垂直轴直线感应风力发电机的设计、开发与试验

T. Nandana Jyothi1, Madusudan Naidu2, P.Sudheer3

印度安得拉邦贡图尔KL大学电子电气系助理教授
B.Tech, EEE, VIIT，维萨卡帕特南，安得拉邦，印度
B.Tech, EEE, VIIT，维萨卡帕特南，安得拉邦，印度

摘要

本文为垂直轴直线感应风力机的设计、研制和试验提供了一种新的创新思路。在这个原型模型中，VALI的机械部分是Savonius转子垂直轴风力涡轮机用于将风力转换为转轴上的扭矩和曲柄连接到转轴的直角，通过该转轴传递往复式运动或从轴接收。机械部分和电气部分由曲柄机构连接。电气部分由线性感应发电机组成，它产生的电能可以通过整流器转换为直流，在LED灯上发光。开发了原型模型，并进行了实验验证

关键字

转子，曲柄机构，线性感应发电机，整流器。

介绍

垂直轴线性感应风力发电机组是垂直轴系统与线性感应系统相结合的新型风力发电机组。这是美国和中国最近正在发展的一种新的创新理念。该系统最初是由中国科学家萨沃尼乌斯开发的。这个系统中的桨叶以他的名字命名为萨伏尼乌斯桨叶。

萨沃尼斯风叶片是由芬兰工程师西格德·约翰内斯·萨沃尼斯在1922年发明的。然而，在此之前，欧洲人已经在VAWT型风力涡轮机上试验了几十年的弯曲叶片。1551年在塞贝尼科，意大利出生的Czanad主教，他也是一名工程师，写了1616年的书机器新星，包含几个vawt型风力涡轮机与弯曲或v形的托架。他或任何其他早期的例子都没有达到西格德·萨沃尼乌斯的发展状态。

诱发电压有三种方法。第一种方法是改变磁场。我们正在设计的轴向磁通发生器，利用磁铁产生的变化磁场来感应电压。旋转的磁铁经过许多线圈，每个线圈产生各自的电压。第二种方法是改变磁场中单个线圈的面积。第三种也是最后一种方法是改变线圈和磁场之间的角度。现在许多发电机使用最后一种方法来感应电压。这些发电机有的在电场中旋转线圈，有的则在固定线圈周围旋转磁场。

在该系统中，第一种方法是通过改变磁场来感应电压。该系统采用了简单的电磁原理。它指出，当一个带电流的导体线圈被放置在变化的磁场中，由于磁通量的变化，电磁力就会在线圈上产生。这里它使用两种发电系统来开发电压。一个由线性系统组成，另一个由圆柱磁系统组成。这两个系统使用相同的原理在电路中产生电动势。只是这两个系统的形状不同，但这两个系统的运作是相似的。大多数发电机都很紧凑，电动机的运动部分，称为转子，被安置在一个圆柱形的腔体中。这个圆柱体的圆周上衬着一个定子。

定子基本上是一个磁场磁铁，通过电磁感应使转子转动。发电机中的大多数定子都是圆柱形的。但是有些发电机有直定子。这种类型的发电机被称为线性感应发电机。线性感应发电机基本上是一个电动机，它的定子展开并排成一条线。与通过旋转获得扭矩相反，它引起沿定子长度的线性力。线性感应电动机是一种电动机，它的定子和转子“展开”，这样它就不会产生扭矩(旋转)，而是沿其长度产生一个线性力。最常见的操作模式是作为洛伦兹型驱动器，其中施加的力与电流和磁场成线性比例。

2vali系统中各部件的设计与构造

A.机械系统的构建:

在这个风系统中，机械部分是最重要的。这包括savonius叶片的设计和构造。这些叶片是最重要的，因为发电取决于风叶片[3]的公转数。因此，在设计和建造这一机械部件时应极其小心。

机械部分由1。支持屋顶:

风系统的外墙称为支撑屋面。这是一个由铁制成的长方形框架。框架由三块积木组成。第一块由风系统组成，第二块由配重组成，第三块由线性系统组成。这个应该不会生锈。

矩形框架尺寸:高:80cm，横截面尺寸:25* 25mm。

2.风机叶片的设计与施工:

风叶片可以用不同的材料制成，如木材、纸板、PVC、铝等。选择材料所需的标准是材料的弯曲灵活性，材料的重量，厚度。耐久的大气变化的材料成本。在这里，我们使用了PVC材料，因为其柔韧性使其易于弯曲到所需的角度(45°)。这个风向标是以芬兰科学家Aurther Savonius爵士[4]命名的。基于拖曳的Twisted Savonius垂直轴风力涡轮机(VAWT)已显示出在建筑物顶部的应用前景，可以在使用现场生产清洁能源，几乎消除了运输损失。不幸的是，涡轮的形状是非常复杂的三维，因为它的扭曲，需要复杂的机械来建造。我们能够用符号几何程序几何表达式对形状的几何形状进行建模，开发可视化模型，描绘涡轮机在运行中的外观，并显示扭曲叶片[5]的效果。椭圆、轨迹和轨迹构成了视觉模型。最重要的发现是，涡轮扭曲时，涡轮半径受到挤压，这是由于叶片的几何原理，而不仅仅是材料的限制。

捻度越大，操作效率越高。利用定积分的微积分原理，可以创建一个形状的近似值，unrolledÃ¢Â ' Â，到一个平面上使用三角形。这可以用来更简单地建造涡轮机，随着改进，可以允许在屋顶上广泛使用Twisted Savonius涡轮机，相对于其他替代能源选择的成本很小[6]。

3.轴承座及轴承:

轴承块由该块中的轴承组成。这是两个分区，一个分区放在顶部，另一部分放在中央长螺柱的底部。所使用的轴承是6201型标准轴承。

4.三臂架:

三臂架也是由铁制成。这3臂框架包含3个长方形的铁条片放置在星形。这些是用来固定萨沃尼斯剑的。每条手臂之间相隔120度角。VALI系统的构建需要两个树臂框架。这些臂连接到风叶片的顶部和底部边缘，使它们向前移动，彼此之间的距离是固定的或不随位移而变化

5.长螺栓:

这只是一个中轴。这就成了垂直叶片的旋转轴。这起到离心支撑叶片运动的作用。轴将系统的机械部分与电气部分连接起来，因此显示了它的重要性。这也是铁做的。

这个长钉的尺寸是

圆柱高度:800mm

截面半径:7.5mm

B.电气部分结构:

机械部分将风能转化为机械能，再由设备中的电气部分转化为电能。电气部分主要由系统中存在的两种不同类型的发电机组成。

1.计数器开车。

2.线性系统

这些驱动器将机械能转换为电能，并通过整流系统，在负载下获得脉动直流输出。

这个电器部分的元件是

1.计数器驱动器的构造:

计数器驱动器位于机械部分和线性发电机之间。它是圆柱形的，内径145毫米，外径150毫米。其壁厚为5毫米。气缸内壁由4块分段标准磁体围合。这是一个正常的标准磁铁，其形状是圆柱形的。计数器驱动器由一个由铁制成的圆柱形外墙组成，4个标准分段磁铁放置在它们的内壁。一个受伤的铜线圈也存在于计数器驱动器，它是绕着一个悲伤的核心与32标准线径铜线。在这里，人们绕着令人惋惜的轭转了3500圈。这个线圈被放置在一个金属框架上，其中包含磁铁的圆柱壁由于轴的旋转而旋转。这就像一个生成源。

2.线性系统的构造:线性系统由

a.滑动单元:

滑动单元由两个平行的黄铜棒组成，磁铁在其上滑动，从而产生磁通量的变化。滑动单元的外壁由hylum材料制成。滑动单元的尺寸包括长100mm，宽40mm，高60mm。

b. U型段:

这段叫做轭，它是由纯铁氧体组成的。因此在该系统中涡流损耗可以忽略不计。铜线绕在u型段的一个臂上。线性系统采用36标准线规的铜绕组，绕铁氧体轭圈1000圈。

曲柄机构连接在机械部分和电气部分之间。曲柄与旋转轴成直角连接，用以传递来回或往复的运动。适用于将圆周运动转换为来回运动，有时也适用于将来回运动转换为圆周运动。臂是轴的弯曲部分，或者是连接到轴上的独立臂。附加

臂是轴的弯曲部分，或者是连接到轴上的独立臂。连接到曲柄的末端的枢轴是一个杆，通常称为连接。与曲柄相连的连杆一端作圆周运动，另一端通常受约束作直线运动，进进出出。该位移杆的末端是大约成比例的余弦的曲柄旋转的角度;从上止点(TDC)开始测量。因此，稳定转动的曲柄和连杆所产生的来回或往复运动近似为简谐运动:x=l + rcosα

其中为连杆端到曲轴的距离，l为连杆的长度，r为曲柄的长度，α为曲柄从上止点(TDC)测量的角度。实际上，由于连杆在循环过程中角度的变化，连杆的来回运动与正弦运动略有偏离。曲柄的机械优势，即连杆上的力与轴上的扭矩之比，在曲柄的整个周期中不断变化。

两者之间的关系近似为:τ = Frsinα

其中扭矩Γ， F为作用在连杆上的力。对于给定的力在曲柄臂，扭矩是最大的曲柄角度α = 90°或270°从上止点。当曲柄由连杆驱动时，当曲柄处于上死点(0°)或下死点(180°)时，就会出现问题。在曲柄循环的这些点上，对连杆的力不会对曲柄造成扭矩。因此，如果曲柄是静止的，恰好是在这两点之一，它不能启动移动的连杆。

3vali的工作

当风均匀流动时，叶片转动。如果有两个叶片的距离为180 Ã Â μ m，则其中一个叶片即F1只对一个力起作用，直到从0旋转到180 Ã Â μ m。但这里我们使用三个相互相距120 Ã Â μ m的叶片，其中第一个叶片旋转一定角度，然后第二个叶片也开始工作。结果表明，第1叶片F1和第2叶片F2两种力共同作用，有助于提高转速。

所以当固定在长螺柱上的叶片旋转时，就会引起圆周运动，附在螺旋桨底部的曲柄就会线性振荡。

如果风力叶片以5公里/小时的速度旋转，我们可以产生12V AC的连续电压。

A.主驱动器:

有一个标准的条形磁铁附在滑块上。磁体的磁场切割放置在线圈下面的绕组磁芯。在此之后，电动势被诱导在线圈中获得输出。

B.副盘:

一个圆形磁芯被放置在螺旋桨螺柱和曲柄之间。在磁芯底部的空心间隙中还放置了绕组磁芯。当它旋转时，磁场发生变化，因此线圈中产生电动势

C.纠偏系统:

整流系统使用两个二极管背靠背相互连接。正极端给二极管，负极端给电容器的另一端，电容器串联到背对背连接。整流系统框图如下所示，输出通过电容器。二极管规格为IN508，电容器使用25微法拉。

VALI的输出为12V，在鼓风机的帮助下，沿着测试的叶片尖端集中恒定的气流。

V.CONCLUSION

本文研制了垂直轴线性感应风力发电机组，并进行了实验测试。在垂直轴线性感应系统中，我们采用了两个磁芯，磁通量相反。所以，有更少的电压感应。为了克服这种影响，我们需要保留24个分段磁芯，磁体必须在其上线性振荡。最后得到VALI的输出为12V。

六、未来范围及发展

作为今后研究工作的一个重要方面，机电系统的仿真是进一步研究的方向。可以对结构设计进行改进，例如增加叶片数量，并通过防水来改进设计。此外，风力机还可以在底座上加一个挡板和翼片，以保证水平运动。这将使风力涡轮机更高效，随着风向的变化，它可以相应地移动。叶片要被拉长，宽度要增加，以确保最大的空气推力是放在风叶片上。转数将通过减小叶片厚度和使用轻质材料来增加。

参考文献

Ogawa, T.， Yoshida, H.，和Yokota, Y.，“savonius型风力涡轮机转速控制系统的发展”，。流体工程学报，Vol. 11, pp.53-58, 1989。
J.-L。Menet。，“A double-step Savonius rotor for local production of electricity: A design study” Renewable Energy, Vol 29 (11), pp. 1843–1862, 2004.
Kamoji, S. Kedare, S. Prabhu，。，“Experimental investigations on single stage, two stage and three stage conventional Savonius rotor”, International Journal of Energy Research, Vol 32 (10) ,pp. 877–895, 2008.
英国萨哈，M.J.拉杰库马尔。，” On the performance analysis of Savonius rotor with twisted blades”, Renewable Energy, Vol 31 (11), pp. 1776– 1788, 2006.
萨哈,英国，Thotla, S.and Maity, D.,” Optimum Design Configuration of Savonius Rotor Through Wind tunnel Experiments”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol.96, pp.1359-1375, 2008.
尼克·哈尔西，“扭曲的萨沃尼斯风力发电机几何建模和简化其结构”，俄勒冈圣公会学校，2011年。