垂直軸雙葉片風力發電機聯動機構設計

陳全 方繼松 張峰 張在飛

摘 要：垂直軸雙葉組風力機的特點是有主葉片和副葉片，兩葉片之間的靠聯動裝置連接。由于副葉片和主葉片之間形成風力機的葉柵效應，提高了功率特性。本文采用了反平行四邊形機構，通過對聯動裝置的改進，以改變兩葉片間的夾角，進一步改進立軸風力機的自啟動性能，使得啟動轉矩大，啟動速度快。

關鍵詞：風力發電；垂直軸風機；反平行四邊形機構；葉柵效應；功率特性

1 前言

風能、太陽能、潮汐能是大自然賦予人類最清潔、最廉價的可再生能源。世界各國對這種能源都給予高度的重視，大力發展風力發電事業。根據《2012年中國風電發展報告》，中國、歐盟、美國仍然占據了風電發展的區域分布的主導地位，占世界風電累計裝機的85%，累計裝機容量達到62.364GW[1]。

風力發電機是把風的動能轉換為機械能，再把機械能轉換為電能或熱能等的能量轉換裝置，它是風力發電中的主要組成部分，其性能決定了風力發電機組效率的關鍵。

2 風力發電機的分類和特點

風力機有多種的分類方法，根據風力機風輪轉軸與風向的位置不同，可分為水平軸風力機和垂直軸風力機。按照風力機葉片的工作原理，風力機分為升力型和阻力型兩類[2]。

當風力機的葉輪轉軸和風向平行時，稱為水平軸風力機[3]，也是目前國內外研制最多的、最常見的風力機，使用率占整個風力發電機的97%。當風力機的風輪轉軸和風向垂直時，稱為垂直軸風力機。作用在風力機葉片上的風力可分解成與風向平行和垂直兩個分力，平行分力稱為阻力，垂直分力稱為升力。根據分力的方向不同，垂直軸風力機分為兩類：一類是利用空氣動力的阻力做功，稱為阻力型垂直軸風力機；另一類是利用翼形的升力做功，稱為升力型垂直軸風力發電機，最典型的是達里厄（Darrieus）型風力機，其葉片包括了直線翼形（如H型）和曲線翼形（如Φ型）。

相比水平軸發電機，垂直軸發電機可以接受任何方向的來風，因此，不需要對風系統，系統復雜性較低，并提高了風能利用率。并且，其發電機及齒輪箱安裝在底部，結構穩定，方便調試。產生的氣動噪音也小，適合于對噪聲控制要求較高的地方運行。

垂直軸風力機理論是從水平軸風機理論基礎上發展起來的。水平軸風力機是在飛機機翼理論基礎上發展起來的，它有得天獨厚的機遇。但隨著科技發展，技術的不斷改進，立軸風力機在葉片的設計與制造、風能利用率、啟動風速、風輪結構、控制裝置、環保效果等方面優于水平軸風力機。因此，現在正是建立起立軸風力機理論的時代。

3 垂直軸雙葉片風機的聯動機構設計

3.1 反平行四邊形機構基本原理

反平行四邊形機構存在的充要條件是：

⑴曲柄為最短桿；

⑵最短桿長和最長桿的長度之和小于或等于其余兩桿長度之和；

⑶桿長滿足兩對邊相等且不平行（如圖2所示），

當主動曲柄AO1以ω1勻速轉動時，經連桿AE推動從動曲柄EO2以ω3繞O2點作反向非勻速轉動。兩個曲柄的運動相當于和它們固連的一對橢圓凸輪的純滾動[5]。

此機構中，活動構件n=3，低副PL=4，

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×3-2×4-0=1

此機構具有唯一可動性，符合實際要求。

由圖可看出，從動件3受力點E的速度為VE，其方向與EO2垂直，從動件3上的力F的作用線與其速度VE方向之間的夾角α為壓力角。壓力角的余角γ為傳動角。

反平行四邊形機構常用作聯動機構、組合機床的專用夾具、拖車的轉向機構和車門的啟閉機構等。

2.2 反平行四邊形機構的運用

垂直軸雙葉組風力機有主葉片和副葉片，主葉片在外，副葉片在內。兩葉片安裝時與風輪主軸平行，副葉片在旋轉時起導向作用。

為了保證主、副葉片在運動時切向力最大，在安裝時，葉臂的中心軸線OO1是主葉片弦線HB的中垂線，直線OD是副葉片的弦線GF的中垂線。主、副葉片間采用反平行四邊形機構的聯動裝置。

副葉片和葉臂之間設置有一個氣壓缸連接。氣壓缸的內部裝有彈簧，使其緩沖效果好。

風機運行時，主、副葉片圍繞主動旋轉軸O旋轉。風小時，連架桿AE對副葉片的拉力小于氣壓缸的拉力，兩葉片間仍保持最佳的角度。但當風速增大到一定程度，主葉片沿O1順時針旋轉，經連架桿AE帶動副葉片繞O2點作逆時針旋轉，從而減小兩葉片間的夾角，流過的風量減少，使主、副葉片產生的升力減少，風輪轉速變慢，向額定轉速靠近，降低其輸出電壓，實現了聯動機構的調整功能，實現剎車制動的效果。

加了氣缸后，整個機構的運動簡圖如圖4所示。

活動構件n=5，低副PL=7

所以，自由度F=3n-2PL-PN=3×5-2×7-0=1

此機構具有唯一可動性，符合實際要求。

設定主葉片的旋轉角度范圍為0°～10°，根據圖2，可算出，其傳動角大于50°，其傳動效果較好。

3 結束語

綜上所述，通過反平行四邊形機構的設計，對垂直軸雙葉片組的聯動機構進行改進，采用了葉柵效應原理，最小傳動角大于50°，機構傳動性能好，經初步測定，提高了風機的啟動效率。

[參考文獻]

[1]李俊峰，等，主編.ISBN：978-7-5111-1099-2.中國風電發展報告2012年[M].北京：中國環境出版社，2012年9月.

[2]戴庚，徐璋，皇甫凱林，鐘英杰.垂直軸風力機研究進展[J].理論導刊， 2010，38（10）：39-43.

[3]李巖.垂直軸風力機及其發展概況[J].可再生能源，2009，27（1）：121-123.

[4]李慶宜，主編.小型風力機設計[M].北京：機械工業出版社，1986年12月.

[5]魏兵，熊禾根，主編.ISBN：978-7-5609-3964-3.機械原理[M].湖北：華中科技大學出版社，2007年3月.