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1、小型垂直轴风力发电系统设计摘要 本文介绍了一种小型垂直轴风力发电系统的设计方案，本系统主要面向沿海高层建筑或边远地区用户。经过查阅大量文献资料结合必要的理论计算，系统采用四片NACA0012型叶片构成H型达里厄风力机，利用永磁直驱同步发电机将机械能转化为电能，经过电力电子电路对蓄电池进行充电。文中对主要支撑件和传动件进行了必要的结构校核，对所用的两个角接触球轴承进行了使用寿命校核。最后以垂直轴风轮和永磁直驱发电机为主要对象，用solidworks软件建立三维模型，设计风力发电系统主要零部件，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。关键字 垂直轴 风力发电机 达里厄 NACA0012翼型Desig
2、n of the Vertical Axis Wind TurbineAbstract This is a design of a kind of vertical axis wind turbine which was used in removed rural area or highrise in seaside city based on related theories. By consulting reference sources and necessary mathematical operation,four NACA0012 air-foil blades were use
3、d as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a permanent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular cont
4、act ball bearings were vertified on the intensity and life. By using of the solidworks2006 software,every important part has a 3D model. We also design a control circuit and bettery breifly.Keywords Vertical axis Wind turbine Darrieus NACA0012 air-foil目录第一章 绪论11.1 国内外风力发电的发展现状及其趋势11.2 小型垂直轴风力发电机发展概况
5、3第二章 风力发电基本原理42.1 风特性42.1.1 风能量42.1.2 湍流特性52.2 风力发电系统结构框架5第三章 小型垂直轴风力发电的总体设计63.1 风力机的种类及选择63.2 垂直轴风力机空气动力学83.2.1 风能利用率93.2.2 Cp-功率特性曲线103.2.3 贝茨极限103.2.4 叶尖速比113.2.5 风力机的功率及扭矩计算113.3 叶片选型123.3.1 叶片实度133.3.2 叶片形状及材料14第四章 电气设备及传动设计164.1 基本原理164.1.1 法拉第电磁感应原理164.1.2 相位角及功率因数164.2 转化装置174.2.1 直驱式永磁同步发电机
6、174.2.2 电气系统电路设计174.3 传动系统结构设计及计算184.3.1 传动轴的设计184.3.2 轴承的计算及选型20第五章 刹车装置及其他部件设计255.1 刹车装置255.1.1 刹车装置原理255.1.2 刹车结构受力计算275.2 塔架的设计285.2.1 支撑件受力分析285.2.2 拉索的受力计算305.3 蓄电池和选型315.3.1 蓄电池的种类及工作基本原理315.3.2 蓄电池选型325.4 箱体的设计325.4.1 箱体的外形设计325.4.2 箱体的防锈与密封33结论34致谢语35参考文献36附录37引言当前火力发电仍然是主要的发电方式，其高污染高能耗正一步步
7、吞噬着地球脆弱的生态环境，地球急需一种环保高效的可再生能源来替代火力发电。风力发电不像火力发电那样需要大量的煤炭、水力发电那样需要建造巨大的水库，也不像核电那样需要消耗铀，它不需要燃料就可以源源不断地产生能源，建好之后除了日常的维护费用外几乎不需要其他费用支持。风力发电的用法很多，既可以并网使用也可以离网使用，可以同太阳能一起使用，也可以单独构成大型风力发电厂。风力机的种类千奇百怪，设计思路五花八门，充分发挥了人类丰富的想象力和创造力，按轴的方向分有水平轴风力机、垂直轴风力机，按驱动方式分有升力型和阻力型等等。虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机为水平轴的，但由于垂直轴风力机，尤其提到达里
8、厄型风力机，有着优越的空气动力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造价，所以近年来广泛受到各国研究人员的关注。垂直轴风力机的旋转半径可以小至一两米，也可以大到数十米，发电风速范围比较广。第一章 绪论1.1 国内外风力发电的发展现状及其趋势随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重，开发新型能源成为各国经济发展的关键，目前可再生能源有太阳能、风能、地热能等。风能发电是目前为止技术最为成熟，历史最为悠久的发电方式，是具有大规模发展潜力的可再生能源，有可能成为重要的替代能源。自13世纪起，水平轴风车产业就成为了农村经济结构的主要部分，而利用风力发电的历史可以追溯到19世纪晚期，美国的Brush研制了第
9、一台12kW的直流风力机。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)记录了早期的风力机发展史。1931年，苏联制造了一台100KW、直径30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)风力机；19世纪50年代早期，英国制造了一台100KW、直径24m的Andrea Enfield(安德鲁-恩菲)风力机。1956年，丹麦建造了一台200KW、直径24m的Gedser(盖瑟)风力机，1963年法国电力工业试验了一台功率1.1MW、直径35m的风力机。在德国，Hutter(胡特)于19世纪50年代和60年代建立了一些新型的风力机。由于石油价格突然上涨，美国开始建造一系列示范风力
10、机组，如1975年的功率100KW、直径38m的Mod-0风力发电机组和1987年的功率2.5MW、直径97.5m的Mod-5B风力发电机组。目前世界上最大的风力发电机是德国制造的E-126，高达120m，风轮直径126m，每个叶片长达61.4m，每片重18t，装机功率达到5MW1，如图1-1所示。 图1-1 Enercon的E-126型风力发电机我国风能资源丰富，根据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24104km2。考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km2计算，陆上技术可开发量为120104MW。目前我国风能资源开发利用的重点区域有内蒙古自治区、辽宁省、河
11、北省、吉林省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、江苏省等，其中内蒙古自治区技术可开发量约为50104MW，居全国之首2如图1-2所示。 图1-2 全年平均风能密度分布在国家可再生能源发展规划和风电装备国产化等相关政策的支持下，我过风电产业得到了快速发展，2009年中国（不含台湾省）新增风电装机10129台，容量13803.2MW，年同比增长124%；累计风电装机21581台，容量25805.3MW，年同比增长114%。台湾省当年新增风电装机37台，容量77.9MW；累计装机227台，容量436.05MW3，如图1-3所示。图1-3历年我国装机储量1.2 小型垂直轴风力发电机发展概况垂直轴风力机（Ver
12、tical Axis Wind Turbine或VAWT）的风轮轴与风向垂直，风轮的转动与风向无关，但是由于其启动风速较高且功率不稳定，其发展并不像水平轴风力机那么迅速。随着计算科学的飞速发展，垂直轴风力机的优异空气动力性能（尤其是达里厄风力机）渐渐为世人所认识，近年来广泛受到各国研究人员的关注。国外较大的风力发电公司有加拿大的Cleanfiled Energy公司，其主导产品是一种额定功率为3.5kW的升力型叶轮风力发电机，整套系统由玻璃钢纤维和钢材组成，约重181.4kg，叶轮高3m，轮辐直径2.5m。2006年，中国垂直风力发电机实验基地在内蒙古化德县启动运行，目前50kW小样机组已投入
13、运行开始发电，如图1-4所示。2007年，西峡瑞发水电设备公司和哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的1.5MW垂直轴永磁风力发电机研制成功，并在张家口风电场安装运行。图1-4 德化县50kW垂直轴风力机第二章 风力发电基本原理2.1 风特性2.1.1 风能量空气的流动现象称为风，风是由于不同地方的空气受热不均匀，从一个地方向另一个地方运动的空气分子产生的，风的能量就是空气分子的动能，如图2-1所示。图2-1 空气流的动能风功率计算公式为联立以上各式得 （2.1）从式（2.1）容易看出风速对风能的影响是最大的，因此在沿海地区设计风力机时必须要考虑强台风对设备的影响。2.1.2 湍流特性湍流指的是
14、短时间内的风速波动，随着海拔、气候、地形等变化。影响湍流的因素很多，产生湍流的主要原因有：1.由地形差异引起的气流与地表的摩擦。2.由于空气密度差异和气温变化的热效应空气垂直运动。湍流往往是有这两种原因相互作用形成的。湍流无法用简单的数学公式完整的表达出来，其复杂程度超出了人类现有的认识能力。虽然它的活动遵循一定的定律，但是人类想要用这些定律来描述湍流过程是相当困难的，因此只能通过统计学来大致描述湍流。湍流风速变化基本上服从高斯函数，风速变动相对于风速均值服从正态分布,湍流强度I是用来描述湍流总体水平的，计算公式如下4： （2.2）式中I为湍流强度；为脉动风速的均方根；为脉动风速动能；为10min平均风速。湍流强度由地表的粗糙度和高度决定，通常是在很短的一段时间内计算得到的，如几分钟到一小时。
