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垂直轴风力发电机设计
摘要：本次毕业设计主要是完成垂直轴风力发电机设计。风力发电现今发展飞速，其中小型发电机组以其设备简单、成本较低、风能利用率高、启动、制动性能好等优点，得到越来越多青睐。本论文主要介绍了小型风力发电机的机械结构部分，从独立型风力发电机组的构成特点、运行特点、保护措施等各方面，介绍了实现机组无人值守全自动运行的设计思想和实施办法。
本设计利用机电一体化设计使整个系统组成简单，结构精巧，控制方便，性能可靠，应用前景广阔。
关键词：垂直轴，风力发电机，设计
Vertical axis wind turbine design
Abstract: The graduation project is mainly to complete the vertical axis wind turbine design. Wind power in rapid development, in which small generation units with its simple equipment, low cost, high wind energy utilization rate, starting, braking performance is good wait for an advantage, get more and more popular. This paper mainly introduces the small-scale wind turbine mechanical structure part, from the independent type of wind turbine characteristics, operation characteristics, protection measures and other aspects, introduced the implementation of unmanned automatic operation unit of the design idea and implementation method.
This design is the use of mechanical and electrical integration design of the whole system with simple structure, compact structure, easy control, reliable performance, wide application prospect.
Key words: Vertical axis，wind turbine， design
目录
第1章 绪论 8
第2章 风力发电机部件结构设计 11
2.1风力发电机介绍 11
2.2 垂直轴风力机空气动力学 14
2.2.1 风能利用率 15
2.2.2 Cp-λ功率特性曲线 15
2.2.3 贝茨极限 16
2.2.4 叶尖速比 16
2.2.5 风力机的功率及扭矩计算 17
2.3传动机构 17
2.3.1主轴 18
2.3.2联轴器 19
2.3.3增速箱 20
2.3.4制动器 21
2.4塔架 21
第3章 风力发电机组总体性能 24
3.1机组的构成及主要技术参数 24
3.1.1基本技术参数 24
3.1.2机舱传动总成 25
3.2工作条件及运行参数 26
3.2.1运行参数 26
3.2.2无人值守的运行过程 26
3.2.3待风状态 26
3.2.4开机与并网 28
3.2.5停机与保护 28
第4章 各附加装置的设计选取过程 30
4.1 风机轴承技术要点分析 30
4.2 制动器的设计与选取 32
4.3 高效永磁风力发电机的设计 33
4.4 联轴器的设计与选取 33
4.5 风力发电机的尾舵调向装置设计 34
结论 36
参 考 文 献 37
致谢 39
第1章 绪论
自80年代以来，风能利用的主要趋势是风力发电，最早在边远山区应用，主要有三种应用方式：（1）单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用。（2）风力发电机与其他电源联用，为海上导航系统和远距离通讯系统供电。（3）并入地方孤立小电网为乡村供电。
随着现代科学技术的迅猛发展，风力发电技术也飞速前进。以机组大型化、集中安装和控制为特点的风力场成为风力发电主要的发展方向。近20年，世界各地近30个国家开发建设了风电场，且在未来投资计划上有增无减。国外风力发电装机容量正以每年30％的速度增长。同时大幅降低了风机的故障率，实现了互联网络的中央控制和跨地区、跨国界的远程控制。世界一些著名厂商，如NORDEX，VESTAS，DEWIND等，则把目光投向小型风力发电机组，并且逐步实现了商业化运行。
我国作为风力资源极其丰富的国家，风力发电潜能巨大，风能资源的利用也历史悠久，古代甲骨文中的“帆”字存在，以及东汉刘熙著作里“随风张慢曰帆”的叙述，都说明我国是利用风能最早的国家之一，而我国对于现代风力发电机的研究始于80年代，
从“六五”开始，国家将风能的开发利用列入科技攻关计划,国家计委和国家科委分别组织了综合性风能科技攻关，内容涉及风力资源、风力机空气动力学、结构动力学、电机、控制和材料等。国务院总理温家宝在2012年5月30日主持召开的国务院常务会议，又讨论通过《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》。会议指出新能源产业要发展技术成熟的风电、核能、太阳能光伏和热利用、生物质发电、沼气等，积极推进可再生能源技术产业化。我国风电技术将会借此时机继续创造出更多的辉煌。
为了促进风电建设，有关部门出台了不少优惠政策，中国原电力部就颁布了关于风力发电场建设和管理的若干意见,要求各地电网应收购各地风电场发出的上网电力，风电上网电价按照还本付息加合理利润的原则确定。虽然后来随着电力部门的演变和国家管理体制的改革,这一政策现已无从实施,但它的出台为我国风力发电的起步奠定了重要的基础。中国政府又颁布了“关于促进可再生能源发展有关问题的通知”，提出了促进可再生能源发电项目尤其是风电的优惠政策,包括由银行安排基建贷款、银行贷款的项目给予的财政补贴、采用国产设备的风电项目给予的投资利润率优惠等。此外，风力发电的增值税率按照减半为征收，风力发电零部件和整机的进口关税也暂时按照和征收。在国务院公布的新一轮电力体制改革方案中，明确提出将制定发电排放的环保折价标准,形成激励清洁电源发展的新机制，这就为风电等来自可再生能源的电力提供了公平竞争的机会，从而会大大促进风电等清洁的可再生能源发电的发展。在电价改革方案中也特别提到，“风电、地热等新能源和可再生能源企业暂不参与市场竞争，电量由电网企业按政府定价或招标价格优先购买，电力市场成熟时由政府规定供电企业售电量中新能源和可再生能源电量的比例，建立专门的竞争性新能源和可再生能源市场”。这些规定对于尚处于初期发展阶段的我国风电产业成长将会起到重要的扶持作用。
根据全国900多个气象站陆地上离地10m高度资料进行估算，全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW。另外，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。如果陆上风电年上网电量按等效满负荷2000小时计，每年可提供5000亿千瓦时电量，海上风电年上网电量按等效满负荷2500小时计，每年可提供1.8万亿千瓦时电量，合计2.3万亿千瓦时电量，大约相当于我国目前一年的电力需求量。
(1)北部地区风能分布带。北部(东北、华北、西北)地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏和新等省/自治区近200km宽的地带。三北地区风能资源丰富，风电场地形平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国连成一片的最大风能资源区，有利于大规模的开发风电场，但是当地电网容量较小，限制了风电的规模，而且距离负荷中心远，需要长距离输电。
(2)沿海及其岛屿地区风能分布带。沿海及其岛屿地区包括山东、江苏、上海、浙江、福建、广东、广西和海南等省/市沿海近10km宽的地带，冬春季的冷空气、夏秋的台风，都能影响到沿海及其岛屿，加上台湾海峡狭管效应的影响，东南沿海及其岛屿是我国风能最佳丰富区。沿海地区经济发达，沿海及其岛屿地区风能资源丰富，风电场接入系统方便，与水电具有较好的季节互补性。然而沿海岸的土地大部份已开发成水产养殖场或建成防护林带，可以安装风电机组的土地面积有限。
(3)内陆风能分布带。在内陆一些地区由于湖泊和特殊地形的影响，形成一些风能丰富点，如鄱阳湖附近地区和湖北的九宫山和利川等地区。
(4)海上风能分布带。我国海上风能资源丰富，东部沿海水深2m到15m的海域面积辽阔，按照与陆上风能资源同样的方法估测，10m高度可利用的风能资源约是陆上的3倍，即7亿多kW，而且距离电力负荷中心很近。随着海上风电场技术的发展成熟，经济上可行，将来必然会成为重要的可持续能源。
我国较大规模地开发和应用风力发电机，特别是小型风力发电机，始于70年代，当时研制的风力提水机用于提水灌溉和沿海地区的盐场，研制的较大功率的风力发电机应用于浙江和福建沿海，特别是在内蒙古地区由于得到了政府的支持和适应了当地自然资源和当地群众的需求，小型风力发电机的研究和推广得到了长足的发展。对于解决边远地区居住分散的农牧民群众的生活用电和部分生产用电起了很大作用[2]。掌握具有自主知识产权的小型风力发电机组的关键技术，降低风电成本，从可持续发展战略的要求入手，完全符合我国现状，走这条路势在必行。
近年来，我国的风电机产业迅猛发展，但在风机整机及关键部件的设计与制造技术上与世界先进水平仍然存在一定的差距，在小型风力发电机组方面，我国从事小型风力发电机组及其配件开发研制生产的单位多达78家，年产量、总产量、生产能力、出口均位列世界之首。由于汽油、柴油、煤油价格飞涨，且供应渠道不畅通，使得小型风力发电机组用户量继续增加，根据我国风能资源开发利用的现状，以及风力发电事业的发展进步及水平来看，我国的小型风力发电，已从单纯的风力发电向多能互补方向；从单台供电向群组机组集中供电发展；从师范、试验性向高效实用性发展。
事实证明， 小型风力发电机的未来的发展方向掌握在我们的手中。小型风力发电机的技术进步是促进产业发展的根本保证。把小型风力机与太阳能电池结合
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