小型垂直轴风力发电系统设计

片 型、选择号。关键字 厄 翼型DesignoftheVerticalAxisWindTurbine[Abstract]Thisisadesignofakindofverticalwindturbinewhichwasusedinremovedruralareaorhighriseinseasidecitybasedonrelatedtheories.Byconsultingreferencesourcesandnecessarymathematicaloperation,fourNACA0012air-foilbladeswereusedasthecompomentsoftheDarrieus.Thelead-acidbetterywaschargedbytheelectricalenergywhichwasgeneratedbyapermanentmagnetmotorwiththeoperationofpowerelectroniccircuits.Inthisarticle,someconstructuressuchasthemainsuppotingpartsandtheangularcontactballbearingswerevertifiedontheintensityandlife.Byusingofthesolidworks2006software,everyimportantparthasa3Dmodel.Wealsodesignacontrolcircuitand[Keywords]VerticalaxisWindturbineDarrieusNACA0012air-foil国内外风力发电的发展现状及其趋势小型垂直轴风力发电机发展概况风特性风能量湍流特性风力发电系统结构框架三章小型垂直轴风力发电的总体设计风力机的种类及选择垂直轴风力机空气动力学风能利用率λ贝茨极限叶尖速比风力机的功率及扭矩计算叶片选型叶片实度基本原理法拉相位角及功率因数转化装置直驱式永磁同步发电机论参考文献附录引言、水建造巨水库也核消铀它燃料就以断产建好之后除了日常维护费用外几乎他费用支持。用法很多既以并网使用也以离网使用以同太阳起使用也以单独构成厂机类千奇百怪思路五花八门充分挥了人类丰富想象和创造按向分有水平机、机按驱动分有升和阻等等虽目世界各部分场所用机为水平但由于机尤提到达里厄机有优越空气动性提了率并且很程度降低了造价所以近年广泛受到各国研究人员关注机旋转半径以至一两米也以到数十米速范围比较广。、、地热等。是止技术最熟历史最为悠久方式是具大规模潜要替代。自世纪起水平车产业就了农村结构主要部分而利用历史以追溯到 世纪晚期美的研制了第一台 流机。 、和 记录了早期机史。 年苏联制造了一台 径 的帽； 纪 台 径的 安德鲁恩菲机。 年丹麦建造了一台 、径 的盖瑟机年法工业试验了一台功率 、径 机。德，胡特于 世纪 年代和 然上涨美始建造一列示范机组如 年功率 径 的和 率 径 的的达 径 达 到 图 。1图 的机1³照吉林省、甘肃省、新疆维吾尔、江苏省等其³居全之首 如图 所示。图 全年平均密度分布在家再生展规划和装备产化等相关政策支持下过产业得到了快速展年（不含台湾省）新增装机台容量 年同比增长 ；累装机量 年同比增长 台湾省当年新增装台容量；累装台容量 如图 所示。图 历年装储量2（ 。随着算科学飞优异空气性能尤达里厄渐渐为世人所认识近年来广泛受到各国研究人员注。国外大公司有加拿大的 公司主导产品一种额为升叶整套玻璃钢纤维和钢材组成约重 叶辐径 。 年中国实验基地在内蒙古化德县运行目前 样组已投入运行开始图 。 年西峡瑞备公司和哈尔滨备研究中心联合开发的永磁研制成在张家口场安装运行。图图德化县3风能量。为

PW/tmV联立以上各式得

VSL1P Sv32 （ ）（ 4，产生主要原因有： 由地形差异引起气与地表摩擦。 由于空气密度差异和气温变化热效应空气运。往往有这两种原因相互作用形成。无法用简单数学公式完整表达出来其复杂程度超出了人类现有认识能。虽然它活遵循一定定律但人类想要用这些定律来描述过程相当困难因此只能通过学来大致描述。变化基本上服从高斯函数变相对于风均值服从正态分布强度 用来描述总体水平算公式如下：I/U （ ）式中 为强度；为脉均方根；

为脉能；U 为 平均。强度由地表粗糙度和高度决定通常在很一段算得到如几分钟到一。结构框架机不需要并网只要选择合适蓄池就能够提供一般家庭生活用本次主要由以下几部分构成：叶轮、机、传机构（包括刹车、塔架、整、功率控制如图 所示。图 结构图5； 简单轮无需对优点有：以接受任何无需对；齿轮箱以安装在地面检修维护便。6在 达 图所示上到来驱少如所示。7、维修方便等优点，又和一样具较高转速，能利用率所提高。由于运行过程中受比水平好得多，疲劳寿命要更长。空气动学如图所示建立平面坐标置夹角为θ，则叶片的平均线速度为UDn60 （ ）在图 中，速矢量 （， ，叶片速度矢量 （ θ θ，对叶片相对速度 ，坐标运算后得 （ θ， θ。图 量 模 以示 ，示 则可以求出此时的攻角α，攻角就是相对速与叶片弦长所在线的夹角，按照矢量算可推得：,角 αFFF1l 2

l dSw2C （ ）lF 1d 28

Sw2C （ ）dF Fn ）lt lF Fs ）d叶片受解如图 所示。图 机叶素学模型合产生转矩使转动，叶片位置角θ时产生转矩为M(FF)R ）lt 利用率能利用数 能不能完全转化为机械能，能利用率 为率 PC = wp 率 P ）wPPm w目前大水平机能利用率绝大部是由叶片算得，一般在算机结果不如水平实验表明能利用率不低于，再加上水平机受变化响，而机可以任何速角下工作，因此有理由相信机利用率能够超过水平。9λ功率特性曲线λ第λ。图 λ从中看出当达左右时大高，值有个大值实际机都达不这么高以我们先初定λ 率时对机进行λ还需机叶试验及攻角调整确定。贝茨极限缩短达大值就贝茨极限德国空气动学家 提贝茨极限后今天还没有人出超过这个极限机该极限不由于不足造成因流管不不致动盘上游膨胀使自由流圆盘处贝茨极限由一下微分方程出：p4113)0a ）式中 气流诱导因子。解微分方程可知当 时大求大 。10。在中接反映了相对风运动方向的夹角即接关到的攻角是分析性能的重要参数。算公式为Rv

2nR60v （ ）力机的功率及扭矩计算由福建省情资料库中的图像资料可以看出厦门地区地面平均在 ～ 左右图 所示。图 福建省分布从福建气象网站（ ） 时监测的结果可以看出厦门地区天内 级（约 ）出现的频率最高如图 所示。图 日 时监测图11《 。功率现来算过该总功率效率 ，则输入功率为（

P Pw Cp2P

30040%2750

750W （ ）wSv3w

234m2 （ ）12583中 ；ρ值 ； ；。以上结果表明过功率组为。高度与径比值高径比应该输出相同功率时叶最大其中 高度径。由HD2.34H1D得到 ，产生基本上能符合。转矩 ：P v2 82T 05CR3 0531412504083 43m （ ） P 6叶片选型叶片是利气流过时产生压差使叶转动部件具有空气动学特性其质量对整个及其他零部件有这接影响因此叶片是重部件。叶片目主有：良好空气动可靠地结构强度；12、方便维修；满足以上目标前提下，尽可能减轻重量，降低成本。机翼多种多样，各有各优缺点，应用较多有 翼列、 翼列、 翼列、 Φ翼列和翼列等，其中 国家宇航局（ （ 行 。叶片实度，是机一个参考数据。机实算公式为：NCL/2RL

/（ ）， ，，为轮半径，为长，σ为实比。选取实比原则是在保证轮气条件下，求使制造费用最低。为了最大限提高效率，翼应具有下列要求：升数斜大阻数阻数与零升角对称。如图 所示三种翼阻数，可以看出， 阻数较，适用于大雷诺数情况，具有上述，故选用较低阻数 对称翼。图 13。图 数～ ：C2RN

204

0

024m）本次采用叶片只需将各字适当缩放即可 。及材料主梁结构制造简各向受形式如图所示。面14。由此机的基本参数以确定如表 所示。额定速平均效率叶尖速比功率表3额定速平均效率叶尖速比功率15传动计法拉磁感应原理。定律可用以下公式表示：deN （ ）dt其中：圈匝数d。可用以下公式表示：pU

sin(t)Im

) （ ）中 度 相位角功率因数瞬时压及瞬时以下公式得到：muU （ ）mmiI ) （ ）m中 φ：（ pU （ m m16UIP p

cosg 2 ）3发电机

P

）、噪声以及材料磨问题目前普遍使主有列和列按照和选择经过查阅《国工程》表现选择号如表所示。号额定重量号额定重量启矩额定额定电压电气系统电路设计本人控制方面是很解只能现有前人论文进行一些改控制部分限知识水平本人无法所有完成只能大概叙述基本工作原理如图所示。17。 升升为 个供也为 定是 因此在中加入 与 分限。传动结构及算传动轴的设计主传动只承受扭矩受弯矩按空心主扭强度估算主最径：P 1314dA3 314中 本表 ；；； ；径 径 ，α 。本表 得 取 为 速 为 式 30307540031031064

142（ ）184P4Pn314d314）5120表式40407540041064d41064

197）径择采用钢调质处理图所示。图42 校核安全矩为2T05CR3P

302053141250

08

6036）6S

K

1 a m） 1表

115K表～表K

1

质量用；强化处理用19表表表044表 089 a m表 Tm a 2Zp

6024.94

6

为表

0.21。S

155 5.3 K

1.80.44

6

0.216.1

m 0.89根据调质 钢

/ 0.55s b

第 第 第 章及选型由于不仅受轮矩而且要受气流方向一定弯矩角触球不仅能够径向同能够受一定径向载荷因此在主上安装两个角触球。．角触球选算角触球安装位置如图 所示。角触球承图 安装位置径 额定矩 。由表触承号 20径 号

极限转速脂润）

额定负C 额定静负重量rCor

Fm m

m ）a 轴 9.8N/NP5v255820a ）

FPSr

5N ）PFF ）r a、表² 得因为F/C /a F/F0.102a r择 ，PXF

YFr

151.47

222.69Nf f fC h m dPf fnTCfn21f f m d表fT表fhP。将各个据代入式（ ）得：5.8521.2C 0.4051

19.5N

Cr故用此能够满足额定的要求。．角接触球的用算角接触球的安装位置如图 所示。图 安装位置表号 号 如所示。额定负Cr额定静负额定负Cr额定静负重量Cor9.38kN7.73kN0.074kg孔径d外径D代号极限转速（滑）25mm47mm7006C12000（ FPSr

22

15NFm m m ）a 9.8N147N

/kgPXFYFr a、表 ² 因为F/C /a F/F0.102a r择 ， 到PXF

YFr

151.40

212.4N：106L (

fTC) ）h 60n fPd

f本 表 取 T

f因d本表 取 ； ， ； ， ；取 。得106L (

fTC

106

1(

106hh 60n fPd

本表 为 时图 纸。23力发电系统设计图 圆锥销套筒联器24刹车装置原理式力使致盘停止，从而起到作。已经形成标准，是标准件。东莞市产华机限公司 凸缘单板磁是利磁产生压作于盘上，在制盘表面形成摩擦，其基本结构如图 所示。图51力要求在十二级速（约 ）时能够效，下面通过算矩来选择已知v30m/s1.205kg/m3R0.8m6C 0.4p254 2T05CR32P T05

3141250

08

3026

603D

0[24VDC](W)at20℃重量²D000004的闭合是通过载主上面的一个光编码来实现控的光编码收集主速据主控路中的单片机对据进行算当速达到某值时单片机输出字信控继常开触点闭合从而磁铁的磁铁蓄池供图52图 22( )2外形据CC2CDat00002 44220( )26小型垂直轴风力发电系统设计刹车结构受力计算用制动器的额定制动转矩反求风力机制动器的最大工作风速，由公式（ ）得2T0.5R3v2P 0CRp0CRpTe3906053141250408336m/s于 在 他部件，制动器必须在转速超出发电机允许范围时立即动作，完成转速数据收集的任务就交给了光电编码器，光电编码器通过光电转换收集转轴转速数据，再将数据送往主控电路（一般为单片机）进行分析，最后产生一个控制信号使执行件动作。图 为套轴式编码器，孔直接与电机轴配合，通过螺钉锁紧，当电机轴转动时带动光电编码器转子转动并产生光电信号。光电编码器套轴式编码器 内孔 光电编码器的参数如。电电电电压±最大机械转矩输出电压高电平≥抗震力～≤方向各27≤≤次～≥）±温度℃启动矩³储存温度℃转动惯量³湿度无结霜）最大负荷径重量约用光编码器对制动器进行控制不仅控制精度高而且灵活性较大用户可以通过简单的修改数据就可以对制动器的触转速进行修改这一特点对于不同地不同环境下的制动非常有利。塔架的件受力分析支架选用低合金碳钢在满足强度要求的同时尽量减少重量现选择牌号结构用无缝钢管壁厚外径长度我们考虑最坏情况即气接用于静止的叶片这样将四个叶片等效于一个平板平板的面积为四个叶片投影面面积之和如图所示。速v 等效平板面积S图 等效受图281P 2

0

12530

562.5

PS

562

0.375

211N。简图简图FL/22110.742157NT29WD332

(14)

3.140.03332

174) ）1.13106α (

Mx) 9a ）max

W 106Zb力计算°°布置如图 示图图布置按不利原则速向如图 示。30

2co3co6=Ff

F 2cos30。

21123 2 2

243.6N查《机械手册》起重机部如表 所示。钢丝绳公称钢丝绳公称径 材料近似质量钢丝公称抗强度钢丝绳最破断钢芯钢丝绳钢丝绳数据目前市场上能够买的钢绳成品有许多，南通森钢丝绳有限公司生产的³ 类钢丝绳径为 钢丝绳以满足我们需求，在地面准确位置固定地脚螺栓钢筋，钢筋端部弯成环状与钢丝绳套环连接。蓄池和选型作基本原理化学池是一种把氧化还原反应所释放出来的能量接转变成低压流能的装置，蓄池为酸性池和碱性池两大类，酸性池也称铅酸池，其解质为硫酸，负极为，正极为。铅酸蓄池广泛应用于各个行业，池价格便宜，为镉镍蓄池的；高倍率放性31原件。沈阳松下限公司生产的 们要求基本参数如表 所示。松下类松下类型阀控密闭铅酸容量其他特征³³箱体这些部件免受雨侵蚀要求够防锈密封。箱体要一定重量才防止让整个重心比较低起稳定作。体的外形设计本箱体主要以圆柱形为主上部下部偏大呈阶梯状如图 所示。32小型垂直轴风力发电系统设计箱体导轨箱体地脚螺栓图 箱体一侧开一矩形门，方便蓄电池的安装与检修，箱底内部两个导轨起到导向作用，能够让蓄电池在装入和取出时不偏移。为了防止箱体被大风倾覆，在箱体底部用个地脚螺栓与地面固定。与密封防锈：箱体材料为铸铁，在户外工作环