農(nóng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)

趙輝+閆震

摘 要：常規(guī)大電網(wǎng)不適于農(nóng)業(yè)用電，采用獨(dú)立供電系統(tǒng)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠有效地解決農(nóng)業(yè)用電問(wèn)題。本文研究垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論及風(fēng)能情況，設(shè)計(jì)出合適的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，并利用三維建模軟件solidworks建立葉片的三維實(shí)體模型。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；葉片；優(yōu)化設(shè)計(jì)；三維建模

中圖分類號(hào)： TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）34-192-2

1 概述

對(duì)于我國(guó)農(nóng)村地區(qū)，由于電力負(fù)荷分散密度較低，致使輸送線路電能浪費(fèi)。又因?yàn)楦珊导竟?jié)、農(nóng)忙時(shí)節(jié)用電量大，其他時(shí)間用電量小，這樣很難對(duì)電網(wǎng)資源進(jìn)行有效配置，因此常規(guī)大電網(wǎng)不適于農(nóng)業(yè)用電。小型農(nóng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安裝維護(hù)方便，而且保護(hù)環(huán)境，有利于國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展，因此，采用獨(dú)立供電系統(tǒng)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠有效地解決農(nóng)業(yè)用電問(wèn)題。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為水平軸和垂直軸兩種類型，相對(duì)水平軸風(fēng)力機(jī)，垂直軸風(fēng)力機(jī)安裝、維護(hù)方便，成本也低，更適合于農(nóng)戶使用。其中，風(fēng)力機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最為關(guān)鍵的部分，葉片的翼型和結(jié)構(gòu)形式，直接影響了發(fā)電機(jī)組的性能、功率和使用壽命。本文基于風(fēng)力機(jī)葉片翼型的幾何參數(shù)及空氣動(dòng)力學(xué)特性，進(jìn)行葉片設(shè)計(jì)及三維建模。本文選擇NACA-0018翼型，為普通家庭用戶提供電力，擬用300W永磁直驅(qū)式小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片，實(shí)現(xiàn)220V家用電器的電力供給[1-3]。

2 葉片設(shè)計(jì)的基本概念

翼型是組成風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的基本，發(fā)電機(jī)翼型的氣動(dòng)特性對(duì)風(fēng)力機(jī)的性能起著決定性作用。翼型的主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)主要包括阻力、升力、升阻比、力矩、升阻比、升力系數(shù)、力矩系數(shù)、阻力系數(shù)、壓力中心等[4]。翼型的主要?dú)鈩?dòng)幾何參數(shù)包括翼型的前后緣、弦長(zhǎng)、攻角、最大厚度、升力系數(shù)角等[5-6]，如圖1所示。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，風(fēng)輪輸出功率的最大值為Ne

Ne=0.25SV3 （1）

式中，Ne為風(fēng)輪最大輸出功率，W或kW；S為葉片掃掠面積，m2；V為自由來(lái)流風(fēng)速，m/s。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，掃掠面積又可以表達(dá)為

S=8RH/3 （2）

式中，R、H分別為風(fēng)輪的半徑和高，得到R、H的關(guān)系后，與其他風(fēng)力機(jī)比對(duì)，可初步確定R、H的數(shù)值。風(fēng)輪半徑R的確定：

R=3S/8H（3）

尖速比λ的確定：

λ=2πnR/60v （4）

葉片各處的尖速比：

λi=riλ/R（5）

式中：λi表示距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的尖速比；ri表示葉片至轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同位置的半徑；R表示葉片最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。

葉片弦長(zhǎng)L

L=5R/Kλ2 （6）

式中，L表示葉片弦長(zhǎng)；K表示葉片數(shù)。

葉片距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同位置的半徑的弦長(zhǎng)Li

式中，Li表示葉片距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的弦長(zhǎng)，m；ri表示葉片距轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同半徑的半徑，m。

增速比i的確定：

i=nD/n （8）

式中，nD表示發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；n表示風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速，r/min；

葉片不同半徑處的尖速比λi

D=1.75時(shí)，λ=2.28，即R=0.875m時(shí)，不同半徑Ri時(shí)尖速比：

λi=Riλ/R（9）

葉片不同半徑處的弦長(zhǎng)Li：

li=5Ri/（Kλiλi）（10）

計(jì)算得到風(fēng)輪主要?dú)鈩?dòng)幾何參數(shù)：自然來(lái)流風(fēng)速V，10m/s；葉片翼型高度h，1.2m；最大輸出功率Ne，300W；風(fēng)輪掃略面積S，1.2m2；風(fēng)輪密實(shí)度ρ：0.08；風(fēng)輪最大半徑R： 0.875m；風(fēng)輪高度H：0.52m；風(fēng)輪葉片數(shù)B：4；風(fēng)輪尖速比λ：2.28；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n：250r/min；葉片翼型弦長(zhǎng)L：210mm。

采用NACA0018翼型，風(fēng)輪直徑1.2m，四葉片H型升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)，選用葉尖速比λ=2.28，翼型弦長(zhǎng)C=210mm，獲得風(fēng)能最佳風(fēng)能利用率。支持翼材料應(yīng)用瓦楞狀薄鋼板，材料是普通碳素鋼，葉片材料應(yīng)用蜂窩狀玻璃鋼，主軸采用45號(hào)鋼。

4 三維建模

利用Solidworks進(jìn)行三維實(shí)體建模。通過(guò)建立二維草圖，確定風(fēng)輪的中心轉(zhuǎn)軸，繪制平衡錘和離心錘，得到垂直軸風(fēng)機(jī)葉片的立體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

5 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)有效地解決了農(nóng)業(yè)用電問(wèn)題，葉片為風(fēng)力機(jī)的重要元件。本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)理論及風(fēng)能情況，設(shè)計(jì)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片，為農(nóng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

參 考 文 獻(xiàn)

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[4] 宋芳芳.小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片設(shè)計(jì)及仿真分析[D].浙江大學(xué)，2012.

[5] 詹姆斯·曼韋爾，喬恩？麥高恩.風(fēng)能利用——理論、設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].西安交通大學(xué)出版社，2013.

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