專(zhuān)利名稱(chēng)：風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備的最優(yōu)匹配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備的方法，特別是一種垂直軸風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)是一個(gè)燃煤大國(guó)，長(zhǎng)期以來(lái)，能源結(jié)構(gòu)過(guò)分單一。大量燃煤造成的環(huán)境污染，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和人民的身體健康。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源和環(huán)境的矛盾日益突出，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)資源節(jié)約與環(huán)境友好型社會(huì)的建設(shè)，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的重要轉(zhuǎn)變。能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整勢(shì)在必行，大力發(fā)展可再生能源迫在眉睫。我國(guó)的風(fēng)能資源豐富，具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的前景，風(fēng)能在節(jié)能減排方面的作用已經(jīng)受到我國(guó)政府越來(lái)越多的關(guān)注，成為可再生能源利用中發(fā)展最快的清潔能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2010年底，我國(guó)的風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘考澳晷略鲅b機(jī)容量雙居世界第一。然而，由于風(fēng)電的穩(wěn)定性較差，電網(wǎng)中過(guò)高的風(fēng)電比例會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性會(huì)帶來(lái)很不利的影響，這已經(jīng)成為我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)巨大障礙。風(fēng)能的非電化直接應(yīng)用將是我國(guó)風(fēng)能利用產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)巨大機(jī)會(huì)。如風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)制冷(制熱)、風(fēng)能提水、風(fēng)能提水儲(chǔ)能、風(fēng)能海水淡化、風(fēng)能制氫等。在風(fēng)能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)熱泵方面，國(guó)內(nèi)有少數(shù)研究報(bào)導(dǎo)，且研究者選用的是水平軸風(fēng)力機(jī)。這種方法中壓縮機(jī)、制冷管路等用功設(shè)備與風(fēng)力機(jī)同軸，隨風(fēng)向旋轉(zhuǎn)，很難實(shí)用。無(wú)論是水平軸風(fēng)力機(jī)，還時(shí)垂直軸風(fēng)力機(jī)，在一定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)總存一個(gè)最佳尖速比(或最佳轉(zhuǎn)速)，此時(shí)風(fēng)能利用率最高，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于或小于最佳尖速比時(shí)，風(fēng)能利用率都將下降。為了高效利用風(fēng)能，我們希望不管風(fēng)速如何變化，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速也應(yīng)隨之改變，并保持最佳尖速比。但是，壓縮機(jī)等用功設(shè)備通常有其固有的性能曲線(xiàn)，風(fēng)力機(jī)與壓縮機(jī)之間通過(guò)皮帶輪或齒輪鏈接。力學(xué)上，當(dāng)風(fēng)力機(jī)的輸出扭矩與用功設(shè)備扭矩相等時(shí)，二者平衡，轉(zhuǎn)速維持；當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出扭矩小于用功設(shè)備扭矩時(shí)，系統(tǒng)(用功設(shè)備與風(fēng)力機(jī))轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)用功設(shè)備轉(zhuǎn)速減小后，其扭矩也減小，直到與風(fēng)力機(jī)輸出扭矩平衡；當(dāng)風(fēng)力機(jī)輸出扭矩大于用功設(shè)備扭矩時(shí)，系統(tǒng)(用功設(shè)備與風(fēng)力機(jī))轉(zhuǎn)速將升高，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高，扭矩也增大，直到與風(fēng)力機(jī)輸出扭矩平衡后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速維持不變。也就是說(shuō)，風(fēng)力機(jī)的輸出扭矩與作為負(fù)載的壓縮機(jī)的負(fù)載扭矩之間達(dá)到平衡。如果達(dá)到平衡后，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速偏離最佳尖速比，則風(fēng)力機(jī)就不可能捕獲最多的風(fēng)能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述根本性的問(wèn)題而提供一種風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備的最優(yōu)匹配方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備的最優(yōu)匹配風(fēng)范；具體特征在于操作步驟如下
1)試驗(yàn)或數(shù)值模擬得到風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速一2111/8，4111/8，6111/8，8111/8，10111/8，12m/ s, 14m/s, 16m/s, 18m/s, 20m/s, 22m/s, 24m/s下扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)和功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)，找到每個(gè)風(fēng)速下的最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)的扭矩，得到橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為扭矩的曲線(xiàn)；
2)風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比η后的轉(zhuǎn)速是用功設(shè)備的轉(zhuǎn)速，選擇合適的增速比η，使得風(fēng)力的額定轉(zhuǎn)速與用功設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速相匹配；
3)在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)，將每個(gè)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比η后得到對(duì)應(yīng)的用功設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍，用功設(shè)備的扭矩=風(fēng)力機(jī)扭矩/η，根據(jù)用功設(shè)備轉(zhuǎn)速和扭矩，可以計(jì)算出用功設(shè)備功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)，以此曲線(xiàn)為依據(jù)可具體設(shè)計(jì)或選擇用功設(shè)備的類(lèi)型或型號(hào)。4)所述的風(fēng)力機(jī)選用垂直軸風(fēng)力機(jī)與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，立軸風(fēng)力機(jī)的軸功更易于用來(lái)驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備。由于風(fēng)向多變，大型水平軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸懸在半空中，直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備會(huì)給連接管路帶來(lái)影響；而立軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸在地面上就可以驅(qū)動(dòng)，用功設(shè)備可固定不動(dòng)。另外，由于垂直軸風(fēng)力機(jī)重心低，特別適用于海洋風(fēng)能的大規(guī)模離網(wǎng)應(yīng)用。5)所述用功設(shè)備為空調(diào)壓縮機(jī)、泵、制氫設(shè)備、海水淡化設(shè)備或鹽化工設(shè)備等。當(dāng)然，風(fēng)力機(jī)與用功設(shè)備之間的性能匹配十分重要，需要嚴(yán)格按照上述方法匹配，否則，風(fēng)能得不到最大化利用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明通過(guò)選擇增速比η，使得風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與用功設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速相匹配，并計(jì)算出用功設(shè)備功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)，以此曲線(xiàn)為依據(jù)設(shè)計(jì)或選擇用功設(shè)備。這樣，用功設(shè)備將能夠與風(fēng)力機(jī)自動(dòng)最佳匹配，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效利用。


圖1是風(fēng)能驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)示意圖2是一新型聚能升力型風(fēng)力機(jī)在9m/s風(fēng)速時(shí)輸出功率及扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化圖。圖3是該新型聚能升力型風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下，最大輸出功率時(shí)，輸出功率及扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化圖。圖4是匹配最理想的目標(biāo)用功設(shè)備的性能曲線(xiàn)(扭矩-轉(zhuǎn)速，功率-轉(zhuǎn)速)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下 實(shí)施例一
本風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備的最佳匹配方法，操作步驟如下1)試驗(yàn)或數(shù)值模擬得到風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速一2m/s, 4m/s, 6m/s, 8m/s, 10m/s，12m/s, 14m/s, 16m/s, 18m/s, 20m/s, 22m/s, 24m/s下扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)和功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)，找到每個(gè)風(fēng)速下的最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)的扭矩，得到橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為扭矩的曲線(xiàn)；2)風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比η后的轉(zhuǎn)速是用功設(shè)備的轉(zhuǎn)速，選擇增速比η，使得風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與用功設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速相匹配；3)在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)，將每個(gè)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比η后得到對(duì)應(yīng)的用功設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍，用功設(shè)備的扭矩=風(fēng)力機(jī)扭矩/η，根據(jù)用功設(shè)備轉(zhuǎn)速和扭矩，可計(jì)算出用功設(shè)備功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)，以此曲線(xiàn)為依據(jù)設(shè)計(jì)或選擇用功設(shè)備。實(shí)施例二
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處是風(fēng)力機(jī)選用垂直軸風(fēng)力機(jī)1，用功設(shè)備為壓縮機(jī)3。圖1所示風(fēng)能驅(qū)動(dòng)制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)包括垂直軸風(fēng)力機(jī)1、皮帶輪或齒輪2、壓縮機(jī) 3、冷凝器4、蒸發(fā)器5、吸收器6、節(jié)流閥7、泵8。以一額定風(fēng)速為llm/s，額定功率為5kW的新型聚能升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)作為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)一制冷壓縮機(jī)3或其他用功設(shè)備。利用數(shù)值模擬或試驗(yàn)的方法，對(duì)該風(fēng)力機(jī)1進(jìn)行氣動(dòng)性能研究，得到了 3m/s，5m/ s, 7m/s, 9m/s, llm/s和14m/s時(shí)功率及扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化圖，圖2是其中風(fēng)速為9m/s功率及扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化圖。根據(jù)上面的結(jié)果，得到該新型聚能升力型風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下，最大輸出功率時(shí)，輸出功率及扭矩隨轉(zhuǎn)速的變化圖，如圖3?？梢钥闯?，額定風(fēng)速下，這種風(fēng)力機(jī)1的額定轉(zhuǎn)速為llOrpm，假定所選用功設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速為2200rpm，則需要選擇20的增速比，通過(guò)皮帶輪或齒輪2都可以實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力機(jī)1最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比20后得到對(duì)應(yīng)的用功設(shè)備的轉(zhuǎn)速范圍，用功設(shè)備的扭矩=風(fēng)力機(jī)扭矩/n，，得到匹配最理想的目標(biāo)用功設(shè)備的性能曲線(xiàn)(扭矩-轉(zhuǎn)速，功率-轉(zhuǎn)速)如圖4。在工程實(shí)際上，我們應(yīng)該盡量使得用功設(shè)備的性能曲線(xiàn)與圖4接近，特別是在額定工況附近接近。也就是說(shuō)，要想使得風(fēng)力機(jī)1與用功設(shè)備之間最佳匹配，用功設(shè)備應(yīng)該具有圖4所示的性能曲線(xiàn)。當(dāng)然，實(shí)際上，用功設(shè)備可能由于形式、性能的區(qū)別，有的種類(lèi)的壓縮機(jī)、泵或其他用功設(shè)備很難具有類(lèi)似圖4的性能曲線(xiàn)，比如某些渦旋壓縮機(jī)或某些類(lèi)型的泵及其他用功設(shè)備，很難接圖4所示的性能曲線(xiàn)，如果這樣，為了提高風(fēng)能利用率，應(yīng)該合理選擇用功設(shè)備的形式及優(yōu)化設(shè)計(jì)用功設(shè)備的性能。
權(quán)利要求
1.一種風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備的最優(yōu)匹配方法，其特征在于操作步驟如下1)試驗(yàn)或數(shù)值模擬得到風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速一2m/s，4m/s, 6m/s, 8m/s, lOm/s, 12m/s, 14m/s, 16m/s, 18m/s, 20m/s, 22m/s, 24m/s下扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)和功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)，找到每個(gè)風(fēng)速下的最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)的扭矩，得到橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為扭矩的曲線(xiàn)；2)風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比η后的轉(zhuǎn)速是用功設(shè)備的轉(zhuǎn)速，選擇增速比η，使得風(fēng)力機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與用功設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速相匹配；3)在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)，將每個(gè)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比η后得到對(duì)應(yīng)的用功設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍，用功設(shè)備的扭矩=風(fēng)力機(jī)扭矩/η，根據(jù)用功設(shè)備轉(zhuǎn)速和扭矩，可計(jì)算出用功設(shè)備功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)，以此曲線(xiàn)為依據(jù)就可具體設(shè)計(jì)或選擇用功設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)空調(diào)用功設(shè)備的最優(yōu)匹配方法，其特征在于所述風(fēng)力機(jī)選用垂直軸風(fēng)力機(jī)與水平軸風(fēng)力機(jī)相比，立軸風(fēng)力機(jī)的軸功更易于用來(lái)驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備；由于風(fēng)向多變，大型水平軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸懸在半空中，直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備會(huì)給連接管路帶來(lái)影響；而立軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸在地面上就可以驅(qū)動(dòng)，用功設(shè)備可固定不動(dòng)；另外，由于垂直軸風(fēng)力機(jī)重心低，特別適用于海洋風(fēng)能的大規(guī)模離網(wǎng)應(yīng)用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)的最優(yōu)匹配方法，其特征在于所述用功設(shè)備為空調(diào)壓縮機(jī)、泵、制氫設(shè)備、海水淡化設(shè)備或鹽化工設(shè)備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風(fēng)能直接驅(qū)動(dòng)用功設(shè)備的最優(yōu)匹配方法。本方法步驟如下1)得到風(fēng)力機(jī)在不同風(fēng)速下扭矩隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)和功率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)為扭矩的曲線(xiàn)；2)風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比n后的轉(zhuǎn)速是用功設(shè)備的轉(zhuǎn)速，選擇增速比n，使得風(fēng)力的額定轉(zhuǎn)速與用功設(shè)備的額定轉(zhuǎn)速相匹配；3)在整個(gè)風(fēng)速范圍內(nèi)，將每個(gè)風(fēng)速下風(fēng)力機(jī)最大輸出功率時(shí)的轉(zhuǎn)速乘以增速比n后得到對(duì)應(yīng)的用功設(shè)備轉(zhuǎn)速，而此時(shí)用功設(shè)備的扭矩=風(fēng)力機(jī)扭矩/n，根據(jù)用功設(shè)備轉(zhuǎn)速和扭矩，可以計(jì)算出用功設(shè)備功率隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)，以此曲線(xiàn)為依據(jù)設(shè)計(jì)或選擇用功設(shè)備。這樣的用功設(shè)備將能夠與風(fēng)力機(jī)自動(dòng)最佳匹配，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的高效利用。
文檔編號(hào)F03D9/00GK102434397SQ20111036926
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者黃典貴 申請(qǐng)人:上海大學(xué)