专利名称：风能直接驱动用功设备的最优匹配方法
技术领域：
本发明涉及一种风能直接驱动用功设备的方法，特别是一种垂直轴风力机直接驱动用功设备实现最优匹配方法。
背景技术：
我国是一个燃煤大国，长期以来，能源结构过分单一。大量燃煤造成的环境污染，已经严重影响到了我国国民经济的可持续发展和人民的身体健康。随着经济的快速发展，能源和环境的矛盾日益突出，保护生态环境，促进资源节约与环境友好型社会的建设，是我国经济增长方式的重要转变。能源结构的调整势在必行，大力发展可再生能源迫在眉睫。我国的风能资源丰富，具有大规模开发利用的前景，风能在节能减排方面的作用已经受到我国政府越来越多的关注，成为可再生能源利用中发展最快的清洁能源。据统计，到2010年底，我国的风电装机总容量及年新增装机容量双居世界第一。然而，由于风电的稳定性较差，电网中过高的风电比例会对电网的安全稳定性会带来很不利的影响，这已经成为我国风电发展的一个巨大障碍。风能的非电化直接应用将是我国风能利用产业的下一个巨大机会。如风能直接驱动压缩机制冷(制热)、风能提水、风能提水储能、风能海水淡化、风能制氢等。在风能驱动压缩机热泵方面，国内有少数研究报导，且研究者选用的是水平轴风力机。这种方法中压缩机、制冷管路等用功设备与风力机同轴，随风向旋转，很难实用。无论是水平轴风力机，还时垂直轴风力机，在一定风速时，风力机总存一个最佳尖速比(或最佳转速)，此时风能利用率最高，当转速大于或小于最佳尖速比时，风能利用率都将下降。为了高效利用风能，我们希望不管风速如何变化，风力机转速也应随之改变，并保持最佳尖速比。但是，压缩机等用功设备通常有其固有的性能曲线，风力机与压缩机之间通过皮带轮或齿轮链接。力学上，当风力机的输出扭矩与用功设备扭矩相等时，二者平衡，转速维持；当风力机输出扭矩小于用功设备扭矩时，系统(用功设备与风力机)转速下降，当用功设备转速减小后，其扭矩也减小，直到与风力机输出扭矩平衡；当风力机输出扭矩大于用功设备扭矩时，系统(用功设备与风力机)转速将升高，压缩机转速升高，扭矩也增大，直到与风力机输出扭矩平衡后，系统转速维持不变。也就是说，风力机的输出扭矩与作为负载的压缩机的负载扭矩之间达到平衡。如果达到平衡后，风力机的转速偏离最佳尖速比，则风力机就不可能捕获最多的风能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述根本性的问题而提供一种风能直接驱动用功设备的最优匹配方法。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案一种风能直接驱动用功设备的最优匹配风范；具体特征在于操作步骤如下
1)试验或数值模拟得到风力机在不同风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下扭矩随转速变化的曲线和功率随转速变化的曲线，找到每个风速下的最大输出功率时的转速及其对应的扭矩，得到横坐标为转速，纵坐标为扭矩的曲线；
2)风力机最大输出功率时的转速乘以增速比η后的转速是用功设备的转速，选择合适的增速比η，使得风力的额定转速与用功设备的额定转速相匹配；
3)在整个风速范围内，将每个风速下风力机最大输出功率时的转速乘以增速比η后得到对应的用功设备转速范围，用功设备的扭矩=风力机扭矩/η，根据用功设备转速和扭矩，可以计算出用功设备功率随转速的变化曲线，以此曲线为依据可具体设计或选择用功设备的类型或型号。4)所述的风力机选用垂直轴风力机与水平轴风力机相比，立轴风力机的轴功更易于用来驱动用功设备。由于风向多变，大型水平轴风力机的转轴悬在半空中，直接驱动用功设备会给连接管路带来影响；而立轴风力机的转轴在地面上就可以驱动，用功设备可固定不动。另外，由于垂直轴风力机重心低，特别适用于海洋风能的大规模离网应用。5)所述用功设备为空调压缩机、泵、制氢设备、海水淡化设备或盐化工设备等。当然，风力机与用功设备之间的性能匹配十分重要，需要严格按照上述方法匹配，否则，风能得不到最大化利用。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点
本发明通过选择增速比η，使得风力机的额定转速与用功设备的额定转速相匹配，并计算出用功设备功率随转速的变化曲线，以此曲线为依据设计或选择用功设备。这样，用功设备将能够与风力机自动最佳匹配，实现风能的高效利用。
图1是风能驱动制冷压缩机系统示意图2是一新型聚能升力型风力机在9m/s风速时输出功率及扭矩随转速的变化图。图3是该新型聚能升力型风力机在不同风速下，最大输出功率时，输出功率及扭矩随转速的变化图。图4是匹配最理想的目标用功设备的性能曲线(扭矩-转速，功率-转速)。
具体实施例方式本发明的优选实施例结合
如下 实施例一
本风能直接驱动用功设备的最佳匹配方法，操作步骤如下1)试验或数值模拟得到风力机在不同风速一2m/s, 4m/s, 6m/s, 8m/s, 10m/s，12m/s, 14m/s, 16m/s, 18m/s, 20m/s, 22m/s, 24m/s下扭矩随转速变化的曲线和功率随转速变化的曲线，找到每个风速下的最大输出功率时的转速及其对应的扭矩，得到横坐标为转速，纵坐标为扭矩的曲线；2)风力机最大输出功率时的转速乘以增速比η后的转速是用功设备的转速，选择增速比η，使得风力机的额定转速与用功设备的额定转速相匹配；3)在整个风速范围内，将每个风速下风力机最大输出功率时的转速乘以增速比η后得到对应的用功设备转速范围，用功设备的扭矩=风力机扭矩/η，根据用功设备转速和扭矩，可计算出用功设备功率随转速的变化曲线，以此曲线为依据设计或选择用功设备。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处是风力机选用垂直轴风力机1，用功设备为压缩机3。图1所示风能驱动制冷压缩机系统包括垂直轴风力机1、皮带轮或齿轮2、压缩机 3、冷凝器4、蒸发器5、吸收器6、节流阀7、泵8。以一额定风速为llm/s，额定功率为5kW的新型聚能升力型垂直轴风力机作为驱动力，驱动一制冷压缩机3或其他用功设备。利用数值模拟或试验的方法，对该风力机1进行气动性能研究，得到了 3m/s，5m/ s, 7m/s, 9m/s, llm/s和14m/s时功率及扭矩随转速的变化图，图2是其中风速为9m/s功率及扭矩随转速的变化图。根据上面的结果，得到该新型聚能升力型风力机在不同风速下，最大输出功率时，输出功率及扭矩随转速的变化图，如图3。可以看出，额定风速下，这种风力机1的额定转速为llOrpm，假定所选用功设备的额定转速为2200rpm，则需要选择20的增速比，通过皮带轮或齿轮2都可以实现。风力机1最大输出功率时的转速乘以增速比20后得到对应的用功设备的转速范围，用功设备的扭矩=风力机扭矩/n，，得到匹配最理想的目标用功设备的性能曲线(扭矩-转速，功率-转速)如图4。在工程实际上，我们应该尽量使得用功设备的性能曲线与图4接近，特别是在额定工况附近接近。也就是说，要想使得风力机1与用功设备之间最佳匹配，用功设备应该具有图4所示的性能曲线。当然，实际上，用功设备可能由于形式、性能的区别，有的种类的压缩机、泵或其他用功设备很难具有类似图4的性能曲线，比如某些涡旋压缩机或某些类型的泵及其他用功设备，很难接图4所示的性能曲线，如果这样，为了提高风能利用率，应该合理选择用功设备的形式及优化设计用功设备的性能。
权利要求
1.一种风能直接驱动用功设备的最优匹配方法，其特征在于操作步骤如下1)试验或数值模拟得到风力机在不同风速一2m/s，4m/s, 6m/s, 8m/s, lOm/s, 12m/s, 14m/s, 16m/s, 18m/s, 20m/s, 22m/s, 24m/s下扭矩随转速变化的曲线和功率随转速变化的曲线，找到每个风速下的最大输出功率时的转速及其对应的扭矩，得到横坐标为转速，纵坐标为扭矩的曲线；2)风力机最大输出功率时的转速乘以增速比η后的转速是用功设备的转速，选择增速比η，使得风力机的额定转速与用功设备的额定转速相匹配；3)在整个风速范围内，将每个风速下风力机最大输出功率时的转速乘以增速比η后得到对应的用功设备转速范围，用功设备的扭矩=风力机扭矩/η，根据用功设备转速和扭矩，可计算出用功设备功率随转速的变化曲线，以此曲线为依据就可具体设计或选择用功设备。
2.根据权利要求1所述的风能直接驱动空调用功设备的最优匹配方法，其特征在于所述风力机选用垂直轴风力机与水平轴风力机相比，立轴风力机的轴功更易于用来驱动用功设备；由于风向多变，大型水平轴风力机的转轴悬在半空中，直接驱动用功设备会给连接管路带来影响；而立轴风力机的转轴在地面上就可以驱动，用功设备可固定不动；另外，由于垂直轴风力机重心低，特别适用于海洋风能的大规模离网应用。
3.根据权利要求1所述的风能直接驱动空调压缩机的最优匹配方法，其特征在于所述用功设备为空调压缩机、泵、制氢设备、海水淡化设备或盐化工设备。
全文摘要
本发明涉及一种风能直接驱动用功设备的最优匹配方法。本方法步骤如下1)得到风力机在不同风速下扭矩随转速变化的曲线和功率随转速变化的曲线，横坐标为转速，纵坐标为扭矩的曲线；2)风力机最大输出功率时的转速乘以增速比n后的转速是用功设备的转速，选择增速比n，使得风力的额定转速与用功设备的额定转速相匹配；3)在整个风速范围内，将每个风速下风力机最大输出功率时的转速乘以增速比n后得到对应的用功设备转速，而此时用功设备的扭矩=风力机扭矩/n，根据用功设备转速和扭矩，可以计算出用功设备功率随转速的变化曲线，以此曲线为依据设计或选择用功设备。这样的用功设备将能够与风力机自动最佳匹配，实现风能的高效利用。
文档编号F03D9/00GK102434397SQ20111036926
公开日2012年5月2日 申请日期2011年11月21日 优先权日2011年11月21日
发明者黄典贵 申请人:上海大学