文献综述-垂直轴风力发电机设计

关于垂直轴风力发电机系统结构的研究——文献综述湖州师范学院机械设计制造及其自动化09283622莫昃摘要:随着不可再生能源的消耗，人们逐渐被能源危机的阴影所困扰。于是人们想到以风力发电作为补充能，垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机面世了。相比水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机有着启动风力小，风能利用率高，故障率小，低噪音等诸多优点。本文就垂直轴风力发电机的基础上进行优缺点分析，总结国内外风力发电机的发展概况。关键词：风力发电机，结构组成，工作原理，优化设计，结构设计1、引言在如今化石能源不断消耗日益减少的时刻，发展可再生能源的利用变得尤为重要。而风力是一种具有大规模发展潜力的再生清洁能源[1]。作为一种替代矿物燃料，可再生，是丰富，分布广泛，清洁，不产生温室气体的排放。能从风能中提取的经济力量总额是大大超过目前人类利用来自所有来源，并且在操作过程中，和每单位煤和天然气能源生产的装置成本相近[2]。风力发电机种类很多，但总体的归纳起来分为2种：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。水平轴风轮的旋转和风向平行，具有对风装置，能随风改变而转动。垂直轴的风轮一般垂直地面，结构设计简单，而且无需对风，减少了风轮对风是的陀螺力[3]。目前，水平轴风力发电机的技术水平要高于垂直轴，风力机大部分都是水平轴，但水平轴风力机由于结构原因，具有一些不可避免的缺陷，而且技术专利大多为国外公司所有，对国内风力发电机的发展极为不利，垂直轴风力机其设计方法先进，风能利用率高，启动速度低，基本不产生噪音等有点，被人们认识和重视，具有广泛的市场应用前景。2、风力发电机的研究现状与发展趋势2.1风力发电机的基本知识风力发电机装置主要由叶片、调速机构、低速轴、齿轮箱、刹车、高速轴、发电机、调向结构、台架、塔架构成[4]。风力发电是将风能转换成机械能的动力热能，风以一定速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩，转动轴，并通过低速轴，增速箱，高速轴等部件，将风能转变成机械能，最后驱动高速发电机发电。简单的说就是空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，从而推动叶轮旋转[5]。风力发电依靠风能，是可再生清洁能源，相比热力发电要好得多，无污染，零排放，只需要大约3m/s的微风，就能开始发电。2.2研究现状风力发电的技术始于19世纪美国的CharlesF.Bursh(1849-1929)，他在俄亥俄州克利夫兰市安装了被现代人认为的第一台自动运行且用于发电的风力机[6]。1891年，丹麦的PoullaCour（1846-1908）制造了用来发电的风力机，并建立了风力发电机实验的风洞，发现叶片数少，转动越快的风力机在发电是比转速低的分离机效率高得多[6]。1920年至1930年，丹麦约有120个地方公用事业拥有风力发电，单机容量一般为20~35KW，总装机容量约为3MW[6]。直至20世纪20年代才出现了垂直轴风力发电机，芬兰的工程师Savonius发明了典型的阻力式垂直轴风力发电机，命名为萨窝纽斯型风力机，是一种S型风轮[6]。1927年，由法国工程师达理厄（G.J.M.Darrieus）发明了达理厄型风力发电机组，是典型的利用翼型的升力做功的升力垂直轴风力发电机。达理厄风力发电机种类很多，如H型、Δ型、

型，φ型，其中以H型和φ型最为典型。厄尔里风力机组转速高，旋转惯性大，结构简单成本低，但是启动性能差，需要启动机构和离合器，提高了系统结构的复杂性和成本[6]。1941年10月，工程师PalmerC.putnamh和马萨诸塞州一些注明科学家研制了第一台大型的并网风力发电机，并在佛蒙特州的小山顶安装，风轮直径53.3m。额定输出1250KW，塔高35.6米，它可能是世界上第一台大型风力发电机[6]。1950年，丹麦的VesterEgesborg开发了世界上第一台交流风力发电机，并在1956年至1957年为SWAS电力公司在丹麦南部Gedser海岸建成了新型200KW的Gedser风力发电机，这是当时世界上最大功率的交流风力发电机，并在不需维护的情况下运行了11年之久[6]。20世纪80年代，欧洲风力发电机组设计概念出现了多元化格局。至90年代，单机容量不断增加，300KW、500KW、600KW、750KW风力发电机成为主流机型[6]。2.3发展趋势风能资源储备量大，全球风能资源总量达2.47×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦，装机容量可达10TW，每年可发出电力13PWh。比地球上可开发利用的水能总量还大10倍[7]。中国风能储量很大，面积广开发利用潜力巨大，在陆地加上近海的风力资源有16亿千瓦以上[7]。目前全球风力发电已逐步从探索走向成熟，风力发电事业也逐步扩大范围和领域。2006年7月22日，中国垂直轴风力试验基地在内蒙古化德县正式启动，是我国自主研发，拥有自主知识产权的新星风力发电机组，目前，50KW小样机组已建成投入运行开始发电[8]。2007年9月，西山瑞法水力发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[8]。麟风疯癫设备公司主导产品为H型垂直轴风力发电机，他改变了“攻角”技术，达到了最大风能利用率[9]。3、结束语相比水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机可以用先进的计算流体力学方法，能精确的分析流体过程。而且垂直轴风力机的叶片基本都是几何构型，易于加工，叶片旋转空间小，可全方位接受来风，无需转向装置，充分利用风能，发电效率高达70%以上，并且能抵抗12-14级台风，低噪音，故障率低，风机接近地面，更加利于维护保养，发电曲线饱满。无论是风电场还是中小型独立用户，垂直轴风力发电机必定被大量应用。综上所述，垂直轴风力发电机的总体设计，电路系统及传动系统设计，其他部位设计将成为本毕业实际主要研究方法，通过各种文献和书籍参考比较，从中选择出几个合理的风力机设计方案，再计算比出启动性能稳定，发电效率高，噪音小，成本低廉的设计方案，本次毕业设计的重点是通过比较叶片实度、形状和材料设计叶片，根据电路系统挑选发电机类型，设计合理的传动结构和传动轴、轴承，设计塔架、蓄电池、箱体外形等，最后通过比较数据，优化，设计出最合理的设计方案。参考文献：[1]寇微等.一种组合型垂直轴风力发电机的结构设计[J].电力科学与工程，2011，27（5）：25-28[2]HESIYUAN.Capacitycreditofwindpowergenerationproblemsandsolutions[C][3]/view/1070501.htm[4]郑云.小型H型垂直轴风力发电机气动性分析[D].西安：西安交通大学，2008：3-10[5]王辉.一种垂直轴风力发电机结构设计[J].科技信息，2010，21：99[6]赵丹平等.风力机设计理论及方法[M].北京：北京大学出版社，2012