小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案(已修改)
2025-05-25 23:47 本頁面
【正文】 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案第一章 緒論 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢隨著能源緊缺及化石燃料對環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，開發(fā)新型能源成為各國經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵，目前可再生能源有太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。風(fēng)能發(fā)電是目前為止技術(shù)最為成熟，歷史最為悠久的發(fā)電方式，是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?，有可能成為重要的替代能源。?3世紀(jì)起，水平軸風(fēng)車產(chǎn)業(yè)就成為了農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的主要部分，而利用風(fēng)力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀(jì)晚期，美國的Brush研制了第一臺12kW的直流風(fēng)力機。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)記錄了早期的風(fēng)力機發(fā)展史。1931年，蘇聯(lián)制造了一臺100KW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風(fēng)力機；19世紀(jì)50年代早期，英國制造了一臺100KW、直徑24m的Andrea Enfield(安德魯恩菲)風(fēng)力機。1956年，丹麥建造了一臺200KW、直徑24m的Gedser(蓋瑟)風(fēng)力機，、直徑35m的風(fēng)力機。在德國，Hutter(胡特)于19世紀(jì)50年代和60年代建立了一些新型的風(fēng)力機。由于石油價格突然上漲，美國開始建造一系列示范風(fēng)力機組，如1975年的功率100KW、。目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機是德國制造的E126，高達(dá)120m，風(fēng)輪直徑126m，每片重18t，裝機功率達(dá)到5MW[1]，如圖11所示。 圖11 Enercon的E126型風(fēng)力發(fā)電機我國風(fēng)能資源豐富，根據(jù)第三次風(fēng)能普查結(jié)果，我國技術(shù)可開發(fā)的陸地面積約為24104km2?？紤]到風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機組的實際布置能力，按照5MW/km2計算，陸上技術(shù)可開發(fā)量為120104MW。目前我國風(fēng)能資源開發(fā)利用的重點區(qū)域有內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、河北省、吉林省、甘肅省、新疆維吾爾自治區(qū)、江蘇省等，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)技術(shù)可開發(fā)量約為50104MW，居全國之首[2]如圖12所示。 圖12 全年平均風(fēng)能密度分布在國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風(fēng)電裝備國產(chǎn)化等相關(guān)政策的支持下，我過風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國（不含臺灣?。┬略鲲L(fēng)電裝機10129臺，年同比增長124%；累計風(fēng)電裝機21581臺，年同比增長114%。臺灣省當(dāng)年新增風(fēng)電裝機37臺，；累計裝機227臺，[3]，如圖13所示。圖13歷年我國裝機儲量 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展概況垂直軸風(fēng)力機（Vertical Axis Wind Turbine或VAWT）的風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動與風(fēng)向無關(guān)，但是由于其啟動風(fēng)速較高且功率不穩(wěn)定，其發(fā)展并不像水平軸風(fēng)力機那么迅速。隨著計算科學(xué)的飛速發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機的優(yōu)異空氣動力性能（尤其是達(dá)里厄風(fēng)力機）漸漸為世人所認(rèn)識，近年來廣泛受到各國研究人員的關(guān)注。國外較大的風(fēng)力發(fā)電公司有加拿大的Cleanfiled Energy公司，整套系統(tǒng)由玻璃鋼纖維和鋼材組成，葉輪高3m。2006年，中國垂直風(fēng)力發(fā)電機實驗基地在內(nèi)蒙古化德縣啟動運行，目前50kW小樣機組已投入運行開始發(fā)電，如圖14所示。2007年，并在張家口風(fēng)電場安裝運行。圖14 德化縣50kW垂直軸風(fēng)力機 第二章 風(fēng)力發(fā)電基本原理 風(fēng)特性 風(fēng)能量空氣的流動現(xiàn)象稱為風(fēng)，風(fēng)是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個地方向另一個地方運動的空氣分子產(chǎn)生的，風(fēng)的能量就是空氣分子的動能，如圖21所示。圖21 空氣流的動能風(fēng)功率計算公式為聯(lián)立以上各式得 （）從式（）容易看出風(fēng)速對風(fēng)能的影響是最大的，因此在沿海地區(qū)設(shè)計風(fēng)力機時必須要考慮強臺風(fēng)對設(shè)備的影響。 湍流特性湍流指的是短時間內(nèi)的風(fēng)速波動，隨著海拔、氣候、地形等變化。影響湍流的因素很多，產(chǎn)生湍流的主要原因有：。湍流往往是有這兩種原因相互作用形成的。湍流無法用簡單的數(shù)學(xué)公式完整的表達(dá)出來，其復(fù)雜程度超出了人類現(xiàn)有的認(rèn)識能力。雖然它的活動遵循一定的定律，但是人類想要用這些定律來描述湍流過程是相當(dāng)困難的，因此只能通過統(tǒng)計學(xué)來大致描述湍流。湍流風(fēng)速變化基本上服從高斯函數(shù)，風(fēng)速變動相對于風(fēng)速均值服從正態(tài)分布,湍流強度I是用來描述湍流總體水平的，計算公式如下[4]： （）式中I為湍流強度；為脈動風(fēng)速的均方根；為脈動風(fēng)速動能；為10min平均風(fēng)速。湍流強度由地表的粗糙度和高度決定，通常是在很短的一段時間內(nèi)計算得到的，如幾分鐘到一小時。 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機不需要并網(wǎng)，只要選擇合適的蓄電池就能夠提供一般家庭的生活用電，本次設(shè)計的發(fā)電系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：葉輪、發(fā)電機、傳動機構(gòu)（包括剎車）、塔架、整流、功率控制系統(tǒng)，如圖22所示。圖22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 第三章 小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電的總體設(shè)計 風(fēng)力機的種類及選擇風(fēng)力機的分類方法很多，其中按風(fēng)力機主軸布置方向可分為水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機，水平軸風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向平行，如圖31所示。水平軸風(fēng)力機組有兩個主要優(yōu)勢：，能量成本低；，有利于增加發(fā)電量。圖31 水平軸風(fēng)力發(fā)電機垂直軸風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)主軸與風(fēng)向垂直，如圖32所示，垂直軸風(fēng)力機設(shè)計簡單，風(fēng)輪無需對風(fēng)，其優(yōu)點有：，無需對風(fēng)；，檢修維護方便。圖32 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機按照槳葉受力方式分類可分為升力型風(fēng)力機和阻力型風(fēng)力機。升力型風(fēng)力機利用葉片的升力帶動旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)化風(fēng)能為電能，這種風(fēng)力機目前較為常見，大部分水平軸風(fēng)力機都屬于升力型風(fēng)力機。目前大中型風(fēng)電主要采用水平軸風(fēng)力機，屬升力型風(fēng)力機，具有轉(zhuǎn)速高、風(fēng)的利用率較高等優(yōu)點，其葉尖速比通常在4以上，最大功率系數(shù)可達(dá)50%，如圖33所示。阻力型風(fēng)力機利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，大部分阻力型風(fēng)力機為垂直軸，目前較少，如圖34所示。圖33 升力型風(fēng)力發(fā)電機圖34 阻力型風(fēng)力發(fā)電機垂直軸升力型風(fēng)力機既有垂直軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，又和升力型風(fēng)力機一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風(fēng)能利用率有所提高。由于運行過程中受力比水平軸好得多，疲勞壽命要更長。 垂直軸風(fēng)力機空氣動力學(xué)如圖35所示建立平面坐標(biāo)系，假定風(fēng)速矢量為v，葉片端線速度矢量為u，葉片所在位置夾角為θ，則葉片的平均線速度為[5] （）
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