垂直軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計,垂直,風(fēng)力發(fā)電機,設(shè)計 關(guān)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究——文獻綜述 湖州師范學(xué)院 機械設(shè)計制造及其自動化 09283622 莫昃 摘要:隨著不可再生能源的消耗，人們逐漸被能源危機的陰影所困擾。于是人們想到以風(fēng)力發(fā)電作為補充能，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機和水平軸風(fēng)力發(fā)電機面世了。相比水平軸風(fēng)力發(fā)電機，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有著啟動風(fēng)力小，風(fēng)能利用率高，故障率小，低噪音等諸多優(yōu)點。本文就垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)上進行優(yōu)缺點分析，總結(jié)國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展概況。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機，結(jié)構(gòu)組成，工作原理，優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、引言 在如今化石能源不斷消耗日益減少的時刻，發(fā)展可再生能源的利用變得尤為重要。而風(fēng)力是一種具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ脑偕鍧嵞茉碵1]。作為一種替代礦物燃料，可再生，是豐富，分布廣泛，清潔，不產(chǎn)生溫室氣體的排放。能從風(fēng)能中提取的經(jīng)濟力量總額是大大超過目前人類利用來自所有來源，并且在操作過程中，和每單位煤和天然氣能源生產(chǎn)的裝置成本相近 [2]。 風(fēng)力發(fā)電機種類很多，但總體的歸納起來分為2種：水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。水平軸風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)和風(fēng)向平行，具有對風(fēng)裝置，能隨風(fēng)改變而轉(zhuǎn)動。垂直軸的風(fēng)輪一般垂直地面，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，而且無需對風(fēng)，減少了風(fēng)輪對風(fēng)是的陀螺力[3]。目前，水平軸風(fēng)力發(fā)電機的技術(shù)水平要高于垂直軸，風(fēng)力機大部分都是水平軸，但水平軸風(fēng)力機由于結(jié)構(gòu)原因，具有一些不可避免的缺陷，而且技術(shù)專利大多為國外公司所有，對國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展極為不利，垂直軸風(fēng)力機其設(shè)計方法先進，風(fēng)能利用率高，啟動速度低，基本不產(chǎn)生噪音等有點，被人們認(rèn)識和重視，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。 2、風(fēng)力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2.1風(fēng)力發(fā)電機的基本知識 風(fēng)力發(fā)電機裝置主要由葉片、調(diào)速機構(gòu)、低速軸、齒輪箱、剎車、高速軸、發(fā)電機、調(diào)向結(jié)構(gòu)、臺架、塔架構(gòu)成[4]。風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的動力熱能，風(fēng)以一定速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，轉(zhuǎn)動軸，并通過低速軸，增速箱，高速軸等部件，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械能，最后驅(qū)動高速發(fā)電機發(fā)電。簡單的說就是空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機械能，從而推動葉輪旋轉(zhuǎn)[5]。風(fēng)力發(fā)電依靠風(fēng)能，是可再生清潔能源，相比熱力發(fā)電要好得多，無污染，零排放，只需要大約3m/s的微風(fēng)，就能開始發(fā)電。 2.2 研究現(xiàn)狀 風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)始于19世紀(jì)美國的Charles F.Bursh(1849-1929)，他在俄亥俄州克利夫蘭市安裝了被現(xiàn)代人認(rèn)為的第一臺自動運行且用于發(fā)電的風(fēng)力機[6]。 1891年，丹麥的Poul la Cour（1846-1908）制造了用來發(fā)電的風(fēng)力機，并建立了風(fēng)力發(fā)電機實驗的風(fēng)洞，發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)少，轉(zhuǎn)動越快的風(fēng)力機在發(fā)電是比轉(zhuǎn)速低的分離機效率高得多[6]。 1920年至1930年，丹麥約有120個地方公用事業(yè)擁有風(fēng)力發(fā)電，單機容量一般為20~35KW，總裝機容量約為3MW[6]。 直至20世紀(jì)20年代才出現(xiàn)了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，芬蘭的工程師Savonius發(fā)明了典型的阻力式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，命名為薩窩紐斯型風(fēng)力機，是一種S型風(fēng)輪[6]。 1927年，由法國工程師達理厄（G.J.M.Darrieus）發(fā)明了達理厄型風(fēng)力發(fā)電機組，是典型的利用翼型的升力做功的升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。達理厄風(fēng)力發(fā)電機種類很多，如H型、Δ型、◇型，φ型，其中以H型和φ型最為典型。厄爾里風(fēng)力機組轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)慣性大，結(jié)構(gòu)簡單成本低，但是啟動性能差，需要啟動機構(gòu)和離合器，提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本[6]。 1941年10月，工程師Palmer C.putnamh和馬薩諸塞州一些注明科學(xué)家研制了第一臺大型的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機，并在佛蒙特州的小山頂安裝，風(fēng)輪直徑53.3m。額定輸出1250KW，塔高35.6米，它可能是世界上第一臺大型風(fēng)力發(fā)電機[6]。 1950年，丹麥的Vester Egesborg開發(fā)了世界上第一臺交流風(fēng)力發(fā)電機，并在1956年至1957年為SWAS電力公司在丹麥南部Gedser海岸建成了新型200KW的Gedser風(fēng)力發(fā)電機，這是當(dāng)時世界上最大功率的交流風(fēng)力發(fā)電機，并在不需維護的情況下運行了11年之久[6]。 20世紀(jì)80年代，歐洲風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計概念出現(xiàn)了多元化格局。至90年代，單機容量不斷增加，300KW、500KW、600KW、750KW風(fēng)力發(fā)電機成為主流機型[6]。 2.3 發(fā)展趨勢 風(fēng)能資源儲備量大，全球風(fēng)能資源總量達2.47×109兆瓦，其中可利用的風(fēng)能為2×107兆瓦，裝機容量可達10TW，每年可發(fā)出電力13PWh。比地球上可開發(fā)利用的水能總量還大10倍[7]。中國風(fēng)能儲量很大，面積廣開發(fā)利用潛力巨大，在陸地加上近海的風(fēng)力資源有16億千瓦以上[7]。目前全球風(fēng)力發(fā)電已逐步從探索走向成熟，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)也逐步擴大范圍和領(lǐng)域。2006年7月22日，中國垂直軸風(fēng)力試驗基地在內(nèi)蒙古化德縣正式啟動，是我國自主研發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新星風(fēng)力發(fā)電機組，目前，50KW小樣機組已建成投入 運行開始發(fā)電[8]。2007年9月，西山瑞法水力發(fā)電設(shè)備公司和哈爾濱發(fā)電設(shè)備研究中心聯(lián)合開發(fā)設(shè)計的1.5MW垂直軸永磁風(fēng)力發(fā)電機研制成功，并在張家口風(fēng)電場安裝運行[8]。麟風(fēng)瘋癲設(shè)備公司主導(dǎo)產(chǎn)品為H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機，他改變了“攻角”技術(shù)，達到了最大風(fēng)能利用率[9]。 3、結(jié)束語 相比水平軸風(fēng)力發(fā)電機，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機可以用先進的計算流體力學(xué)方法，能精確的分析流體過程。而且垂直軸風(fēng)力機的葉片基本都是幾何構(gòu)型，易于加工，葉片旋轉(zhuǎn)空間小，可全方位接受來風(fēng)，無需轉(zhuǎn)向裝置，充分利用風(fēng)能，發(fā)電效率高達70%以上，并且能抵抗12-14級臺風(fēng)，低噪音，故障率低，風(fēng)機接近地面，更加利于維護保養(yǎng)，發(fā)電曲線飽滿。無論是風(fēng)電場還是中小型獨立用戶，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機必定被大量應(yīng)用。 綜上所述，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的總體設(shè)計，電路系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)設(shè)計，其他部位設(shè)計將成為本畢業(yè)實際主要研究方法，通過各種文獻和書籍參考比較，從中選擇出幾個合理的風(fēng)力機設(shè)計方案，再計算比出啟動性能穩(wěn)定，發(fā)電效率高，噪音小，成本低廉的設(shè)計方案， 本次畢業(yè)設(shè)計的重點是通過比較葉片實度、形狀和材料設(shè)計葉片，根據(jù)電路系統(tǒng)挑選發(fā)電機類型，設(shè)計合理的傳動結(jié)構(gòu)和傳動軸、軸承，設(shè)計塔架、蓄電池、箱體外形等，最后通過比較數(shù)據(jù)，優(yōu)化，設(shè)計出最合理的設(shè)計方案。 參考文獻： [1]寇 微等. 一種組合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].電力科學(xué)與工程，2011，27（5）：25-28 [2]HE SIYUAN. Capacity credit of wind power generation problems and solutions[C] [3]http://baike.baidu.com/view/1070501.htm [4]鄭 云. 小型H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機氣動性分析[D].西安：西安交通大學(xué)，2008：3-10 [5]王 輝. 一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].科技信息，2010，21：99 [6]趙丹平等. 風(fēng)力機設(shè)計理論及方法[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012：1-29 [7]田海蛟.等 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展概述[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2006（11）：22-27 [8]孫云峰等.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展概況及趨勢[J].農(nóng)村牧區(qū)機械化，2008（2），75：42-44 [9]嚴(yán) 強等. 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展趨勢和應(yīng)用[J].上海電力，2007，2：166-167