小型垂直轴风力发电机设计

小型垂直轴风力发电系统设计

[摘要]本文介绍了一种小型垂直轴风力发电系统的设计方案，本系统主要面向沿海高层建筑或边远地区用户。经过查阅大量文献资料结合必要的理论计算，系统采用四片NACA0012型叶片构成H型达里厄风力机，利用永磁直驱同步发电机将机械能转化为电能，经过电力电子电路对蓄电池进行充电。文中对主要支撑件和传动件进行了必要的结构校核，对所用的两个角接触球轴承进行了使用寿命校核。最后以垂直轴风轮和永磁直驱发电机为主要对象，用solidworks软件建立三维模型，设计风力发电系统主要零部件，并简要介绍其控制电路、选择蓄电池型号。

[关键字] 垂直轴风力发电机达里厄 NACA0012翼型

Design of the Vertical Axis Wind Turbine

[Abstract]This is a design of a kind of vertical axis wind turbine which was used in removed rural area or highrise in seaside city based on related theories. By consulting reference sources and necessary mathematical operation,four NACA0012 air-foil blades were used as the compoments of the H-type Darrieus. The lead-acid bettery was charged by the electrical energy which was generated by a permanent magnet synchronous motor with the operation of power electronic circuits. In this article,some constructures such as the main suppoting parts and the angular contact ball bearings were vertified on the intensity and life. By using of the solidworks2006 software,every important part has a 3D model. We also design a control circuit and bettery breifly.

[Keywords] Vertical axis Wind turbine Darrieus NACA0012 air-foil

目录

第一章绪论 (6)

1.1 国内外风力发电的发展现状及其趋势 (6)

1.2 小型垂直轴风力发电机发展概况 (7)

第二章风力发电基本原理 (9)

2.1 风特性 (9)

2.1.1 风能量 (9)

2.1.2 湍流特性 (9)

2.2 风力发电系统结构框架 (10)

第三章小型垂直轴风力发电的总体设计 (11)

3.1 风力机的种类及选择 (11)

3.2 垂直轴风力机空气动力学 (13)

3.2.1 风能利用率 (14)

3.2.2 Cp-λ功率特性曲线 (15)

3.2.3 贝茨极限 (15)

3.2.4 叶尖速比 (16)

3.2.5 风力机的功率及扭矩计算 (16)

3.3 叶片选型 (17)

3.3.1 叶片实度 (18)

3.3.2 叶片形状及材料 (19)

第四章电气设备及传动设计 (21)

4.1 基本原理 (21)

4.1.1 法拉第电磁感应原理 (21)

4.1.2 相位角及功率因数 (21)

4.2 转化装置 (22)

4.2.1 直驱式永磁同步发电机 (22)

4.2.2 电气系统电路设计 (22)

4.3 传动系统结构设计及计算 (23)

4.3.1 传动轴的设计 (23)

4.3.2 轴承的计算及选型 (25)

第五章刹车装置及其他部件设计 (30)

5.1 刹车装置 (30)

5.1.1 刹车装置原理 (30)

5.1.2 刹车结构受力计算 (32)

5.2 塔架的设计 (33)

5.2.1 支撑件受力分析 (33)

5.2.2 拉索的受力计算 (35)

5.3 蓄电池和选型 (36)

5.3.1 蓄电池的种类及工作基本原理 (36)

5.3.2 蓄电池选型 (37)

5.4 箱体的设计 (37)

5.4.1 箱体的外形设计 (37)

5.4.2 箱体的防锈与密封 (38)

结论 (39)

致谢语 (40)

参考文献 (41)

附录 (42)

引言

当前火力发电仍然是主要的发电方式，其高污染高能耗正一步步吞噬着地球脆弱的生态环境，地球急需一种环保高效的可再生能源来替代火力发电。风力发电不像火力发电那样需要大量的煤炭、水力发电那样需要建造巨大的水库，也不像核电那样需要消耗铀，它不需要燃料就可以源源不断地产生能源，建好之后除了日常的维护费用外几乎不需要其他费用支持。风力发电的用法很多，既可以并网使用也可以离网使用，可以同太阳能一起使用，也可以单独构成大型风力发电厂。风力机的种类千奇百怪，设计思路五花八门，充分发挥了人类丰富的想象力和创造力，按轴的方向分有水平轴风力机、垂直轴风力机，按驱动方式分有升力型和阻力型等等。虽然目前世界各地的大部分风场所用的风力机为水平轴的，但由于垂直轴风力机，尤其提到达里厄型风力机，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，所以近年来广泛受到各国研究人员的关注。垂直轴风力机的旋转半径可以小至一两米，也可以大到数十米，发电风速范围比较广。