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
Design of the Vertical Axis Wind Turbine
[Abstract]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 used as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a perma
nent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular contact 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 (1)
1.1 国内外风⼒发电的发展现状及其趋势 (1)
1.2 ⼩型垂直轴风⼒发电机发展概况 (3)
第⼆章风⼒发电基本原理 (4)
2.1 风特性 (4)
2.1.1 风能量 (4)
2.1.2 湍流特性 (5)
2.2 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 (6)
3.1 风⼒机的种类及选择 (6)
3.2 垂直轴风⼒机空⽓动⼒学 (8)
3.2.1 风能利⽤率 (9)
3.2.2 Cp-λ功率特性曲线 (10)
3.2.3 贝茨极限 (10)
3.2.4 叶尖速⽐ (11)
3.2.5 风⼒机的功率及扭矩计算 (11)
3.3 叶⽚选型 (12)
3.3.1 叶⽚实度 (13)
3.3.2 叶⽚形状及材料 (14)
第四章电⽓设备及传动设计 (16)
4.1 基本原理 (16)
4.1.1 法拉第电磁感应原理 (16)
4.1.2 相位⾓及功率因数 (16)
4.2 转化装置 (17)
4.2.1 直驱式永磁同步发电机 (17)
4.2.2 电⽓系统电路设计 (17)
4.3 传动系统结构设计及计算 (18)
4.3.1 传动轴的设计 (18)
4.3.2 轴承的计算及选型 (20)
第五章刹车装置及其他部件设计 (25)
5.1 刹车装置 (25)
风能发电原理5.1.1 刹车装置原理 (25)
5.1.2 刹车结构受⼒计算 (27)
5.2 塔架的设计 (28)
5.2.1 ⽀撑件受⼒分析 (28)
5.2.2 拉索的受⼒计算 (30)
5.3 蓄电池和选型 (31)
5.3.1 蓄电池的种类及⼯作基本原理 (31)
5.3.2 蓄电池选型 (32)
5.4 箱体的设计 (32)
5.4.1 箱体的外形设计 (32)
5.4.2 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5MW[1]，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243104km2。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1203104MW。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503104MW，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436.05MW[3]，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（Vertical 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
/P W t
= m V
ρ= V S L
=?
联⽴以上各式得
3
12
P Sv
ρ=
（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]：
/I U σ= （2.2）
式中I 为湍流强度；σ为脉动风速的均⽅根；2σ为脉动风速动能；U 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。
2.2 风⼒发电系统结构框架
⼩型垂直轴风⼒发电机不需要并⽹，只要选择合适的蓄电池就能够提供⼀般家庭的⽣活⽤电，本次设计的发电系统主要由以下⼏部分构成：叶轮、发电机、传动机构（包括刹车）、塔架、整流、功率控制系统，如图2-2所⽰。
图2-2系统结构图
第三章⼩型垂直轴风⼒发电的总体设计
3.1 风⼒机的种类及选择
风⼒机的分类⽅法很多，其中按风⼒机主轴布置⽅向可分为⽔平轴风⼒机和垂直轴风⼒机，⽔平轴风⼒机的旋转主轴与风向平⾏，如图3-1所⽰。⽔平轴风⼒机组有两个主要优势：1.实度较低，能量成本低；2.叶轮扫掠⾯的平均⾼度可以更⾼，有利于增加发电量。
图3-1 ⽔平轴风⼒发电机
垂直轴风⼒机的旋转主轴与风向垂直，如图3-2所⽰，垂直轴风⼒机设计简单，风轮⽆需对风，其优点有：1.可以接受任何风向的风，⽆需对风；2.齿轮箱和发电机可以安装在地⾯，检修维护⽅便。
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