垂直軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計
垂直軸風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計,垂直,風(fēng)力發(fā)電機,設(shè)計
關(guān)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究文獻綜述湖州師范學(xué)院 機械設(shè)計制造及其自動化 09283622 莫昃摘要:隨著不可再生能源的消耗,人們逐漸被能源危機的陰影所困擾。于是人們想到以風(fēng)力發(fā)電作為補充能,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機和水平軸風(fēng)力發(fā)電機面世了。相比水平軸風(fēng)力發(fā)電機,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機有著啟動風(fēng)力小,風(fēng)能利用率高,故障率小,低噪音等諸多優(yōu)點。本文就垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的基礎(chǔ)上進行優(yōu)缺點分析,總結(jié)國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展概況。關(guān)鍵詞:風(fēng)力發(fā)電機,結(jié)構(gòu)組成,工作原理,優(yōu)化設(shè)計,結(jié)構(gòu)設(shè)計1、引言在如今化石能源不斷消耗日益減少的時刻,發(fā)展可再生能源的利用變得尤為重要。而風(fēng)力是一種具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ脑偕鍧嵞茉?。作為一種替代礦物燃料,可再生,是豐富,分布廣泛,清潔,不產(chǎn)生溫室氣體的排放。能從風(fēng)能中提取的經(jīng)濟力量總額是大大超過目前人類利用來自所有來源,并且在操作過程中,和每單位煤和天然氣能源生產(chǎn)的裝置成本相近 2。風(fēng)力發(fā)電機種類很多,但總體的歸納起來分為2種:水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。水平軸風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)和風(fēng)向平行,具有對風(fēng)裝置,能隨風(fēng)改變而轉(zhuǎn)動。垂直軸的風(fēng)輪一般垂直地面,結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,而且無需對風(fēng),減少了風(fēng)輪對風(fēng)是的陀螺力3。目前,水平軸風(fēng)力發(fā)電機的技術(shù)水平要高于垂直軸,風(fēng)力機大部分都是水平軸,但水平軸風(fēng)力機由于結(jié)構(gòu)原因,具有一些不可避免的缺陷,而且技術(shù)專利大多為國外公司所有,對國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展極為不利,垂直軸風(fēng)力機其設(shè)計方法先進,風(fēng)能利用率高,啟動速度低,基本不產(chǎn)生噪音等有點,被人們認(rèn)識和重視,具有廣泛的市場應(yīng)用前景。2、風(fēng)力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.1風(fēng)力發(fā)電機的基本知識風(fēng)力發(fā)電機裝置主要由葉片、調(diào)速機構(gòu)、低速軸、齒輪箱、剎車、高速軸、發(fā)電機、調(diào)向結(jié)構(gòu)、臺架、塔架構(gòu)成4。風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機械能的動力熱能,風(fēng)以一定速度和攻角作用在槳葉上,使槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩,轉(zhuǎn)動軸,并通過低速軸,增速箱,高速軸等部件,將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械能,最后驅(qū)動高速發(fā)電機發(fā)電。簡單的說就是空氣流動的動能作用在葉輪上,將動能轉(zhuǎn)換成機械能,從而推動葉輪旋轉(zhuǎn)5。風(fēng)力發(fā)電依靠風(fēng)能,是可再生清潔能源,相比熱力發(fā)電要好得多,無污染,零排放,只需要大約3m/s的微風(fēng),就能開始發(fā)電。2.2 研究現(xiàn)狀風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)始于19世紀(jì)美國的Charles F.Bursh(1849-1929),他在俄亥俄州克利夫蘭市安裝了被現(xiàn)代人認(rèn)為的第一臺自動運行且用于發(fā)電的風(fēng)力機6。1891年,丹麥的Poul la Cour(1846-1908)制造了用來發(fā)電的風(fēng)力機,并建立了風(fēng)力發(fā)電機實驗的風(fēng)洞,發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)少,轉(zhuǎn)動越快的風(fēng)力機在發(fā)電是比轉(zhuǎn)速低的分離機效率高得多6。1920年至1930年,丹麥約有120個地方公用事業(yè)擁有風(fēng)力發(fā)電,單機容量一般為2035KW,總裝機容量約為3MW6。直至20世紀(jì)20年代才出現(xiàn)了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機,芬蘭的工程師Savonius發(fā)明了典型的阻力式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機,命名為薩窩紐斯型風(fēng)力機,是一種S型風(fēng)輪6。1927年,由法國工程師達理厄(G.J.M.Darrieus)發(fā)明了達理厄型風(fēng)力發(fā)電機組,是典型的利用翼型的升力做功的升力垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。達理厄風(fēng)力發(fā)電機種類很多,如H型、型、型,型,其中以H型和型最為典型。厄爾里風(fēng)力機組轉(zhuǎn)速高,旋轉(zhuǎn)慣性大,結(jié)構(gòu)簡單成本低,但是啟動性能差,需要啟動機構(gòu)和離合器,提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和成本6。1941年10月,工程師Palmer C.putnamh和馬薩諸塞州一些注明科學(xué)家研制了第一臺大型的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機,并在佛蒙特州的小山頂安裝,風(fēng)輪直徑53.3m。額定輸出1250KW,塔高35.6米,它可能是世界上第一臺大型風(fēng)力發(fā)電機6。 1950年,丹麥的Vester Egesborg開發(fā)了世界上第一臺交流風(fēng)力發(fā)電機,并在1956年至1957年為SWAS電力公司在丹麥南部Gedser海岸建成了新型200KW的Gedser風(fēng)力發(fā)電機,這是當(dāng)時世界上最大功率的交流風(fēng)力發(fā)電機,并在不需維護的情況下運行了11年之久6。20世紀(jì)80年代,歐洲風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計概念出現(xiàn)了多元化格局。至90年代,單機容量不斷增加,300KW、500KW、600KW、750KW風(fēng)力發(fā)電機成為主流機型6。2.3 發(fā)展趨勢風(fēng)能資源儲備量大,全球風(fēng)能資源總量達2.47109兆瓦,其中可利用的風(fēng)能為2107兆瓦,裝機容量可達10TW,每年可發(fā)出電力13PWh。比地球上可開發(fā)利用的水能總量還大10倍7。中國風(fēng)能儲量很大,面積廣開發(fā)利用潛力巨大,在陸地加上近海的風(fēng)力資源有16億千瓦以上7。目前全球風(fēng)力發(fā)電已逐步從探索走向成熟,風(fēng)力發(fā)電事業(yè)也逐步擴大范圍和領(lǐng)域。2006年7月22日,中國垂直軸風(fēng)力試驗基地在內(nèi)蒙古化德縣正式啟動,是我國自主研發(fā),擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新星風(fēng)力發(fā)電機組,目前,50KW小樣機組已建成投入 運行開始發(fā)電8。2007年9月,西山瑞法水力發(fā)電設(shè)備公司和哈爾濱發(fā)電設(shè)備研究中心聯(lián)合開發(fā)設(shè)計的1.5MW垂直軸永磁風(fēng)力發(fā)電機研制成功,并在張家口風(fēng)電場安裝運行8。麟風(fēng)瘋癲設(shè)備公司主導(dǎo)產(chǎn)品為H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機,他改變了“攻角”技術(shù),達到了最大風(fēng)能利用率9。3、結(jié)束語相比水平軸風(fēng)力發(fā)電機,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機可以用先進的計算流體力學(xué)方法,能精確的分析流體過程。而且垂直軸風(fēng)力機的葉片基本都是幾何構(gòu)型,易于加工,葉片旋轉(zhuǎn)空間小,可全方位接受來風(fēng),無需轉(zhuǎn)向裝置,充分利用風(fēng)能,發(fā)電效率高達70%以上,并且能抵抗12-14級臺風(fēng),低噪音,故障率低,風(fēng)機接近地面,更加利于維護保養(yǎng),發(fā)電曲線飽滿。無論是風(fēng)電場還是中小型獨立用戶,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機必定被大量應(yīng)用。綜上所述,垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的總體設(shè)計,電路系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)設(shè)計,其他部位設(shè)計將成為本畢業(yè)實際主要研究方法,通過各種文獻和書籍參考比較,從中選擇出幾個合理的風(fēng)力機設(shè)計方案,再計算比出啟動性能穩(wěn)定,發(fā)電效率高,噪音小,成本低廉的設(shè)計方案,本次畢業(yè)設(shè)計的重點是通過比較葉片實度、形狀和材料設(shè)計葉片,根據(jù)電路系統(tǒng)挑選發(fā)電機類型,設(shè)計合理的傳動結(jié)構(gòu)和傳動軸、軸承,設(shè)計塔架、蓄電池、箱體外形等,最后通過比較數(shù)據(jù),優(yōu)化,設(shè)計出最合理的設(shè)計方案。參考文獻:1寇 微等. 一種組合型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計J.電力科學(xué)與工程,2011,27(5):25-282HE SIYUAN. Capacity credit of wind power generation problems and solutionsC3http:/baike.baidu.com/view/1070501.htm4鄭 云. 小型H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機氣動性分析D.西安:西安交通大學(xué),2008:3-105王 輝. 一種垂直軸風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)設(shè)計J.科技信息,2010,21:996趙丹平等. 風(fēng)力機設(shè)計理論及方法M.北京:北京大學(xué)出版社,2012:1-297田海蛟.等 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展概述J.應(yīng)用能源技術(shù),2006(11):22-278孫云峰等.垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展概況及趨勢J.農(nóng)村牧區(qū)機械化,2008(2),75:42-449嚴(yán) 強等. 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展趨勢和應(yīng)用J.上海電力,2007,2:166-167
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