带尾翼的新翼型浓缩型风力发电机

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　　【摘 要】风力发电行业作为我国排名第三位的发电行业，其研究和制作一直都得到国家的大力支持。作为风电中的小型风力发电机也一直拥有不俗的地位，但风力发电还是存在一些弊端，如在风速过小的风况下不能够发电、运行噪音大等，这就造成了风电机组的部署范围受到了一些限制，因此浓缩风能型风力发电机概念成为了行业关注点之一。它是运用浓缩风能理论和技术研制成功的一种新型风力发电机。
　　本次所制作出的浓缩型300W风力发电机通过加装浓缩装置，使风力发电机组在低风速下满足切入风速、发电量大、运转平稳、噪音低、机械与电气系统寿命长，从而使风力发电度电成本降低，风能资源利用率提高。
　　【关键词】浓缩；风能；制作；发电机
　　1 前言
　　一般地，风电领域把额定发电功率在10 KW及其以下的风力发电机称作小型风力发电机。浓缩风能型风力发电机是小型风力发电机中的一种，特点是在传统的小型风力发电机上添置了一套能够将来流风进行集流的风能浓缩装置[1]。
　　我国在浓缩风能型风力发电机的研究时间并不是很长，从上世纪九十年代浓缩风能风力发电机的概念被提出，至今，其研究成果多次出现在中国学术会议网和太阳能学报上，新的概念成果不断地被人们探讨并研究。浓缩型风力发电机能够可以把稀薄的风能经过浓缩装置整流，加速和均匀化后驱动叶片旋转发电，不仅提高风能的能流密度，还改善了风能的不稳定性[2]。
　　2 浓缩型风力发电机所用理论
　　2.1 风能与风能利用系数
　　风能就是空气运动的动能，当风速为V时每秒通过面积为S的空气流的动能为
　　由于是每秒的动能， 也就是功率，称为风功率。风在通过风轮时推动风轮旋转，把它的动能转变为风轮旋转的能量，但经过风轮做功后的风速不会为零，仅仅是减小。因此，风仅把一部分能量转交给风轮，若流过风力机叶片扫掠面积的风功率为 ，风力机获得的功率定为 ，则风能利用系数为
　　2.2 风力发电机浓缩风能装置
　　浓缩风能理论的核心是将桸薄的风浓缩后进行利用，创新之处就是提高风能的能流密度[6]。其次，液体出流时，装置缩颈处低于大气压强，处于真空状态，使流场内存在抽吸现象。
　　式中： ——風力发电机吸收风能，单位W； ——风能利用系数； ——空气密度，单位kg/m3； ——风速，单位m/s。
　　浓缩风能理论就是不消耗其他能源，使自然风加速。根据上式风速 增大n倍，则功率 增大n3倍[8]。
　　3 浓缩型300W风力发电机制作
　　3.1 浓缩风能装置的制作
　　在购买实验器材时需要考虑到实验损耗和误差，所以各项数据取值均需要有富余，其数据选用仅为普通能动测试技术原理，较为简单，限于篇幅，不单独列出。
　　3.1.1 风力发电机的浓缩风能装置的选择
　　浓缩风能装置包括浓缩型风力发电机的叶轮前方设收缩管，中间设中央圆筒，在叶轮后方设扩散管等[8]。浓缩装置中的中央圆筒直径应当大于叶轮扫掠面积的直径，并且保留出足够的空间以确保叶片正常旋转。
　　图 3-1 浓缩风能装置形状及部分尺寸
　　本次的制作在原有的已知浓缩风能装置上通过指导老师的指导加以改进，使其能够更加有效提升风速，从而提高风能利用率。
　　3.1.2 风力发电机的浓缩风能装置制作
　　1 工具准备：
　　为使观看简洁明了，工具的准备均用表格表示。
　　1）浓缩装置框架制作工具准备如下表：
　　浓缩装置框架的制作是为整个装置打造模具，在制作玻璃钢是框架可以对纤维布起到支撑的作用，其主要材料是8号的铁丝﹑12号的铁丝和扎丝。按图 3-1 构造装置的框架。
　　玻璃钢浓缩装置的制作需要注意：树脂胶的气味难闻且有毒，制作过程中需要佩戴口罩，并将所有工具移至室外通风处；纤维布接触皮肤后可能产生过敏反应，所以制作全程需戴橡胶手套；加入催化剂的树脂胶在大量凝聚于玻璃杯或者刷子中时，固化时间极短，那么凝固树脂胶就会成为废品，造成树脂胶、催化剂和刷子的浪费。
　　将加入催化剂的树脂胶，使用刷子均匀的涂抹在放于塑料薄膜的纤维布上。待涂抹完成后，将其平放在浓缩装置的框架内；在纤维布与铁丝的连接处再次涂抹树脂胶，使树脂胶与铁丝凝固在一起，等待这块纤维布上的树脂胶凝固在铁丝上后，转动浓缩装置大约90度。树脂胶加入催化剂并涂抹下一块纤维布，方法同上。玻璃钢浓缩装置第二层的制作，大体过程与第一层的相同。
　　3.2 300W风力发电机的改装制作
　　3.2.1 风力发电机的发电机改装
　　1、风力发电机的发电机
　　本次的制作采用的是三相交流永磁发电机，它是现今小型风力发电机的主流发电机，其具有以下优点：可靠性高、结构简单；体积小巧、重量轻；中、低速发电性能非常好；以及减少蓄电池维护工作，效率高、免去励磁电源、适应多种环境无线电干扰等优点。
　　2 浓缩风能型风力发电机的发电机外壳改装
　　因为我们需要在原有的300W小型风力发电机上增加浓缩风能装置，所以需要对原来的发电机外壳进行部分的改装。主要是在外壳上增加一个浓缩风能装置的支撑架。所用到的工具为实验室金工用具，不单独列出。
　　发电机上浓缩风能装置支架的制作及其安装过程如下：将准备好的钢板用长尺量出500mm，并用碳素笔标清楚位置，用切割机进行切割，将钢板的一段切割出45度的直角三角形，90度角为钢板最前端的尖部，将另一端焊接准备好的边长200mm的弧形钢板，重复以上步骤，总共做出四块。四块钢板的三角形一端粘合在一起放置在发电机底座上，用碳素笔标记出底座上四个螺孔的位置，使用台钻钻孔。将做好的四块钢板安装在发电机底座上，完成发电机的整个安装过程。 　　3.2.2 叶片的材料选择、制作与装配
　　叶片的材料选择及制作
　　传统的小型风力发电机叶片多采用的是木制材料。塔架的材料也使用的多为木材，随着使用时间的流逝渐渐的出现了很对的不足之处，我总结为如下几点：木制品没有足够的强度、木质品安全性能不高、木制品耐腐蚀性能不高、木制的叶片不够精準等。因为木制叶片的不足，所以我们本次不会使用用木材作为叶片的材料。我们将采用学院引进的3D打印机，把Ansys软件中的SD2030叶片数据导入其中，由指导教师请专业人员操作打印。
　　具体装配操作：1）砂纸打磨叶片，将叶片打磨光滑；2）用内六角扳手拆下导流罩，并用开口扳手拧下安装叶片叶根处的12个螺母；3）取出一个打磨好的叶片，注意其正反，将叶根上的孔套在轮毂安装叶片的螺杆上，拧上两个螺母；4）重复操作以上步骤直到将六个叶片都拧上；5）把导流罩安装回原来的位置，完成安装操作。
　　3.2.3 整机组装
　　各部分构件组装连接起来，效果图如下：
　　4 结束语
　　本次的浓缩型300W风力发电机制作，主要是浓缩风能装置的制作，风力发电机的原有所有部件的改造也均是围绕如何将浓缩风能装置完美融入到原有的风力发电机中进行的。本次的制造总的来讲是非常成功的，达到了原来的设计的目的，所制造的风力机能够达到完美的运行，所设计制造的浓缩风能装置也起到了风的加速，使得整个风力机可以在比原先低的风速下发电，增加了风能的利用率。但是，在制作的过程中还是出现了一些不足之处，例如：浓缩风能装置由于是纯手工的制作，在实验器材测量方面都会出现一些误差，达不到设计时候的精度，风能的利用率也达不到设计所增加的要求。
　　浓缩型风力发电机组研制成功将会大大拓展可用风能的下限。其重要价值是采用浓缩风能理论与技术，可使世界可利用的风能提高1倍[5]。因此市场潜力很大，生产应用浓缩风能型风力发电机系列化产品具有较大的经济效益；生产其系列产品批量出口，能为国家创汇；能够解决一批产业工人就业问题，对社会稳定和全面建设小康社会有利。
　　参考文献：
　　[1]辛海升，《浓缩风能型风力发电机噪声机理的试验研究》[D]，内蒙古农业大学，内蒙古农业大学，2003-05-01
　　[2]徐丽娜、田德、王海宽、盖晓玲、王利俊，《浓缩风能型风力发电机性能分析及前景展望》[J]，《农村牧区机械化》，2007（1），43
　　[3]尹佐明，《水平轴风力机叶片气动特性分析及外形设计》[D]，华北电力大学，华北电力大学，2009
　　[4]张承东，《风力机叶片的动力学特性分析及分形特征研究》[D]，天津工业大学，天津工业大学，2007
　　[5]韩巧丽，《大容量浓缩风能型风力发电机模型气动特性的实验研究》[D]，内蒙古农业大学，内蒙古农业大学，2006
　　[6]马广兴、田德、韩巧丽、李明，《浓缩风能型风力发电机流场仿真与实验研究》[J]，《内蒙古农业大学学报（自然科学版）》，2012，9（4），143-147
　　[7]屈圭，《风电机叶片设计参数的整体优化》[J]，《机电产品开发与创新》，2009，22（2），68-71
　　[8]韩巧丽，田德，王海宽，张文瑞，《200W浓缩风能型风力发电机相似模型的流场特性实验》[Z]，2005年中国农业工程学会学术年会，中国广东广州，2005-12-19
　　（作者单位：中国矿业大学银川学院）
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