1、小型垂直轴风力发电机的设计 目 录 中文摘要、关键词 1 英文摘要、关键词 2 前 言 3 第一章 概述 5 （一） 风力发电机的现状与展望 5 （二） 开发利用风能的动因 6 （三）风力发电的原理和特点 . . .7 第二章 风力发电机的原理及其结构 . 7 （一）垂直轴风力发电机工作原理 . .8 （二）小型风力发电机的结构 .9 （三）风力机的功率 . . 10 第三章 垂直轴小型风力发电机的总体设计 . . 10 （一）风力机的种类及选择 . . 10 （二）叶片的选择 . .12 （三）垂直轴风力机风能学和空气动力学 . 14 第四章 电气设计部分 . .17 （一） 基本原理 .1
2、7 （三） 传动系统结构设计及计 算 . .20 第五章 小型风力发电机调向调速原理及其安装 . 27 （一）小型风力发电机的调向调速原理 . 27 （二）小型风力发电机在地面上的安装 . 27 结论 . . .29 设计总结 . 30 参考文献 . 31 致 谢 .32 小型垂直轴风力发电机的设计 摘 要 随着科技的发展，电器设备在家庭生活中变的越来越重要了，电能消耗也与日俱增 ,同时国内环境问题也越来越严重，成为了社会热点，其中就包括清洁能源。激烈的矛盾促使我们去寻找获取新能源的新出路，通过国家风能专业科学家不懈的努力，也取得了一些不错的效益。垂直轴小型风力发电机发电效率高、噪声低、启动扭
3、矩小、成本低廉，有望普及到家庭，在缓解能源危机、清洁能源的问题上，前景一片美好。本文介绍了一种小型垂直轴风力发电系统的设计方案，通过对垂直轴小型风力发电机的细节改进，改变市场上风力发电机电机易坏而维修不便的缺点，设计出发电机安装在地面上的一款风力发电机，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。普及垂直轴小型风力发电机做再次的铺垫研究，进而为缓解能源危机、清洁能源尽一份力。 关键词 ： 电能；风力发电机；垂直轴；能源；设计； Small vertical axis wind turbine design Abstract: With the development of science and t
4、echnology, electric equipment becomes more and more important in family life. Electric energy consumption also grows day b y day. Meanwhile, now the international environment problem is also more and more serious. It is a social hot spot, including clean energy. The fierce conflict prompted us to fi
5、nd new ways to acquire new energy. Through the untiring efforts of all countries, we already have made some good benefits. With small vertical axis wind generator power generator, it has the advantages of efficiency, low noise, low start torque, low cost, and is expected to spread to the families, t
6、o alleviate the energy crisis, to realize clean energy. This paper use achievements of the past as the reference, improving the structure of small vertical axis wind generator, changing the wind generator bad faults of motor maintenance inconvenient on the market. This design installed generator on
7、the ground, and complete the set of equipment design, to do matting of the popularization of small vertical axis wind generators, and then to do relieve the energy crisis, to do realize clean energy a bit contribution. Keywords: Electric power, wind generator, vertical axis, Energy, Design 前 言 当前火力发
8、电仍然是主要的发电方式，其高污染高能耗正一步步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。与此同时，随着家用电器不断的增加，家庭用电也越来越大，家庭对用电的需求也与日俱增。社会对电能的需求量增加了，这已经给政府带来了巨大的压力。风力发电机应允而生，风力发电既节能又无消耗。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。 传统燃烧煤炭来蒸汽发电，暂时解决了能源的危机，却不符合清洁能源的要求，不符合社会发展的趋势，它必然被可
9、再生能源发电取代。而风力发电是具有大规模发展潜力的可再生能源，风力发电可以有效利用的风速范围为 3 20mPs,最适宜的风速范围是6 8mPs,地球上蕴有风能约为 2.74万亿 kW,可利用的风能约为 200亿 kW,装机容量可达10TW,每年可发出电力 13PW h。地球上的风能 资源是地球上水能资源的 10倍 ,已经利用的不足千分之一。在技术上全球风能资源是整个世界预期电力需求的 2 倍 ,也就是说 ,只要利用地球上 50%的风能资源就能满足全球能源。 中国幅员辽阔，海岸线长，风能资源丰富，及其适合发展风能发电。在 20 世纪 80年代后期和 2004-2005 年，中国气象局分别组织了第
10、二次和第三次全国风能资源普查，得出中国陆地 10m 高度层风能资源的理论值，可开发储量分别为 32.26 亿 kW 和 43.5 亿kW、技术可开发量分别为 2.53 亿 kW和 2.97 亿 kW 的结论。此外， 2003-2005 年联合国环境规 划署组织国际研究机构，采用数值模拟方法开展了风能资源评价的研究，得出中国陆地上离地面 50m 高度层风能资源技术可开发量可以达到 14亿 kW 的结论。 2006 年国家气候中心也采用数值模拟方法对中国风能资源进行评价，得到的结果是：在不考虑青藏高原的情况下，全国陆地上离地面 10m 高度层风能资源技术可开发量为 25.48 亿 kW，大大超过第
11、三次全国风能资源普查的数据。 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。 垂直轴风力发电机组还具有高效、无噪声等特点 ,应用领域十分宽广，对于推广到农村城市具有极其重要的意义，这就像推广普及家用电器一样，一旦落实到家庭
12、，它将直接、有效的缓解能源危机，而且符合清洁能源的社会趋势，而且也家庭也带来了极大的方便，甚至还能降 低家庭的开支，各方面前景看好。 本文的新型垂直轴小型风力发电机的研究，改善了市场上垂直轴小型风力发电机电机容易坏，而维修要爬到设备顶部高空，不方便又危险的缺点，使垂直轴小型风力发电机更加贴近百姓生活，为垂直轴风力发电机的推广普及进程做进一步的铺垫，以提高国产垂直轴风力发电机的技术水平，提高垂直轴风力发电机的技术含量和产品档次，增加国内企业的出口创汇能力，促进我省垂直轴风力发电机产业的发展。 第一章 概述 风电是风能发电或者风力发电的简称。属于可再生能源， 清洁能源。风力发电是风能利用的重要形式
13、，风能是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。风电技术装备是风电产业的重要组成部分，也是风电产业发展的基础和保障，世界各国纷纷采取激励措施推动本国风电技术装备行业发展，我国风电技术装备行业已经取得较大成绩，金风、华锐等一批代表国际水平的风电装备制造企业是中国风电发展的生力军，据统计 2010 年末我国风电装机容量跃居世界第一。 （一） 风力发电机的现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约 53 106 亿 kWh /年 。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近 20 年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已
14、能为电力用户所承受，一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到 2 2.5 美分 /kWh，此售价使得美国家庭有 25%的电力可以通过购买风电获得。 2004 年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力 12 关于 2020 年风电达到世界电力总量的 12%的蓝图的报告，“风力 12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计 2008 2012 年期间装机容量 增长率为 20%，以后到 2015 年期间为 15%， 2017 2020 年期间为 10%。其推算的结果 2010 年风电装机 1.98 亿 KW，风电电量 0.43 104
15、亿 kWh， 2020 年风电装机12.45 亿 KW，风电电量 3.05 104 亿 kWh，占当时世界总电消费量 25.58 104 亿 kWh的 11.9%。 世界风电发展有如下特点： 风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从 600KW 发展到 2000 5000KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机 5000KW 的风机 ,丹麦已批量建设了单机容量 2000 2200KW 的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外 ,可变桨翼和双馈电机的采用 ,使机组更能
16、适应风速的变化 , 大大提高了效率。最近 ,又发展了无齿风机等 ,进一步提高了安全性和效率。 风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前 10 位供应了世界新增装机容量的 90% 以上的份额，集中度比较高。近来， GE 风能（ GE Wind Energy）、德国 REpower（ REpower Systems AG）和三菱重工（ MHI）的市场份额提高迅速。 风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，
17、世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。 中国的风能资源十分丰富。根据全国 900 多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约 32.26 亿 KW，其中可开发的风能储量为 2.53 亿 KW，而海上的风能储量有 7.5 亿 KW，总计为 10亿 KW。我国的风 电开发起步较晚，大体分为三个阶段。 第一阶段是 1986 1990 年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机 200KW，总装机容量 4.2 千 KW。 第二阶段是 1991 1995 年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建 5 个风电场，安装风机 131 台，装机容量 3.3 万
18、 KW，最大单机 500KW。 第三阶段是 1996 年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量 6.18 万 KW，最大单机容量达到 1300KW。 随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风 力发电机的功率在向大型化方向发展。风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业！、 （二） 开发利用风能的动因 风能作为一种新能源它的开发利用是有一定动因的，而且随着时间的推移，开发利用风能的动因也在变化。下面将主要从经济、环境、社会和技术进步四方面来介绍风能开发利用的动因。 （ 1） 经济驱动力 经济最优 能源供应的经济最优化提供了重视开发
19、利用的基本原理。在偏远地区，电力供应困难。与常规电网延伸和柴汽油机发电相比，利用小型离网风力发电系统供电有成本优势。例如在内蒙古农牧区，利用小型离网风 力发电系统供电，农牧户承担的成本约 2 元/KW 左右。如果用电网延伸的方法，农牧户承担的成本高于 8 元 /KW。在这些地区，利用汽油柴油发电机的供电，考虑油料的运输成本，农牧户承担的成本也要高于 6 元/KW。 化石能源资源枯竭与供应安全 进入工业社会后，人类在飞速发展自己的文明过程中经过了多次能源危机。人们开始认识到，无限制地开采煤炭、石油、天然气等化石能源，终有资源枯竭的一天。目前石油储量约 1300 亿吨，年消耗量约 35亿吨，计今后
20、 25 年中平均年消耗量将达 50亿吨，即使加上新发现的油田，专家估计总储量也不会超过 2000 亿吨，有油资源在四五十年后也将枯竭。为了人类社会的可持续发展，当务之急是寻找和研究利用其他可再生资源。 风能作为新能源中最具工业开发潜力的可再生能源，就格外引起人们的瞩目。一些国家要靠进口化石能源来满足本国内能源的消费。风能的开发利用可以减少对国外能源的依赖，并加强本国的能源供应安全水平，国内的化石能源价格变化较小，社会经济稳定性也因此而增强。 （ 2）环境驱动力 除了人们早先认识到的烟尘、二氧化硫等区域性的污染外，世界上越来越多的人开始认识到二氧化碳等温室气体的大量排放对全球气候变暖给人类社会带
21、来的 有害影响。冰山消融、海平面升高、大气环流和海洋异常导致自然灾害的频发、土地沙漠化，使 “ 地球村 ” 的效应更加明显，各国都认识到必须共同采取措施减缓和影响这种变化。为减缓地球变暖， 1997 年在日本京都召开的联合国气候变化框架缔约方第 3 次大会上， 84 国代表审议通过京都议定书，要求工业发达国家大幅度削减二氧化碳等温室气体排放量。这也迫使人们重视寻找其他可再生的替代能源。风能在能源转化工程中不会产生任何排放量，因此除了不产生烟尘、二氧化硫等区域性污染外，也不会带来全球环境污染。 （ 3）社会驱动力 风能份额增加时，会 创造很多直接和间接的就业机会。除了在工厂的生产和装机工程中创造
22、就业之外，在设备维护方面也会提供就业机会。另外，在一些国家（如欧盟国家）中，风能开发利用已经成为热点问题，得到了公众的支持。许多民众十分关注风能的发展，并将利用风能和其他可再生能源当成他们的生活方式。绿色电力的发展就是一个典型的例予，人们自愿以高于化石电力的价格购买风电和其他可再生能源电力。 （ 4）技术驱动力 随着科技的进步，空气动力理论的不断发展、新型高强度、轻质材料的出现，计算机设计技术的广泛应用和自动控制技术的不断改进，机械、电气、电子元件 制造技术的成熟，为风电技术向大功率、高效率、高可靠性和高度自动化方向发展提供了条件。 （三）风力发电的原理和特点 风力发电是利用风能来发电，而风力
23、发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电 3。 风力发电 有如下 特点 ： （ 1） 可再生，且清洁无污染。 （ 2） 风速随时 变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。 （ 3） 风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。 风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器
24、转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。 第二章 风力发电机的原理及其结构 风力 发电 机经过多年的发展和演变， 已经演变成 很多形式，但是归纳起来，可分为两类： （ 1） 水平轴风力 发电 机，风伦的旋转转轴与风向平行； （ 2） 垂直轴风力 发电 机，风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向。本系统 中采用的是 垂直 轴风力 发电 机。 （一）垂直轴风力发电机工作原理 垂直轴风力发电机属于 阻力风力机，依靠迎风面阻力和背风面阻力差获得动力，其差值越大，效率当然就越高 （ 流线 和连续外形，避免空气的扰动能量损失 ， 系统 刚度大， 旋转轴 细， 摩擦阻力 摩擦圆小）
25、其 线速度 始终比 风速 低，传动 惯量 小，速度平稳性不好，可以通过类似飞轮的 机械系统 加以改善。效率与阻力面积和表面光滑状况有关。 （二）小型风力发电机的结构 小型风力发电机一般由风轮、三相或则永磁发电机、带拉线的塔管式塔架、铰接式尾翼、控制器、逆变器、蓄电池、电缆、调速系统和混凝土地基等多个结构组合而成。 其中风轮一般由叶片、轮毂、盖板、链接螺栓组件和导流罩组成。风轮是风力发电机中关键的部件之一，是它把空气动力能转变成机械能。大多数小型风力机的风轮由三个叶片组成。风轮的工作原理。 （ 1）的功率与空气密度成正比。 （ 2）轮产生的功率与风轮直径的平方成正比。 （ 3）轮产生的功率与风速
26、的立方成正比。 （ 4）生的功率与风轮的效率成正比。 （ 5）电机风轮的效率一般在 0.35-0.45 之间（理论上最大值为 0.593） 发电机由机壳、电子、转子磁钢、发电机轴和前后端盖组成。风力发电机驱动的发电机一般都是低速发电机，在转速几百转 /分时就可以发电。 回转体是风力机关键部件风轮、发电机和尾翼的载体，是一个安装在塔架顶部的轴承结构。一些风力机的回转体和发电机是作成一体的。回转体使风力机的主体可以饶塔架垂直轴在 360 度水平方向自由转动的机构。 尾翼由销轴、尾翼杆和尾翼板组成。尾翼对风轮起到调向和调速的作用。 （三）风力机的功率 风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加 8 倍。 风轮从风中吸收的功率如下： 3pP C A v 2AR 式中： P 为输出功率， pC 为风轮 机的功率系数， 为空气密度， R 为风轮半径， v为风速。 众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于 1。
