第7屆節(jié)能減排競賽三等獎作品說明書--一種雙螺旋型風(fēng)雨發(fā)電裝置

1、一種雙螺旋型風(fēng)雨發(fā)電裝置設(shè)計(jì)說明書摘要：提出了一種雙螺旋型風(fēng)雨發(fā)電裝置，螺旋型葉片軸與風(fēng)雨方向成一定的角度，螺旋葉片扭轉(zhuǎn)角度不受180°的限制。不僅能利用風(fēng)能，還能利用雨水的能量。可用于風(fēng)雨發(fā)電，也可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室演示其轉(zhuǎn)動原理。首先軟件分析，計(jì)算葉片軸與流體的理論最佳角；然后制作一套實(shí)體模型，在不同來流角條件下做實(shí)驗(yàn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出實(shí)際條件下葉片轉(zhuǎn)動與來流角的關(guān)系；最后，分析誤差原因，給出優(yōu)化建議。關(guān)鍵詞：雙螺旋型；風(fēng)力發(fā)電；雨水發(fā)電1 引言本作品涉及一種新型雙螺旋型風(fēng)雨發(fā)電裝置，可以利用風(fēng)能和雨水能。項(xiàng)目主要工作在于研究新型葉片接收風(fēng)雨時(shí)的轉(zhuǎn)動機(jī)理及與流體的最適夾角，并制作出

2、可調(diào)傾角雙螺旋型發(fā)電裝置。在國內(nèi)屬首次提出，發(fā)電效率較高，很有可能是今后實(shí)驗(yàn)室研究的對象之一，有迅速發(fā)展的趨勢。2 研究背景2.1 風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域目前所利用和研究的風(fēng)力發(fā)電機(jī)型式主要有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩類，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為升力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和阻力型風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩類1。與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，阻力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、對風(fēng)向無要求、啟動力矩大、噪聲小、對生態(tài)影響小等優(yōu)點(diǎn)。升力型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)還具有尖速比高、風(fēng)能利用率高等優(yōu)點(diǎn)。因此，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有更加廣闊的使用空間，尤其適用于家庭用小型發(fā)電。雙螺旋型（也稱為雙“S”型）風(fēng)力機(jī)不但靠阻力旋轉(zhuǎn)，還具有部分升

3、力作用，兼具升力型和阻力型風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)2。因此雙螺旋型風(fēng)力機(jī)是被廣泛研究和利用的風(fēng)力機(jī)。傳統(tǒng)雙螺旋型風(fēng)力機(jī)葉片扭轉(zhuǎn)角度均不超過180°，如圖2-1，否則大于180°的葉片部分將會產(chǎn)生相反的作用。因此，葉片的尺寸受到很大的限制，發(fā)電量也會受限制。圖2-1 傳統(tǒng)雙螺旋型風(fēng)力機(jī)2.2 雨水發(fā)電領(lǐng)域與風(fēng)相似，雨水也是一種清潔的可再生能源，它同樣蘊(yùn)含巨大的能量。雨由于具有比風(fēng)大得多的密度，在下落過程中，具有比較大的動能。由于雨不像風(fēng)一樣幾乎每天都有，雨水發(fā)電一直未被普遍重視。目前所用到的雨水發(fā)電，也主要是收集后利用其勢能，雨水的動能則很少被利用。專利“復(fù)合型風(fēng)力發(fā)電裝置”（申請?zhí)?0

4、1010608324.5）提出一種升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)3，其不足之處是：（1）螺旋葉片接收風(fēng)的有效面積小；（2）螺旋葉片扭轉(zhuǎn)角度最高是180°，整個(gè)裝置的高度受到限制；（3）不能利用雨水能。專利“風(fēng)雨水能發(fā)電裝置”（申請?zhí)?01010275717.9）提出一種可以同時(shí)利用風(fēng)能和雨水能的復(fù)合發(fā)電裝置4，雨水在樓頂容器中匯集，雨水下落時(shí)機(jī)械能帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動。其不足之處是：（1）部分裝置必須安裝在樓頂，而樓頂?shù)娘L(fēng)由于受到樓群的干擾，很不穩(wěn)定；（2）只利用了收集后雨水的勢能，并未利用雨水的動能。3工作原理圖3-1 不同距徑比、不同來流角的雙螺旋葉片三維示意圖上圖中L=PD式中：圖3-2

5、 雙螺旋葉片的螺距與直徑P雙螺旋葉片的螺距D雙螺旋葉片的直徑L距徑比雙螺旋葉片軸與流體的夾角圖3-3 最大投影面積差的來流角與距徑比的關(guān)系對于確定了距徑比L的雙螺旋葉片，假設(shè)流體流動方向?yàn)榇怪北疚臋n向里，隨著螺旋葉片軸與流體流動方向的夾角的不斷變化，螺旋葉片在軸線兩端產(chǎn)生投影面積的差值先增大后減小。隨后，投影面積差值雖然變小，但風(fēng)（雨）在螺旋葉片上的垂直分量增大，而且隨著夾角的減小，每一微小體積的風(fēng)作用在螺旋面上的時(shí)間延長。據(jù)此預(yù)測，使雙螺旋葉片轉(zhuǎn)速最高的最佳來流角小于上述來流角。下落的雨水直接作用在螺旋葉片上，隨后，匯集在螺旋葉片表面上的雨水不會馬上脫離螺旋葉片，而是被引導(dǎo)著流經(jīng)整個(gè)螺旋葉片

6、。雨水隨螺旋葉片旋轉(zhuǎn)下落時(shí)部分重力勢能轉(zhuǎn)化為動能作用在螺旋葉片上，產(chǎn)生對葉片軸的力矩，從而利用雨水的動能和勢能。4 方案設(shè)計(jì)及實(shí)物制作一種新型風(fēng)雨發(fā)電裝置，如圖4-1，采用螺旋型裝置葉片軸傾斜的形式，能夠利用風(fēng)和雨水的能量。裝置主要包括雙螺旋葉片裝置和角度調(diào)節(jié)裝置等。圖中：1.雙螺旋葉片；2.葉片固定板；3.發(fā)電機(jī)套筒；4.軸承套筒；5.直連桿；6.彎曲連桿；7.滑動連桿；8.連桿夾套；9.鉸鏈底座；10.連桿底座；11.絲桿導(dǎo)軌；12.滑塊；13.葉片軸。圖4-1 方案平面示意圖4.1 雙螺旋葉片裝置對于雙螺旋葉片，可以首先基于SolidWorks，確定單螺旋葉片的平面展開圖5確定單螺旋尺寸

7、，根據(jù)計(jì)算結(jié)果下料，制作出單螺旋葉片，再由兩個(gè)單螺旋葉片組合成雙螺旋葉片。圖4-2 一個(gè)導(dǎo)程單螺旋葉片平面展開圖R=bL1L1-L2，r=bL2L1-L2，b=D-d2，=L1R×360°=L1-L2b×360°式中：L1、L2單螺旋平面展開圖外、內(nèi)圓弧長度D、d雙螺旋葉片的外、內(nèi)雙螺旋葉片的徑R、r單螺旋平面展開圖外、內(nèi)圓弧半徑單螺旋平面展開圖切口角度雖然上述單螺旋面的平面展開理論已經(jīng)成熟，但在沒有成型機(jī)器的條件下加工的螺旋面極易出現(xiàn)變形。況且在沒有專業(yè)機(jī)器的條件下，兩個(gè)單螺旋與葉片軸的連接也是很難解決的一個(gè)問題。鑒于上述問題，螺旋葉片采用一次折疊扭轉(zhuǎn)

8、成型的方法，如圖4-3。依據(jù)該方法制作的螺旋葉片如圖4-4，其具有成型好、柔韌型好的優(yōu)點(diǎn)，能很好地固定于葉片軸上，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。 圖4-3 扭轉(zhuǎn)后三維示意圖圖 4-4 葉片裝置制作完成圖依據(jù)該方法，材料寬度等于雙螺旋面的直徑，長度原理上等于單螺旋線的長度。如本作品實(shí)物模型所設(shè)計(jì)的螺旋面直徑D =30，高H=720，螺距P=240，則b=D=30，L=HP(D)2+P2=733.7式中： b螺旋面材料原寬，mm L螺旋面材料原長，mm4.2 角度調(diào)節(jié)裝置角度調(diào)節(jié)包括水平平面及豎直平面上的調(diào)節(jié)。豎直平面的角度調(diào)節(jié)裝置主要是四連桿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)螺旋葉片葉片軸在豎直平面的傾斜角度。使螺旋葉片葉片軸

9、與風(fēng)或雨的方向能在0°,90°區(qū)間內(nèi)變化，可以測出螺旋葉片以不同角度迎風(fēng)（雨）時(shí)的轉(zhuǎn)動參數(shù)。水平面角度調(diào)節(jié)裝置包括轉(zhuǎn)盤和尾翼，尾翼能自動對風(fēng)，使整個(gè)裝置在水平面可以360°旋轉(zhuǎn)，不管風(fēng)的方向如何，一直以最佳角迎風(fēng)。4.3 實(shí)物制作及初步測試在實(shí)物制作過程中，使用了車、銑、鉗、焊、激光切割、3D 打印等制作方法。完成裝配后，螺旋葉片裝置與水平面及豎直平面的夾角均可調(diào)節(jié)，如圖4-6，整個(gè)裝置穩(wěn)固，運(yùn)行平穩(wěn)。圖4-6 裝置制作完成圖實(shí)物模型完成裝配后，進(jìn)行了室外風(fēng)測試、室內(nèi)風(fēng)測試、室內(nèi)模擬雨水測試（由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，雨水發(fā)電只做了測試，暫未做實(shí)驗(yàn)）。以裝置發(fā)出的電點(diǎn)亮

10、的燈泡數(shù)量和亮度為參考，初步觀察實(shí)物模型裝置的發(fā)電效果。風(fēng)速8m/s時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)速度約120 r/min。 圖4-7 室內(nèi)風(fēng)測試 圖4-8 室內(nèi)模擬雨水測試5 最佳來流角的確定首先基于ansys對數(shù)字模型模擬分析，給定不同來流角，直接計(jì)算出各來流角條件下雙螺旋葉片的轉(zhuǎn)矩。然后使用制作出的實(shí)體模型，在與軟件模擬相同來流角條件下測試各組數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果。5.1 模擬計(jì)算最佳來流角主要與距徑比L有關(guān)，還應(yīng)該考慮螺旋葉片的制造方法、橫截面的具體參數(shù)、表面粗糙度等因素。該數(shù)字模型與實(shí)物模型尺寸相同，即高度H=720，螺距P=240，直徑D=300。但數(shù)字模型是理想模型，即表面光滑，受力時(shí)不產(chǎn)生變形

11、。計(jì)算過程如圖5-2。軟件模擬直接計(jì)算出各來流角條件下雙螺旋葉片的轉(zhuǎn)矩T1，功率P1是由公式 P1=nT19.55計(jì)算得出的。式中：P1理論功率，WT1軟件模擬條件下的理論轉(zhuǎn)矩，Nmn葉片轉(zhuǎn)速，r/min其中n取實(shí)物測試過程中最大值的平均值，約120 r/min。圖5-1 風(fēng)輪流場計(jì)算域的生成圖5-2 靜壓正壓區(qū)及其速度矢量表5-1 軟件模擬計(jì)算結(jié)果來流角/°051015202530354045轉(zhuǎn)矩T/Nm1.6641.6881.7841.8561.8721.7921.7281.6321.5441.456功率P/W20.90921.21022.41723.32123.52322.51

12、721.71320.50719.40118.295來流角/°505560657075808590轉(zhuǎn)矩T/Nm1.3121.1361.0560.9520.7360.5920.4480.2880功率P/W16.48614.27413.26911.9629.2487.4395.6293.6190根據(jù)表1模擬計(jì)算結(jié)果，繪制軟件計(jì)算條件下轉(zhuǎn)矩與來流角的關(guān)系曲線，如圖5-3，功率隨來流角的增大，先增大后減小到0，最大值出現(xiàn)在來流角20°左右，最大轉(zhuǎn)矩1.872Nm，最大功率23.523W。圖5-3 軟件計(jì)算條件下轉(zhuǎn)矩與來流角的關(guān)系5.2 風(fēng)力實(shí)驗(yàn)由于沒有風(fēng)洞試驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)是在走廊處進(jìn)行的

13、，風(fēng)源是工業(yè)風(fēng)扇。排除行人干擾及外部自然風(fēng)的干擾后，來流角每隔5°測1組數(shù)據(jù)，每組測4次，除去與其他3組有較大偏差的1組數(shù)據(jù)，再對另外3組數(shù)據(jù)求平均值。圖5-4 實(shí)驗(yàn)過程表5-2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果來流角/°051015202530354045轉(zhuǎn)矩/Nm0.590.590.6180.650.630.590.580.510.510.48功率P7.367.477.778.137.947.47.36.436.466.09來流角/°505560657075808590轉(zhuǎn)矩/Nm0.470.380.3360.280.250.20.170.100.04功率P5.854.754.223.

14、463.082.472.181.250.47根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制功率與來流角曲線關(guān)系圖，如圖8，曲線走向與軟件模擬計(jì)算結(jié)果大致相同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最大值在15°左右，最大轉(zhuǎn)矩為0.65Nm，最大功率為8.13W。n取實(shí)物測試過程中最大值的平均值，約120 r/min。圖5-5 實(shí)驗(yàn)條件下功率與來流角的關(guān)系5.3 誤差分析及理論方案優(yōu)化5.3.1 誤差分析最佳來流角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與軟件計(jì)算結(jié)果基本一致，在此，以軟件模擬計(jì)算結(jié)果20°為準(zhǔn)。誤差的主要原因有：（1）實(shí)物模型的雙螺旋葉片不是理想的螺旋面，表面不平滑，受力時(shí)微量變形；（2）實(shí)驗(yàn)不是在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室做的，實(shí)驗(yàn)條件不標(biāo)準(zhǔn)。在轉(zhuǎn)動功率方面，實(shí)驗(yàn)值與理論值相差較大，實(shí)驗(yàn)值是理論值的34.56%，即理論值比實(shí)驗(yàn)值大200%左右。主要原因有：（1）實(shí)物模型的雙螺旋葉片不是理想的螺旋面，表面對風(fēng)的流動有比較大的影響；（2）實(shí)物模型各零部件的連接部分摩擦比較大；（3）實(shí)驗(yàn)不是在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室做的，實(shí)驗(yàn)條件不標(biāo)準(zhǔn)。5.3.2 理論方案優(yōu)化由于制作條件的限制，螺旋葉片與標(biāo)準(zhǔn)螺旋面有一定的差別，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果有較大的偏差。若該作品能推廣應(yīng)用，則螺旋葉片應(yīng)該使用澆鑄、機(jī)器成型等制作方法，盡量減少誤差。更可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在機(jī)構(gòu)方面，盡量減少摩擦損失。6 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用前景作品主要創(chuàng)新點(diǎn)：（1）涉