回程阻力的设计4理论设计估算 F F 图（6）受力示意图计算依据：假设风是以柱状前进的，并认为其吹入一个底端封闭的管中，当风到达底端后其速度很快减为零，散到管底周围的力忽略不计。现在，我们在管中取一段长为h的风柱，密度为，风速
9、为v,管低面积为s,则在t时间内会有质量为 m= sh= s(vt)的空气冲向管子的底部。若设底面积受到风力为f,由动量定理知 ft = mv - m0即， ft = s(vt) v得风力为， f = sv2考虑到在摆动过程中，风力有效作用面积在变化，所以完整公式可用： f = scosv2考虑到计算过程中，帆板周围有风力损失，同时帆板自身有速度（很小）等因素则：f =0.5scosv2当然通过调整力臂比值，可以使在可利用风速范围内摆角：/6/3；上述即是理想状态下风力与风速之间的关系，其他复杂情况均可以结合微积分思想做推广；之后对该力按照沿x方向作出曲线，对其求取积分，可得出一个单行程的做功
10、量，进而除去中间环节的机械损失以及电机损失，便可得到该套装置的理想单行程理想发电量。部分风力风速图表摘录：图（7） 图（8）这是受风面积为1m2的模型分别在风速为3m/s和17m/s的时候，帆板在其运动方向（x方向）上的推力变化曲线，可以发现，在风速比较小的时刻推力相对很小，必须依靠放大机构对其进行放大才能加以利用该部分能量。对上述曲线进行积分得到一定功量，除去系统自身能量损耗以及电机能量转化损失部分，利用模型实测摆动频率（转换为行程时间），可以求得相对应的理论发电功率。数值模拟部分结果：图（9）帆板前后风压分布图图（10）帆板前后风速分布图从上述分析可发现，数值模拟结果和理论分析误差在10%
11、以内，基本吻合。不同受风面积下理论功率图表摘录： 图（11） 图（12）这是受风面积分别为1m2和5m2时的功率结果图表；由图表分析不难发现，虽然功率的增长受限于系统本身的结构等因素不能随面积增大成比例的增长，但是由于受风面积的增大对成本的要求不高，所以，该系统在效率优化，功率提升方面有较大的发展空间。5经济效益分析5.1 对于我们的模型成本估价为： 图（13）当然，上述仅为现阶段模型成本，如果投入市场批量化，商业化以后，成本会有大幅度下降空间。5.2 经济性分析：通过我们对实验模型测试和理论计算可得：对于一个迎风面积为2m2的试验叶片而言，假定按照平均风速（69m/s）计算：W=Pt=42.
12、516360/1000=244.9 (kwh) 按家庭用电每度0.9元，每年可创造价值：244.90.9=220.5元 而简单模型成本可控制在1000元以内，因此约四年即可收回成本。当然，若考虑到大批量生产所导致的成本降低、广告效益带来的额外收益等因素，本发电装置将可以在更短的时间内回收成本（这已经大大的小于一般风力机的回收年限），并将创造较大的经济价值和社会效益。另一方面，由于可通过以较低的成本来获得增大叶片面积，进而达到增大受风面积和发电功率的目的，显然采用更大功率的本类型发电装置将具有更好的投入产出比。6创新点及应用6.1创新点1.从仿生角度设计的独特摇摆式风机结构，有别于传统的旋转式风
13、机，具有很强的创新性。我们查找了维普文献库，中国专利库，美国专利库，欧洲专利库，均未找到相似发明；2.利用杠杆原理，将风对帆板的作用力放大，再通过齿轮结构，将大作用力转化为大转速，从而实现小风发电，增强风机的适应性； 3.利用共振原理，在摆动频率适当时，帆板可产生共振，增大振幅，提高发电效率与功率； 4.自主设计的百叶窗式帆摆结构新颖，在控制部分采用平行四边形机构和“丁”字形偏心设计，最大可能减少了回程阻力，减少了风能损失以及对风向变化的自适应性。6.2应用首先，由于此风机能适应1m/s到20m/s的风速，有比传统风机更强的适应性。且小风尚为未开发的风能，利用小风能拓宽风能发电的适用地区。其次
14、，叶片可装饰为美观的图案，可作为活动广告牌，有着巨大的商业潜力。最后，此风力发电方式可成为一个新型风机概念，可变化为其他多种形式，并不局限于此次参赛作品的样式，如“门式”结构（图(14)），“球拍”结构（图(15)）等等，可创新性极强。 图（14） 图（15） 图（16） 图（17）参考文献1、直线电机技术手册 叶云岳 卢瑟芬 范承志 方攸同2、能源与动力装置基础 何国庚 中国电力出版社3、中国直线电机应用成果汇编 叶云岳，杨贤诚4、电动车用径向充磁自由活塞式永磁直线发电机研究 李斐斐、薜斌峰、郑萍5、新型永磁体外置式直线振动发电机性能研究 郭亮、卢琴芬、叶云岳6、热能与动力工程测试技术 郑正泉、姚贵喜、马芳梅