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小型 风力 发电 机组 动力 结构设计 垂直 全套 cad 图纸

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摘要：随着国民经济的持续发展，能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活，因此人们开始把目光风能这个取之不尽、用之不竭的清洁能源，若风力发电机跟森林中的监测传感器配合，则能有效利用自然资源，实现可持续发展。本文就林内小型风力发电机叶片原有的基础上进行优缺点分析，总结国内外风力发电机的发展和现状。前言 本人毕业设计题目为小型风力发电机组动力结构设计，主要针对垂直轴风力发电机叶片部件的设计进行研究，对现有风力发电机的叶片发展历史进行总结分析，探索其优越性和可行性。本文主要查询了2000年以来的有关小型风力发电文献期刊。 主体风力发电机分为水平轴风机和垂直轴风机。水平轴风机最为典型的代表是3个叶片的荷兰风车，也是目前阶段技术最成熟，应用最广泛，占据主流市场的产品。水平轴风机主要包括叶片技术、发电机和传动技术、并网技术三大部分。其中叶片技术是其核心部分，叶片除了靠叶素理论计算和设计外，还要靠经验对计算值进行修正，对操作人员的技术要求十分高。而我国是从20世纪80年代后期才涉足风力发电这一新兴行业，技术远远落后与世界发展水平，其研究主要是引进、吸收、消化叶片设计技术，没有自己的独立成果。到2006年底，中国进入或正在进入大型风机市场的厂商已超过20家1 ，从企业数量上看，中国的企业数量超过了全世界风机厂商数量的一倍以上，但均缺乏叶片这一核心技术的独创性。垂直轴风机，即转轴垂直于地面的风机，其历史可以追溯到几千年前，人们利用垂直轴风车进行提水。而垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚很多，知道20世纪20年代才开始出现。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机，因而导致垂直轴风机长期得不到重视。然而，随着科技日新月异和人类认识水平的不断提高，人们逐渐意识到垂直轴风机的尖速比不能大于1只适用于阻力型风机，而升力型风机的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低于水平轴，于是越来越多的人认识到垂直轴风机的发展前景，并大大提高了其研发技术，取得了突破性进展。垂直轴风力发电机呈H型，与水平轴风力发电机相比较，其优越性体现在：设计方法先进，风能利用率高，启动风速低，无噪音；除了在风电场应用以外，还可以充分利用大型建筑物的集风作用和大型建筑物顶层的空间、高度，建造风电大楼和零能耗大楼；城市公共照明和高速公路亦可以通过风、光互补方式大量应用风力发电机；具有风资源条件的企事业单位也可以大量应用H型垂直风机，比如海上钻井平台和海水淡化装置；世界风力发电现状：由于欧美国家风能资源丰富，工业技术水平领先，相对的也在风力发电领域占绝对优势。目前世界上装机容量最大的国家是美国，其次是德国、丹麦、印度。工业革命以来，发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展：1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力大电机组，安装于夏威夷群岛。同年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力大电机组，安装于魁北克省。不久之后，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰等国取得了飞速发展。到90年代，单机容量在100-200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。世界风电总装机容量1997年底为746万KW，1998年底为1015万KW，1999年底为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW，年均增长率在30%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿-4.7亿KW。中国风力发电现状：中国是发展中国家，十分重视在经济发展的同时保护环境，因此也十分重视对风能资源的开发利用。在20世纪60年代开始研究有使用价值的新型风力机，70年代后在装机容量、制造水平及发展规模上都具有突破性发展。到2004年底，中国并网风电装机容量为76.4万KW。中国已建成43个风电厂，安装了1291台风力发电机组，掌握咯风电厂运行管理的技术和经验，培养和锻炼了一批风电设计和施工的技术人才，为风电的大规模开发和利用奠定了良好的基础。2002年，我国率先开始了新型垂直轴风力发电机的研究，由部队通讯部牵头，上海某公司为研发主体，西安军电、西安交大、同济大学、复旦大学等高校的多位专家配合，在短短的一年时间里就生产出了首台新型垂直轴风力发电机。并在不到5年的时间里将功率扩展至200W100KW，处于世界领先地位。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量13803.2MW，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量25805.3MW。2009年，台湾地区新增风电机组37台，容量77.9MW；累计安装风电机组227台，容量436.05MW。垂直轴风力机：垂直轴风力机可以分为两类，一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构式S型风轮，由两个轴线错开的半圆柱形组成，其优点是启动转矩较大，缺点式由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对产生侧向推力。另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄型风力机。基本上是直叶片和弯叶片两种，以H型、型风轮为典型。达里厄风力机有着优越的空气动力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造价，近年来成为了研究重点。达里厄风力机是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如型，型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。我们准备选择垂直轴风机作为该设计的关键，其优点是在风向改变的时候无需对风。这不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力，而且传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维修。水平轴风机机仓放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，自身重达十几吨或几十吨，叶片上随机风荷载达几十吨，重心高、结构不稳定。垂直轴风力发电机的齿轮箱在底部，重心低、运行稳定、寿命长；另一方面就是其外观精美，可做成多型式的外形，体积轻巧、外观独特精美，适应各地使用；同时垂直型风力发电机也存在着或多或少的缺点，从空气动力性能发面来比较，垂直轴风力发电机不如水平轴风力发电机优越，垂直轴风力发电机的单位输出功率重量较大、转速较低。因此，它的输出一般比水平轴风力发电机小；另外有些风能利用率相对较高的垂直轴风力发电机（如达里厄风力发电机）的起动力矩小，需要其它风轮帮助起动，或用电网中的电起动。而一些容易起动的垂直轴风力发电机（如S型风力发电机），它的风能利用率却较低。因此，垂直轴风力发电机没有水平轴风力发电机应用广泛。总结风能资源是大自然赋予人类取之不尽的绿色能源，世界各国研究人员都在努力寻找各种途径，能最大限度的利用风能。随着科技的发展，水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机相继问世，并都在不同时期不同地区发挥作用。然而如何以最低造价，最小的人力物力投入而获益最多是现在值得探讨的问题，总结上文对比分析，不难发现垂直轴风力发电系统力学性能好，结构简单，成本低，是当今社会探索研发的首选，同时垂直轴风力发电机也有许多缺点需要去克服和飞跃，我们应该取其所长去其所短，不断完善并跟进这方面的技术，减少我国对能源危机的困扰。参考文献：1) 陈世坤，电机设计M，北京：机械工业出版社，20002) 张文书，三相异步电动机和发电机计算机辅助设计J，电机技术，1996,（3）3) 张希良，风能开发利用M，北京：化学工业出版社，2004 4) 刘家澄，我国风电场装机现状J，可再生能源，20005) 中国风能协会，中国风电产业现状及发展R，20066) 张显双，风能的利用M，物理世界，人民教育出版社，20047) 芮晓明, 柳亦兵, 马志勇风力发电机组设计P 中国：20101029100524.02010.8) 叶杭冶等风力发电系统的设计、运行和维护北京：电子工业出版社2010.9) David Keith.Wind Power，Carnegie Mellon Electricity Industry Center (CEIC) Seminar C，Joe DeCarolis，2002.10) Vaughn Nelson, Wind Energy, Renewable Energy and the Environment, CRC Press, 2009,.11) National Renewable Energy Laboratory (NREL). Wind Energy Resource Atlas