小型垂直轴风力发电系统设计方案

小型垂直轴风力发电系统设计方案第一章绪论国外风力发电的进呈现状及其趋势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，是具有大规模进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构造的主要局部，而利用风力发电的历史可以追19Brush12kWGolding(1955ShepherdDivone(1994)记录了早期的风力机进展史。1931100KW30mBalaclava(巴拉克拉法帽)风力机；1950100KW、直径24m的AndreaEnfield(安德鲁-恩菲)风力机。1956年，丹麦建筑了一台200KW、直径24m盖瑟)风力机，19631.1MW35m1975100KW38mMod-0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E-126，120m，126m，61.4m，每片重18t，

1-11-1EnerconE-126我国风能资源丰富，依据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24×104km25MW/km2计算，陆上技术可开发120×104MW。目前我国风能资源开发利用的重点区域有自治区、省、省、省、省、疆1-2全年平均风能密度分布在国家可再生能源进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〕1012913803.2MW，年同比增长25805.3MW，114%3777.9MW；227436.05MW[3]1-31-3小型垂直轴风力发电机进展概况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，其进展并不像水平轴风力机那么快速。随着计算科学的飞速进展，垂直轴风力机的优异空气动力性能〔尤其是达里厄风力机〕渐渐为世人所生疏，近年来广泛受到各国争论人员的关注。国外较大的风力发电公司有加拿CleanfiledEnergy3.5kW50kW如图1-4所示。2023年，西峡瑞发水电设备公司和发电设备争论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，并在风电场安装运行。1-450kW风特性风能量2-12-1空气流的动能风功率计算公式为联立以上各式得

PW/tmVVSL1P Sv32

〔2.1〕强台风对设备的影响。湍流特性湍流指的是短时间的风速波动，随着海拔、气候、地形等变化。影响湍流的因素很多，产生湍流的主要缘由有：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缘由相互作用形成的。I[]I/U 〔2.2〕I为脉动风速的均方根；2为脉动风速动能；U10min到一小时。风力发电系统构造框架小型垂直轴风力发电机不需要并网，只要选择适宜的蓄电池就能够供给一般家庭的生活〔包括刹车、2-22-2第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3-11.实度较低，能量本钱低；2.叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。3-1水平轴风力发电机3-2需对风，其优点有：1.可以承受任何风向的风，无需对风；2.齿轮箱和发电机可以安装在地面，检修维护便利。3-2垂直轴风力发电机依据桨叶受力方式分类可分为升力型风力机和阻力型风力机。升力型风力机利用叶片的升力带动旋转轴转动，从而转化风能为电能，这种风力机目前较为常见，大局部水平轴风力机都属于升力型风力机。目前大中型风电主要承受水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高等优点，其叶尖速比通常在450%，如图3-3所示。阻力型风力机利用叶片上受到的阻力来驱动发电机发电，大局部阻力型风力机为垂直3-43-3升力型风力发电机3-4阻力型风力发电机要更长。垂直轴风力机空气动力学3-5v，叶片端线速度矢量为u，叶片所在位置夹角为θ，则叶片的平均线速度为[5]U|u|Dn60 〔3.1〕3-5v=〔0，-Vu=〔-Usinθ,Ucosθw=v+u，w=〔-Usinθ，-V+Ucosθ。3-5垂直风力机动力原理ur urw|w|，以WwUuα，攻角就是相对风速与叶片弦长所在直线的夹角，依据矢量计算可推得：ur ur〔3.2〕在风力的作用下，叶片在攻角αFl

Fd

可以按以下公式计算：F1l 2

Sw2Cl

〔3.3〕1F Sw2C1d 2 d

〔3.4〕

FFlt lF F

sin 〔3.5〕cos 〔3.6〕dt dFFlt l

Fdt

Fd3-6[6]。3-6垂直风力机的叶素力学模型切向力的合力产生转矩使风轮转动，叶片在位置角为θ时产生的转矩为dtM(Fdtlt

F)R 〔3.7〕风能利用率Cp[7]风力机输出的机械功率PC = mp 输入风轮的功率 Pw

〔3.8〕Pm为风力机输出的机械功率；Pw为风力机输入的风能。目前大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大局部是由叶片设计方计算得到的，一般在40%力机受到风向变化的影响，而垂直轴风力机可以在任何风速角下工作，因此有理由信任垂直轴风力机的利用率能够超过水平轴。Cp-λ功率特性曲线风能利用系数Cp风速之比叫做叶尖速比λ〔将在第3.2.4Cp-λ3-73-7Cp-λ曲线图7.5Cp值有一个最大值，实际风力机一般都达不到这么高的风能利用率，所以我们先初定叶尖速比在λ=6，风能利用率Cp=0.4Cp-λ图还需依据具体的风力机叶片试验及攻角调整来确定。贝茨极限AlbertBetz成的，而是由于流管不得不在致动盘上游膨胀，使得自由流速比在圆盘处小，贝茨极限由一下微分方程得出[]dCp4(1a)(13a)0da 〔3.9〕式中a为气流诱导因子。解微分方程可知当a=1/3时，Cp最大，求得最大Cp=0.953。叶尖速比风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比，阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至38。在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。叶尖速比计算公式为Rv

60v 〔3.10〕风力机的功率及扭矩计算由省情资料库中的图像资料可以看出地区地面平均风速在4m/s～6m/s左右，如图3-8所示。3-84〔8m/s〕3-93-924风力机的额定风速依据国家标准《GBT13981-2023掠面积小于等于40m的风力机额定风速Vn6m/s～10m/s8m/s300W则风力机的输入功率为PP300750W 〔3.11〕

w C 40%p2P 2750S wv3

2.34m2 〔3.12〕1.2583，W；ρ为空气密度，kg/m31.25kg/m3；S轮的扫风面积，m2；v，m/s。750W2.34m28m/s1H，D由HD2.34H1D风力机转矩[10]：TP0.5C

8Rv2 23 0.53.141.250.40.83 4.3Rv2 2 P 6叶片选型的设计目标主要有：良好的空气动力外形；牢靠地构造强度；合理的叶片刚度；良好的构造动力学特性和启动稳定性；耐腐蚀、便利修理；满足以上目标前提下，尽可能减轻叶片重量，降低本钱。NACASERI列、NRELRISΦFFA-WNACA适合低速运行[11]叶片实度风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积〔风轮扫掠面积〕之比称为实度比〔容积比是风力机的一个参考数据。垂直轴风力机的叶片实度计算公式为：NCL/2RLNC/2R 〔3.12〕用最低。为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有以下要求：升力系数斜度大；阻力系数小；阻力系数与零升角对称。NACA0012NACA00123-10NACA00123-11c长〔1.00x〔单位是x/cyx〔y/c。3-11NACA00120.5～0.6C2R

20.80.6

0.24mN 4 〔3.13〕本次设计承受的叶片弦长0.24m，数据只需将表中各数字适当缩放即可[5]叶片外形及材料O型主梁构造制造简洁，各向受力均衡。叶片空心处用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如图3-123-12叶片剖面3.1额定风速平均效率叶尖速比设计功率额定风速平均效率叶尖速比设计功率8m/s40%6300W根本原理法拉第电磁感应原理磁通量的变化将产生感应电动势，闭合电路的一局部导线切割磁感线将产生感应电流，有回路没有感应电流，感应电动势照旧存在。法拉第电磁感应定律可用以下公式表示：eNd 〔4.1〕dt其中：e为感应电动势，Nd为磁通量变化量。导线切割磁感线产生的感应电动势可用以下公式表示：pUm

sin(t)Im

sin(t) 〔4.2〕BL,v相位角及功率因数瞬时电压及瞬时电流由以下公式得到：muU sin(t) 〔4.3〕mUm

Im

iI sin(t)m

〔4.4〕瞬时功率为：

m pU sin(t)I sin(t) m 在一个周期对瞬时功率积分获得平均功率：UP pIpU

cosavg

2 〔4.6〕3对于三相电流，每相电流等于 的线圈电流，实际产生的功率为：3Pavg

UIcos 〔4.7〕式中cos即为功率因数。转扮装置直驱式永磁同步发电机永磁同步发电机适合离网型风力发电系统承受，由于发电机转子直接由风轮驱动，因此不需要安装升速齿轮箱，这样避开了齿轮箱产生的损耗、噪声以及材料的磨损等问题。目前FDYF阅《中国电器工程大典第九卷-电机工程》P6175.5-2，现选择发电机型号为FD-300，其4.14.1型号额定功率/W压/V重量/kg启动力矩/Nm额定电流/A发电机额定转速FD-3003002817<0.3510.7400r/min电气系统电路设计由于本人对电力掌握方面不是很了解，因此只能对现有前人的论文进展一些改动[12功4-1示。4-1系统电力掌握图永磁直驱同步发电机转子输出三相沟通电经过不控整流电路整流后对蓄电池进展充电，电子调压电路的功能除了对蓄电池充电的掌握外，还负责多余电能的卸荷。12V蓄电池接24V，24V。光电编码器的额5V，R1R2传动系统构造设计及计算传动轴的设计主传动轴只承受扭矩，不受弯矩，按空心主轴扭转强度估算主轴最小直径：3P3Pn314d314

〔4.8〕nr/min；P，kW；d1

与外径d的比值，α=d/d。15-1-1945A110，功率750W，n400/min。代入式(4.8)后得到d110依据主轴扭转刚度计算直径：

130.754003130.75400310.64

〔4.9〕dB4

P 1n 314 〔4.10〕B5-1-20》选取，查阅《机械设计5-1-20》得一般传动时B91.5，0.75kW，主轴n400/min,代入式(4.10)后得到d91.54

0.75400

1410.64

〔4.11〕5-1-22，7%，d=21.1mm。为了安全，我们选择d=30mm，d=18mm，454-214-2主轴示意图校核主轴安全系数，主轴转矩为2T0.5CR3v2P

3020.53.141.250.40.83只考虑扭拒作用时的安全系数为

60.3Nm6 〔4.12〕KS K

1a

m〔4.13〕其中

-15-1-11115K为扭转时的有效应力集中系数，见《机械设计手册单行本轴-5-1-30～5-1-32K1.8为外表质量系数，一般用《机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-365-1-35》或《机械设计5-1-370.44为扭转时的尺寸影响系数，见《机械设0.89； 为扭转应力的应力幅和平均应力，a m Tm a 2Zp

60.324.94

6.1； 为5-1-330.21将各数据代入公式后得KS K

1a m

1.8

1556.10.216.1

5.3依据调质45钢 /s b

0.55〔机工版〕2195得安全系数为5.0，因此设计的主轴满足要求。轴承的计算及选型能够承径向力，同时能够承受肯定的径向载荷，因此在主轴上安装两个角接触球轴承。11的安装位置如图4-3所示。承4-31承》选择角接触球轴承36000型代号7000C,之所以选用接触球轴承是考虑到主轴在转动时有可能产生径向14.2dD轴承代极限转速额定动负荷dD轴承代极限转速额定动负荷C额定静负荷重量r号r/min〔Cor滑〕30mm55mm7006C950011.65kN8.49kN0.11kg

F〔m

+m +8m 〕ga 叶片

支撑架 轴

叶片支架=15kg9.8N/kg147N径向载荷依据最不利状况计算，依据伯努利方程，气流作用在叶片上的压力为：P0.5v20.51.2582=40Pa 〔4.14〕作用在4个叶片上的总力为Fr

PS400.37515N 〔4.15〕荷的计算公式为PXFr

YFa

〔4.16〕28·3-2》得：由于F/C 0.147/8.490.017a orF/F0.102a r所以应中选择X=0.44，Y=1.47，代入式子得到PXFr

YFa

0.44151.47147222.69N轴承根本额定动载荷按如下公式计算：Cfhf

fmfdPfnTCNfn

6-2-9》fm

为力矩载荷因数，力矩载荷较小时取1.5，较大时取2，这里选取2；f为冲d击载荷因数，按《机械设计手册单行本-轴承表6-2-10》选取1.2；fT

为温度因数，按《机6-2-111；fh为当量动载荷。将各个数据代入式〔4.13〕得：5.8521.2

为寿命因数，按《机械设计手册单行本-轴承C 0.4051

0.2226919.5NCr2．22的安装位置如图4-4所示。轴承4-42轴承6-2-8236105〔7005C4.3dD轴承代极限转速额定动负荷dD轴承代极限转速额定动负荷C额定静负荷重量r号r/min〔Cor滑〕25mm47mm7006C120239.38kN7.73kN0.074kg依据轴承1校核公式〔4.15〕对轴承进展校核：FPS400.37515NrF〔ma 叶片

+m支撑架

+m 主轴=15kg9.8N/kg147N轴承担量动载荷按公式〔4.16〕得：PXFr

YFa28·3-2》得：由于F/C 0.147/6.530.0225a orF/F0.102a r所以应中选择X=0.44，Y=1.40，代入公式〔4.16〕得到PXFr

YFa

0.44151.40147212.4N由《机械设计根底〔第五版〕公式16-3》计算轴承寿命：TL 106(fT

C) 〔4.17〕h 60n fPd式中：fT

为温度因数，按《机械设计手册单行本-轴承表6-2-11》选取1；fd

为冲击载荷因6-2-101.2；CC=9.38kN；N主轴额定转速，n=400r/min；3。将各数据代入式子后得) )TL ) )T

C 106 9380

2.07106hh 60n fd

P 604001.2212.46-2-12100000要求。主轴与发电机之间用圆锥销套筒联轴器进展连接，如图4-5所示，联轴器具体参数见图纸。4-5圆锥销套筒联轴器刹车装置刹车装置原理目前应用的制动器有外抱块式制动器(简称：块式制动器)、蹄式制动器(简称：蹄式制动器)、带式制动器、盘式制动器、载荷自制制动器等等，它们的工作原理都是利用摩擦力使致FDB-1-1005-15-1要求在十二级风速〔约30m/s〕时能够有效制动，下面通过计算力矩来选择制动器v30m/s1.205kg/m3R0.8m6C 0.4p由公式〔4.12〕得2T0.5CR3v2P T0.53.141.250.40.83

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60.3Nm制动器所选型号为FDB-1-100，其根本参数如表5.1所示。型号制动盘直径静摩擦转矩动摩擦转矩功率[24VDC](W)at20℃型号制动盘直径静摩擦转矩动摩擦转矩功率[24VDC](W)at20℃kg/mmN/m/N·mFDB-1-1001609080353.45制动器的闭合是通过主轴上面的一个光电编码器来实现掌握的，光电编码器收集主轴转速数据，主控电路中的单片机对数据进展计算，当转速到达某值时，单片机输出数字信号，5-2所示。5-2制动器示意图制动器外形尺寸如表5.2所示(/mm)。5.2制动器外形数据AC1C2C3DEHJKLMPYmabt1601901758030652664423811.582-M80.3(-1)73.3刹车构造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〔4.12〕得Tv 0.ep

T0.5CR3v2P 2909060.53.141.250.40.83R336.7m/s13他部件，制动器必需在转速超动身电机允许围时马上动作，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5-3直接与电机轴协作，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。5-3光电编码器IHA803030mm5.3电源电压DC+5±5%最大机械转矩4000rpm输出电压电源电压DC+5±5%最大机械转矩4000rpm输出电压抗震力50m/s2,10～200HZ,xyz≤0.3V2h续上表消耗电流≤180mA抗冲击980m/s2,6ms,xyz2响应频率0～100KHZ防护防水、防油、防尘IP54输出波形方波工作寿命MTBF≥50000h〔+25℃，20230rpm〕载空比0.5T±0.1T工作温度-10℃～70℃启动力矩5×10-2Nm储存温度-30℃～85℃转动惯量4×10-5kgm2工作湿度30~85%〔无结霜〕轴最大负荷40N30N重量0.6kg格外有利。塔架的设计支撑件受力分析vS40Cr1448mm，我们考虑最坏状况，即气流直接作用于静止的vS5-4等效受力图依据流体力学伯努利方程，作用于平板上的正压力为：P12

v2

0.51.25302562.5PaFPS562.50.375211N40Cr5-5中间支撑杆5-5中间支撑杆中间支撑杆5-6支撑杆受力简图杆受弯矩为

TFL/22110.742157ND3W (1 4)32

3.140.033(10.874)32

〔5.1〕1.13106Dm；α=26/30=0.87

(

M157max) 138.9MPa 〔5.2〕157max WZ

1.13106查《机械设计手册单行本-常用工程材料表3-1-940Cr合金钢的许用应力为[980MPa，所以能够满足强度要求。b拉索的受力计算120°，60°，5-75-7拉索的布置按最不利原则，风速方向与y轴平行，受力如图5-8所示。由图5-8可得到下式：

5-8单根拉索受力分析2fcos30cos60=Ff F 2cos30cos60。

211243.6N2 312 2查《机械设计手册》起重机局部可得如表5.4所示。钢丝绳公称直径材料近似质量钢丝公称抗拉强度/MPa钢丝绳公称直径材料近似质量钢丝公称抗拉强度/MPa钢丝绳最小破断拉力/KNd/mm2钢芯钢1.55kg/100m14702.11丝绳钢丝绳数据目前市场上能够买得到的钢绳成品有很多，力森钢丝绳生产的6×7类钢丝弯成环状与钢丝绳套环连接。蓄电池和选型蓄电池的种类及工作根本原理电化学电池是一种把氧化复原反响所释放出来的能量直接转变成低电压直流电能的装Pb，PbO2铅酸蓄电池广泛应用于各个行业，电池价格廉价，为镉镍蓄电池的1/6；高倍率放电性能良好，可用于引擎启动，多用于汽车发动机的启动；电池电压在使用蓄电池中最高，可到达来作为储能原件[13]。蓄电池选型松下蓄电池生产的LC-P12100ST5.5所示。5.5电池类型100AH阀控密闭铅酸蓄电池使用产品UPS容量100AH电压12V其他特征407×173×210mm箱体的设计箱体要有肯定的重量才能防止让整个系统重心比较低，起到稳定的作用。