摇摆帆式风力发电系统设计

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1、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

2、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

3、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@qq.com1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，草原，军事哨所以及沿

4、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：下图为目前我们已做

5、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

6、行下一周期。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

7、间；但是鉴于直线电机价格昂贵，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F1×L1=F2×L2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