一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法

本发明涉及垂直轴风力发电机设计领域，具体是一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法。

背景技术：

1、随着国内外风力发电领域的发展，以及中国碳达峰、碳中和的内在要求，小型风力发电机日益走进千家万户的日常生活当中，但家用化过程中不可避免得会遇到风力发电机输出电压不稳定、不可控等问题。为此，需要研制一种单值输出电压的垂直轴风力发电机，使其趋向一个可控的定值。

2、如图1所示，现有的家庭垂直轴风力发电机存在以下不足：

3、(1)已有的垂直轴风力发电机由于旋转半径固定，对风速条件的变化比较敏感，输出电压会出现经常性的变化，对于需要稳定电压的蓄电池与家用小型电器来说并不适配。

4、(2)目前的家庭垂直轴风力发电机所适应的风速范围狭窄，无法满足风力季节性、昼夜性变化大的地区使用。

5、(3)目前的家庭垂直轴风力发电机启动困难，启动风速较高。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，包括以下步骤：

2、1)设计垂直轴风力发电机的旋转角速度；

3、2)设计垂直轴风力发电机叶片材料和叶片参数；

4、3)设计弹簧参数，包括弹簧线径，中径，长度；

5、4)设计游丝储能式微风启动装置；所述游丝储能式微风启动装置为垂直轴风力发电机的启动提供能量。

6、5)基于步骤1)-步骤4)的设计内容，制造垂直轴风力发电机。

7、进一步，设计垂直轴风力发电机的旋转角速度的步骤包括：

8、a1)计算参数ω2和参数之间的函数比例系数，记为ω为风力发电机叶片旋转角速度；m为滑块质量；k为弹簧劲度系数；为考虑摩擦力影响的修正参数；e为初始滑块质量中心距离主轴的距离；δx为弹簧伸长量；r为滑块质量中心距离主轴轴线的距离；

9、a2)基于函数比例系数确定垂直轴风力发电机的旋转角速度范围，记为

10、进一步，计算参数ω2和参数之间的函数比例系数的步骤包括：

11、b1)计算滑块质量中心的旋转圆心距r，即：

12、

13、式中，r为滑块质量中心距离主轴轴线的距离；为修正参数；

14、b2)计算滑块恒速率圆周运动向心力f向，即：

15、

16、式中，m为滑块质量；a向为圆周运动向心加速度；ω为风力发电机叶片旋转角速度；

17、b3)计算弹簧拉伸力f，即：

18、f＝kδx＝k(r-e)  (3)

19、式中，k为弹簧劲度系数；e为初始滑块质量中心距离主轴的距离；δx为弹簧伸长量；

20、b4)联立公式(2)-(3)，计算参数ω2和参数之间的函数比例关系，得到：

21、

22、式中，为比例系数；

23、进一步，垂直轴风力发电机的叶片材料包括玻璃钢、树脂、pvc、pp；叶片参数包括叶片弦长c、叶片个数b、风机实度σ、叶尖速比λ。

24、进一步，风机实度σ与叶尖速比λ分别如下所示：

25、

26、式中，σ为风机实度；r风机为风机半径；b为叶片个数；c为叶片弦长；

27、

28、式中，λ为叶尖速比；r风机为风机半径；ω为风力发电机叶片旋转角速度；v风为来流风速。

29、根据家庭环境的安全使用需求，垂直轴风力发电机的旋转角速度范围宜为2π～3πrad/s；根据家庭室外的实际风速条件，平均风速宜假定为2～3m/s；一般的，为保持风机具有较高的效率，叶尖速比宜大于1；综合而言，风机半径取值在0.3～0.5m较为合理。

30、进一步，所述弹簧的材料包括sus304-wpb、swpb和钛合金等，由于弹性模量不同，相同劲度系数下的弹簧参数应有所区别；所述滑块材料包括铜、不锈钢、铝合金等，因不同材料密度不同，故具有设计质量时的体积各不相同。

31、进一步，弹簧参数满足下式：

32、

33、式中，m为滑块质量，由来流风的湍流强度决定；ω为风力发电机叶片旋转角速度；k为弹簧劲度系数；g表示弹性模量，d表示弹簧的线径，n表示弹簧的有效圈数，d表示弹簧的中径。

34、滑块质量的取值取决于来流风的湍流强度，湍流度越高也就意味着滑块与弹簧系统需要更多的势能来维持风机的恒速率圆周运动，故弹簧劲度系数与滑块质量需要呈正比例增加。一般的城市环境风场下单个滑块质量取0.5kg已经绰绰有余；如在市区cbd这样的地面粗糙度d类地区，滑块质量可取用1kg；如在城市郊区这样的地面粗糙度b类地区，滑块质量可取用0.2kg。

35、进一步，弹簧劲度系数范围为[18n·m,50n·m]。

36、进一步，所述游丝储能式微风启动装置利用游丝储能，在外部传感器感受预设微风后激发下部翘板后，游丝结构在花键的约束下向上运动，带动上下摩擦盘接触进而导致游丝中积蓄的能量通过摩擦盘传递出来。上部结构飞轮连接主轴向主轴传递单向力矩；

37、当主轴持续受风力影响转速达到预设值，下部击锤抬升足够高度即开始击打游丝轮，提供下一次启动所需的能量。

38、进一步，所述垂直轴风力发电机包括主轴、多个叶片、发电机本体；

39、所述主轴的一端与发电机本体连接，另一端固定有多个叶片。主轴下端固定有多组弹簧，弹簧通过尼龙绳、动滑轮和定滑轮与滑块相连，为滑块提供向心力。滑块布置在叶片悬臂上，在风机旋转时除受叶片悬臂的支持力外仅受弹簧拉力，故弹簧拉力提供向心力。

40、本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的有益效果如下：

41、1)可变旋转半径垂直轴风力发电机主要通过弹簧在不同旋转半径下的拉力适应性以输出单值电压。同时通过弹簧蓄积的弹性势能存储余量风能，在风力减弱时释放；

42、2)通过配重法模拟可变旋转半径，即可通过对配重的调整使其弹簧系数改变可以应对多种风力情况不同的环境；

43、3)轻量化叶片设计，开发玻璃纤维环氧树脂叶片体系，削减叶片自重提高支撑臂稳定性；

44、4)通过风机实度与叶尖速比的比例关系，求取合理的叶片参数，达到补获风能的最大效率。本风机的效率在20％以上，最大效率可达31.4％。

45、5)设计微风启动装置，克服h型风力发电机启动困难的缺陷。

技术特征：

1.一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，设计垂直轴风力发电机的旋转角速度的步骤包括：

3.根据权利要求2所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，计算参数ω2和参数之间的函数比例系数的步骤包括：

4.根据权利要求1所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，垂直轴风力发电机的叶片材料包括玻璃钢、树脂、pvc、pp；叶片参数包括叶片弦长c、叶片个数b、风机实度σ、叶尖速比λ。

5.根据权利要求4所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，风机实度σ与叶尖速比λ分别如下所示：

6.根据权利要求1所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，所述弹簧的材料包括sus304-wpb、swpb和钛合金；所述滑块材料包括铜、不锈钢、铝合金。

7.根据权利要求1所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，弹簧参数满足下式：

8.根据权利要求1所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，弹簧劲度系数范围为[18n·m,50n·m]。

9.根据权利要求1所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，所述游丝储能式微风启动装置利用游丝储能，在外部传感器感受预设微风后激发下部翘板后，游丝结构在花键的约束下向上运动，带动上下摩擦盘接触进而导致游丝中积蓄的能量通过摩擦盘传递出来。上部结构飞轮连接主轴向主轴传递单向力矩；

10.根据权利要求1所述的一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，其特征在于，所述垂直轴风力发电机包括主轴(1)、多个叶片(2)、发电机本体；

技术总结
本发明公开一种单值输出电压的垂直轴风力发电机设计方法，包括以下步骤：1)设计垂直轴风力发电机的旋转角速度；2)设计垂直轴风力发电机叶片材料和叶片参数；3)设计弹簧参数，包括弹簧线径，中径，长度；4)设计游丝储能式微风启动装置；所述游丝储能式微风启动装置为垂直轴风力发电机的启动提供能量。5)基于步骤1)‑步骤4)的设计内容，制造垂直轴风力发电机。本发明通过弹簧在不同旋转角速度下的拉力适应性以降低输出电压的变化幅度。

技术研发人员：欧阳瑾,甘媛媛,杨泽青,魏静
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/14