【正文】 （）在風力的作用下，葉片在攻角α時受到的升力和阻力可以按以下公式計算： （） （）將升力和阻力投影到風輪切方向： （） （）其中Flt為Fl在切向的分量；Fdt為Fd在切向的分量。阻力型風力機利用葉片上受到的阻力來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，大部分阻力型風力機為垂直軸，目前較少，如圖34所示。圖31 水平軸風力發(fā)電機垂直軸風力機的旋轉(zhuǎn)主軸與風向垂直，如圖32所示，垂直軸風力機設計簡單，風輪無需對風，其優(yōu)點有：，無需對風；，檢修維護方便。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。湍流往往是有這兩種原因相互作用形成的。圖14 德化縣50kW垂直軸風力機第二章 風力發(fā)電基本原理 風特性 風能量空氣的流動現(xiàn)象稱為風，風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，風的能量就是空氣分子的動能，如圖21所示。隨著計算科學的飛速發(fā)展，垂直軸風力機的優(yōu)異空氣動力性能（尤其是達里厄風力機）漸漸為世人所認識，近年來廣泛受到各國研究人員的關注。目前我國風能資源開發(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)技術可開發(fā)量約為50104MW，居全國之首[2]如圖12所示。由于石油價格突然上漲，美國開始建造一系列示范風力機組，如1975年的功率100KW、。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)記錄了早期的風力機發(fā)展史。小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)設計方案第一章 緒論 國內(nèi)外風力發(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)境污染日趨嚴重，開發(fā)新型能源成為各國經(jīng)濟發(fā)展的關鍵，目前可再生能源有太陽能、風能、地熱能等。1931年，蘇聯(lián)制造了一臺100KW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風力機；19世紀50年代早期，英國制造了一臺100KW、直徑24m的Andrea Enfield(安德魯恩菲)風力機。目前世界上最大的風力發(fā)電機是德國制造的E126，高達120m，風輪直徑126m，每片重18t，裝機功率達到5MW[1]，如圖11所示。 圖12 全年平均風能密度分布在國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風電裝備國產(chǎn)化等相關政策的支持下，我過風電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國（不含臺灣?。┬略鲲L電裝機10129臺，年同比增長124%；累計風電裝機21581臺，年同比增長114%。國外較大的風力發(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。圖21 空氣流的動能風功率計算公式為聯(lián)立以上各式得 （）從式（）容易看出風速對風能的影響是最大的，因此在沿海地區(qū)設計風力機時必須要考慮強臺風對設備的影響。湍流無法用簡單的數(shù)學公式完整的表達出來，其復雜程度超出了人類現(xiàn)有的認識能力。 風力發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架小型垂直軸風力發(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32 垂直軸風力發(fā)電機按照槳葉受力方式分類可分為升力型風力機和阻力型風力機。圖33 升力型風力發(fā)電機圖34 阻力型風力發(fā)電機垂直軸升力型風力機既有垂直軸風力機結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，又和升力型風力機一樣具有較高轉(zhuǎn)速，風能利用率有所提高。葉片受力分解如圖36所示[6]。 Cpλ功率特性曲線風能利用系數(shù)Cp一般是變化的，它隨著風速與風輪轉(zhuǎn)速變化而變化，葉片尖端線速度與風速之比叫做葉尖速比λ（），為了得到最佳的風能利用率，一般根據(jù)Cpλ曲線來選擇合適的葉尖速比，如圖37所示。 葉尖速比風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比，升力型風力機葉尖速比一般為3至8。圖39 廈門某日24小時風速監(jiān)測圖風力機的額定風速按照國家標準《GBT 139812009 小型風力機設計通用要求》：風輪掃掠面積小于等于40m2的風力機額定風速Vn在6m/s～10m/s，我們將風力機的風速暫定為8m/s。由得到H=，D=，產(chǎn)生的掃掠面積基本上能符合要求。 葉片實度風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積（風輪掃掠面積）之比稱為實度比（容積比），是風力機的一個參考數(shù)據(jù)。如圖310所示三種翼型的阻力系數(shù)，可以看出，NACA0012的阻力系數(shù)較小，適用于大雷諾數(shù)的情況，具有上述特性，故選用較低阻力系數(shù)NACA0012對稱翼型。 葉片形狀及材料葉片截面結(jié)構(gòu)為主梁蒙皮式，表面材料為鋁合金，主梁采用單向承載能力強的硬鋁材料，O型主梁結(jié)構(gòu)制造簡單，各向受力均衡。 風力機參數(shù)額定風速平均效率葉尖速比設計功率8m/s40%6300W第四章 電氣設備及傳動設計 基本原理 法拉第電磁感應原理磁通量的變化將產(chǎn)生感應電動勢，閉合電路的一部分導線切割磁感線將產(chǎn)生感應電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應，之后許多科學家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認為感應電流是由與導體性質(zhì)無關的感應電動勢產(chǎn)生的，即使沒有回路沒有感應電流，感應電動勢依然存在。瞬時功率為： （）在一個周期內(nèi)對瞬時功率積分獲得平均功率： （）對于三相電流，每相電流等于的線圈電流，實際產(chǎn)生的功率為： （）式中即為功率因數(shù)。功率控制部分設計限于知識水平本人無法所有完成，只能大概敘述基本工作原理，如圖41所示。 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計及計算 傳動軸的設計主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強度估算主軸最小直徑：