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關(guān)于垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究——文獻(xiàn)綜述
摘要:隨著不可再生能源的消耗，人們逐漸被能源危機(jī)的陰影所困擾。于是人們想到以風(fēng)力發(fā)電作為補(bǔ)充能，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)面世了。相比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有著啟動(dòng)風(fēng)力小，風(fēng)能利用率高，故障率小，低噪音等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文就垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析，總結(jié)國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展概況。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)組成，工作原理，優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、引言
在如今化石能源不斷消耗日益減少的時(shí)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脑偕鍧嵞茉碵1]。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(jì)力量總額是大大超過(guò)目前人類(lèi)利用來(lái)自所有來(lái)源，并且在操作過(guò)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(jī)種類(lèi)很多，但總體的歸納起來(lái)分為2種：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。水平軸風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)和風(fēng)向平行，具有對(duì)風(fēng)裝置，能隨風(fēng)改變而轉(zhuǎn)動(dòng)。垂直軸的風(fēng)輪一般垂直地面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且無(wú)需對(duì)風(fēng)，減少了風(fēng)輪對(duì)風(fēng)是的陀螺力[3]。目前，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)水平要高于垂直軸，風(fēng)力機(jī)大部分都是水平軸，但水平軸風(fēng)力機(jī)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(zhuān)利大多為國(guó)外公司所有，對(duì)國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展極為不利，垂直軸風(fēng)力機(jī)其設(shè)計(jì)方法先進(jìn)，風(fēng)能利用率高，啟動(dòng)速度低，基本不產(chǎn)生噪音等有點(diǎn)，被人們認(rèn)識(shí)和重視，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
2.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基本知識(shí)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置主要由葉片、調(diào)速機(jī)構(gòu)、低速軸、齒輪箱、剎車(chē)、高速軸、發(fā)電機(jī)、調(diào)向結(jié)構(gòu)、臺(tái)架、塔架構(gòu)成[4]。風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的動(dòng)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(dòng)軸，并通過(guò)低速軸，增速箱，高速軸等部件，將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，最后驅(qū)動(dòng)高速發(fā)電機(jī)發(fā)電。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)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(wú)污染，零排放，只需要大約3m/s的微風(fēng)，就能開(kāi)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(guó)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(tái)自動(dòng)運(yùn)行且用于發(fā)電的風(fēng)力機(jī)[6]。
1891年，丹麥的Poul la Cour（1846-1908）制造了用來(lái)發(fā)電的風(fēng)力機(jī)，并建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)的風(fēng)洞，發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)少，轉(zhuǎn)動(dòng)越快的風(fēng)力機(jī)在發(fā)電是比轉(zhuǎn)速低的分離機(jī)效率高得多[6]。
1920年至1930年，丹麥約有120個(gè)地方公用事業(yè)擁有風(fēng)力發(fā)電，單機(jī)容量一般為20~35KW，總裝機(jī)容量約為3MW[6]。
直至20世紀(jì)20年代才出現(xiàn)了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(jī)，命名為薩窩紐斯型風(fēng)力機(jī)，是一種S型風(fēng)輪[6]。
1927年，由法國(guó)工程師達(dá)理厄（G.J.M.Darrieus）發(fā)明了達(dá)理厄型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)。達(dá)理厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)種類(lèi)很多，如H型、Δ型、◇型，φ型，其中以H型和φ型最為典型。厄爾里風(fēng)力機(jī)組轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)慣性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，但是啟動(dòng)性能差，需要啟動(dòng)機(jī)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(tái)大型的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(tái)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)[6]。
1950年，丹麥的Vester Egesborg開(kāi)發(fā)了世界上第一臺(tái)交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)，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(jī)，這是當(dāng)時(shí)世界上最大功率的交流風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并在不需維護(hù)的情況下運(yùn)行了11年之久[6]。
20世紀(jì)80年代，歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)概念出現(xiàn)了多元化格局。至90年代，單機(jī)容量不斷增加，300KW、500KW、600KW、750KW風(fēng)力發(fā)電機(jī)成為主流機(jī)型[6]。
2.3 發(fā)展趨勢(shì)
風(fēng)能資源儲(chǔ)備量大，全球風(fēng)能資源總量達(dá)2.47×109兆瓦，其中可利用的風(fēng)能為2×107兆瓦，裝機(jī)容量可達(dá)10TW，每年可發(fā)出電力13PWh。比地球上可開(kāi)發(fā)利用的水能總量還大10倍[7]。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大，面積廣開(kāi)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(kuò)大范圍和領(lǐng)域。2006年7月22日，中國(guó)垂直軸風(fēng)力試驗(yàn)基地在內(nèi)蒙古化德縣正式啟動(dòng)，是我國(guó)自主研發(fā)，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新星風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，目前，50KW小樣機(jī)組已建成投入 運(yùn)行開(kāi)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的1.5MW垂直軸永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制成功，并在張家口風(fēng)電場(chǎng)安裝運(yùn)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(jī)，他改變了“攻角”技術(shù)，達(dá)到了最大風(fēng)能利用率[9]。
3、結(jié)束語(yǔ)
相比水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以用先進(jìn)的計(jì)算流體力學(xué)方法，能精確的分析流體過(guò)程。而且垂直軸風(fēng)力機(jī)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(lái)風(fēng)，無(wú)需轉(zhuǎn)向裝置，充分利用風(fēng)能，發(fā)電效率高達(dá)70%以上，并且能抵抗12-14級(jí)臺(tái)風(fēng)，低噪音，故障率低，風(fēng)機(jī)接近地面，更加利于維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)電曲線(xiàn)飽滿(mǎn)。無(wú)論是風(fēng)電場(chǎng)還是中小型獨(dú)立用戶(hù)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)必定被大量應(yīng)用。
綜上所述，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的總體設(shè)計(jì)，電路系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其他部位設(shè)計(jì)將成為本畢業(yè)實(shí)際主要研究方法，通過(guò)各種文獻(xiàn)和書(shū)籍參考比較，從中選擇出幾個(gè)合理的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)方案，再計(jì)算比出啟動(dòng)性能穩(wěn)定，發(fā)電效率高，噪音小，成本低廉的設(shè)計(jì)方案，
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是通過(guò)比較葉片實(shí)度、形狀和材料設(shè)計(jì)葉片，根據(jù)電路系統(tǒng)挑選發(fā)電機(jī)類(lèi)型，設(shè)計(jì)合理的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)軸、軸承，設(shè)計(jì)塔架、蓄電池、箱體外形等，最后通過(guò)比較數(shù)據(jù)，優(yōu)化，設(shè)計(jì)出最合理的設(shè)計(jì)方案。
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