一种新型林用风力发电机的初步探索

一种新型林用风力发电机的初步探索
王超，司慧，赵久长，程
琦，屠青怡
（北京林业大学工学院，北京100083）
摘要：介绍了一种新型蒲公英式林用风力发电机。

在风力较大时，该机叶片以螺旋线的轨迹运动，直至停留在最高位置，以旋转运动带动发电机运转发电；当风力较小时，叶片重心自调节式旋转下落，以最大限度地利用风能。

关键词：风力发电机；林用；资源利用中图分类号：TM 614
文献标识码：A
文章编号：2095-2953（2012）07-0030-03
Preliminary Exploration of a New Wind Driven Generator
WANG Chao,
SI Hui,
ZHAO Jiu-chang,
CHENG Qi,
TU Qing-yi
（College of Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,Chinaa ）
Abstract ：A new wind driven generator dandelion type for forest use is introduced.When the wind is strong,the blade of the generator moves on a spiral track until it reaches the highest position and remains there,with its rotary movement to cause the generator to run,thereby generating electricity;when the wind is weak,the blade descends by self-regulating its gravity center in a rotary manner,which can utilize wind energy to the maximum.Key words ：wind driven generator;forest use;resource utilization
1新型风力发电机的初步探索
作为节能环保的新能源，风电产业近年来发展势
头迅猛。

风能蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109MW ，其中可利用的风能约为2×107MW 。

随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。

2010年底，全球风电总装机容量达199520MW ，发电量超过4099亿kW ·h ，占世界电力总发电量的1.92%。

我国风能储量大、分布广，开发利用潜力较大。

2007年以来，我国风电产业规模延续暴发式增长态势，尤其是在“十一五”期间并网风电更是得到迅速发展。

2010年我国风电新增装机容量达到18928MW ，占全球新增装机容量的48%，超过美国，成为世界第一大风电市场。

我国风力发电行业发展前景广阔，预计未来很长一段时间内都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着相关技术的逐渐成熟而稳步提升。

“十二五”期间，我国风电产业仍将保持每年10000MW 以上的新增装机速度，风电场建设、并网发电、风电设备制造等领域将成为投资热点，其市场前景一片光明。

风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。

广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。

风力发电机利用的是自然能源。

风力发电原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升来促使发电机发电。

依据目前的风车技术，大约3m/s 的微风速度（微风程度）便可以发电。

在远离大电网的林场和农牧地区，电能的提供与运输成为一大难题。

同时，传统发电机所造成的污染与噪声等问题也影响着该地区农林产业的生产效率与人们的生活质量。

1.1
发电机结构
新型蒲公英式风力发电机的设计灵感源于蒲公英种子在风中飞舞的形态和其旋转下落的形式。

在模仿和改进蒲公英种子旋转下落形式的同时，对风机的形态和运动形式进行了创新，提出了新型蒲公英式风力发电机的构想。

蒲公英式风力发电机可应用的场所比较广泛，但
收稿日期：2012－03－20
第40卷第7期林业机械与木工设备
Vo140No.72012年7月
FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENT
Jul.
2012
使用环境主要为林场。

该机在结构上采用以两根叶片为主、叶片尾翼为辅的形式，外形为流线型，整体感觉比较流畅。

新型蒲公英式风力发电机在充分利用风能和太阳能以及遵循绿色环保理念的同时，还给所在环境增添了一分亮丽的景色。

如图1所示。

1.2发电机工作原理
新型风力发电机的发电流程与传统型风力发电机
基本相同，当刚性帆捕捉到风力后，带动叶片旋转，进而带动发电机发电。

在风力较大的情况下，叶片以螺旋线的轨迹运动，并不断向高处上升，直至停留在最高位置并运转发电；当风力相对较小时，叶片重心自动调节旋转下落并同时发电。

叶片的旋转方式与蒲公英种子的旋转下落方式相似，可以更好、较大限度地利用风力。

另外，附加的太阳能电池板可以有效利用太阳能。

2
新型蒲公英式风力发电机设计
传统的立式风力发电机自身质量及叶片质量均很大，风在带动叶片转动的同时会有大量的机械能损耗，造成浪费。

蒲公英式风力发电机使用新材料制造，相对来说可以更好地利用风能。

该机的叶片及叶片尾翼所用材料为纳米碳纤维复合材料（CFRP ），该材料是一种力学性能优异的新材料，其比重不到钢的1/4，抗拉强度在3500MPa 以上，是钢的7~9倍；抗拉弹性模量为23000~43000MPa 亦高于钢。

因此CFRP 的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000MPa/g ·
cm -3以上，而Q235（A3）钢的比强度仅为59MPa/g ·cm -3左右，CFRP 的比模量也比钢高。

该材料机械强度高、热稳定性强、密度小、质量轻，具有稳定的表面化学性质。

（1）叶片和叶片尾翼通过焊接连接。

在蒲公英式风力发电机的叶片上粘贴有碳纤维布，另外，在叶片尾翼两侧焊有增加强度的肋条和肋板等零件，使其强度得到保证。

（2）太阳能罩和太阳能板可以大量吸收太阳能并将其转化为电能，满足风机在特殊情况下的需要。

（3）固定基座上配备LED 光圈指示灯，该部分有效地利用了上述太阳能转化部分所得的电能，可以作为
信号灯（或警示灯）及夜间照明使用。

（4）升降装置下方也配有LED 灯，作为信号灯使用。

（5）LED 灯具均由太阳能供电。

信号灯外观图如图2、图3所示。

3蒲公英式风机特性3.1
降噪功能全面，更加环保
目前，大多数正在应用的风机在运转中产生的噪声成为影响工人健康和干扰环境的祸源。

多数林场使用的传统发电机对自然环境也会造成一定的污染。

为此，新型蒲公英式风力发电机内置消音器，同时还采用了具有较大吸声材料饰面的狭矩形通道以增强吸收效果。

另外，传统风机的噪声源在最大噪声级时，其频谱值往往不止一种，对不同频谱带的消声量要求也不同。

为此，新型蒲公英式风力发电机通风管道消音器及鼓（引）风机消音器均为阻抗声流型，采用了对高、中频噪声起吸音消声作用的阻式结构及对中、低频噪声起消声降音作用的抗式结构，同时在阻式通道中采用了高频及低频两种吸音消声区，以最大限度地增宽消声频带，实现良好的消声降噪效果。

新型蒲公英式风力发电机的风口、风道和封闭式机房进风口的空气动力性噪声大大降低，可减少噪声污染。

3.2
变频调速，有效节能
目前，我国各行业的机械及电气设备中与风机配套的电机约占全国电机总装机量的60%，耗用电能约占全国发电总量的三分之一。

尤其值得注意的是，大多数风机在使用过程中都存在大马拉小车的现象，而且因生产、工艺参数等发生变化，需要经常调节气体的流量、压力、温度等。

同时，许多传统风机仍然采用落后的调节挡风板或阀门开启度的方式来调节气体的流量、压力、温度等，这实际上是人为增加了阻力，
是以浪费
图1
蒲公英式风力发电机外形
图2
底部LED
信号灯
图3
太阳能电池板及顶部LED 信号灯
王超，等：一种新型林用风力发电机的初步探索
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第7期
电能和金钱为代价来满足工艺和工况对气体流量调节的要求。

这种落后的调节方式，不仅浪费了宝贵的能源，而且调节精度差，很难满足现代化工业生产及服务等方面的要求。

新型蒲公英式风力发电机应用了变频调速技术。

该技术与传统调速方式相比，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式，而且结构简单，调速范围宽、调速精度高，安装调试方便，保护功能完善，运行平稳可靠，节能效果显著。

采用变频器对风机进行控制属于减少空气动力的节电方法，它与一般常用的调节风门控制风量的方法相比具有明显的节电效果。

3.3应用仿生学原理，体现创新理念
当戈壁风从蒲公英式风力发电机旁吹过时，刚性帆捕捉到风力后带动翼翅旋转，并使翼翅沿中轴螺旋上升，进而带动发电机发电；翼翅下落时根据蒲公英种子旋转下落的原理实现重心自调节旋转下落方式，最大限度地利用了风能。

在农林资源有待人们开发的地区，蒲公英风力发电机的卧式结构可以有效地防止鸟类撞击等事件的发生。

另外，传统风机普遍存在拆卸、运输困难等问题，而卧式结构风机的主控箱距地面距离较小，既方便维护和检修，又有利于拆卸和运输。

3.4叶片材料选择更加合理
传统风机使用的材料多为铝合金，随着科学技术的发展，目前部分风机已经使用了玻璃纤维复合材料，但这些材料仍存在一些问题。

为此，新型蒲公英式风力发电机使用了纳米碳纤维复合材料，这种材料是继单组分材料、复合材料和功能梯度材料之后的第四代材料。

纳米碳纤维复合材料力学及机械性能优良，韧性好，热稳定性好。

聚合物基有机-无机纳米复合材料中无机物含量可以控制，质量轻，能开发出高性能的复合纤维，便于加工，适于用作耐磨及结构材料；另外由于它的形态结构特殊及力学性能优异，还可以用来制作一些隔热部件。

4小结
本文仅对新型蒲公英式农林用风力发电机的工作原理和外形进行了初步研究，还有一些关键问题需要解决。

例如，风帆工作部分强度的计算，特别是高速转动时疲劳强度的计算；一些零部件的摩擦和磨损问题等，这些问题均需进一步深入研究。

但新型蒲公英式风力发电机的设计理念对传统的风力发电机提出了挑战，是一种创新。

从实用性、经济性等方面来看，与传统风力发电机相比新型蒲公英式农林用风力发电机具有一定优势，但在加工等方面还存在一些问题有待解决。

此外，由于该发电机是垂直轴式设计，与传统的立式风机相比虽然具有优势，但也存在不足，例如卧式设计叶片距地面较低，会受到地域、环境条件的限制。

随着研究的不断深入，相信这些问题可以得到解决。

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北京：世界图书出版公司，1996：16-56.
主要作者简介：王超（1991-），男，大学本科三年级学生，研究方向为机械设计与理论，曾两次获得国家奖学金，第一作者发表学术论文两篇、第一申请人申请专利五项；司慧（1957-），女，副教授，主要从事机械设计及理论、木质材料无损检测、生物质能源加工利用设备的研究，副主编、参编出版教材3部，在各种公开刊物上发表论文20余篇，先后主持省、校级教改项目4项，参加国家级、省部级、国际合作等科研项目6项。

林业机械与木工设备
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