小型家用风力发电机设计

第一章 概述
1.1 风力发电机概况
风能的利用有着悠久的历史。

近年来, 资源的短缺和环境的日趋恶化使世界各国开始重视开发和利用可再生、且无污染的风能资源。

自80年代以来, 风能利用的主要趋势是风力发电。

风力发电最初出现在边远地区, 应用的方式主要有: 1) 单独使用小型风力发电机供家庭住宅使用; 2) 风力发电机与其它电源联用可为海上导航设备和远距离通信设备供电; 3) 并入地方孤立小电网为乡村供电。

随着现代技术的发展, 风力发电迅猛发展。

以机组大型化(50kW ～ 2MW )、集中安装和控制为特点的风电场(也称风力田、风田) 成为主要的发展方向。

20 年来, 世界上已有近30 个国家开发建设了风电场(是前期总数的3 倍) , 风电场总装机容量约1400 万kW (是前期总数的100 倍)。

目前, 德国、美国、丹麦以及亚洲的印度位居风力发电总装机容量前列, 且未来计划投资有增无减。

美国能源部预测2010 年风电至少达到国内电力消耗的10%。

欧盟5 国要在2000～ 2002 年达到本国总发电量的10%左右, 丹麦甚至计划2030 年要达到40%。

中国是一个风力资源丰富的国家, 风力发电潜力巨大。

据1998 年统计, 风力风电累计装机22.36万kW , 仅占全国电网发电总装机的0.081% , 相对于可开发风能资源的开发率仅为0.088%。

中国第一座风力发电场于1986 年在山东荣成落成, 总装机较小, 为3×55kW 。

到1993 年我国风电场总装机容量达17.1MW , 1999 年底, 我国共建了24 个风力发电场, 总装机268MW 。

我国风力发电场主要分布在风能资源比较丰富的东南沿海、西北、东北和华北地区, 其中风电装机容量最多的是新疆已达72.35kW 。

在未来2～ 3 年内, 我国计划新增风电场装机容量将在800MW 以上, 并且将会出现300～ 400MW 的特大型风力发电场。

1.2 风力发电机的研究现状
1.2.1 国外风力发电机的研制情况
美国从1974年起对风能进行系统的研究，能源部对风能项目的投资累计已达到25亿美元。

许多著名大学和研究机构都参加了风能的研究开发，目前己安装了8个巨型风力发电机组。

到19%年末，风力发电总装机容量己达到170x 410kw ，所提供的电力占全美电力需求量的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亚州。

美国国会己通过了能源政策法，在能源部的规划下，将会改变风力发电集中于加利福尼亚的局面，在年平均风速达5.6m/s 的中西部12个州将建风力电站。

据能源部预测，在未来15年内，风电将增加6倍。

在今后2年内，在怀俄明、伊阿华、明尼苏达、得克萨斯、佛蒙特、缅因州等修建大型风电场，这些风电场将使美国风力发电能力再增加40x 410kw ，预计到2010年，风力发电总装机容量将达到630x 410kw ，可满足全美电力需求量的25%。

德国是欧洲风力发电增长最快的国家，近年风力发电量急增，尤其沿海各州，风力发电发展迅速，己超过丹麦，成为世界第二。

到1995年己建成1035座风力发电装置，装机容量49.4x 410kw ，1996年新装机约950座，装机容量为48x 410kw ，到19%年底德国己拥有4500座风力发电装置，总装机容量达到约160x 410kw ，1997年估计可增加5x 410kw ，可为20多万个家庭提供日常用电。

这些风力发电装置中的1600个是政府投资建设的。

装机容量超过1OO0kW 的风电场有250个，300OkW 的最大风电场已投入使用，发电能力63x 410kw ，西部5x 410kw 风
力发电计划可望在2一3年内完成，并投入运行。

德国80%的风力发电装置都是安装在沿海地区，沿海各州已拟订其风力发展规划，下萨克森州计划到2005年，将风力发电能力增至13Ox 410kw ，斯雷苏比克一霍尔斯泰因州议会决定到2010年建设120x 4
10kw 风力发电设备，要求该地区配电公司、Schleswag 电力公司大力配合，该公司管辖区内的风电场装机已达33.7x 410kw ，该公司也得到IPP(独立系统发电业者)大力协助，预定进行198x 410kw 风电场的建设。

丹麦是风力发电先进国家之一，它将风力发电作为国策，已有风力发电站近4000座，总装机容量73x 410kw ，发电总量达到634x 610w ，相当于一个中等规模的核电站发电量，占全国能源总消耗量的3.7%。

丹麦政府在“能源2000计划”中规定，到2005年，风力发电目标为150x 410kw ，相当于国内电力消费量的10%，到2020年，风力+PV+波力确保电力需要的25%，现在计划有减缓的倾向。

环境厅对各自治体提出要求，要求他们单独提出风力发电装置建设计划，预计未来10年风力发电量将达到1500610⨯w 。

荷兰1986年开始实施风力发电研究，开发5年计划NOW 和引入风力发电5年计划IPW 。

目标为1991年末总装机容量达到5⨯410kw ，但计划没达到预定目标，只达到4.9x 410kw ，318座，发电总量5.5x 410kw ·h ，其后决定实施1991一1996年目标为40x 410kw 的TWI 五年计划。

计划目标是1994年末风力发电能力达到14.4x 410kw ，629座，发电量为24.7x 410kw.h ，为荷兰总发电量的1.2%。

到1996年末，风力发电装机容量己达到3zx 410kw ，2000年为50x 410kw 。

英国英伦三岛的风力资源相当丰富，特别是苏格兰是世界风力资源最丰富的地区之一。

英政府历来重视风能等非化石燃料的开发，目前英国己有20多个风电场投入运行，到19%年总装机容量己达到26.4x 410kw ，2000年达到80x 410kw 。

瑞典从七十年代开始风力发电的开发，经过20多年的努力，己成为该领域的领先者之一，到19%年底，装机容量己达到9.5x 410kw 。

220多座风力发电站，大部分位于南部地区和波罗的海的厄兰岛及哥德兰岛上，哥德兰岛的风力发电量可保证全岛68%的能源需求。

为了更充分地利用风力资源，瑞典成立了包括一系列电力供应公司的专门财团，目标是在近几年内使风力发电量增加4倍。

瑞典由于场地问题，致力于海洋风力发电。

由于建设费和与输电的连接费用高，所以规模有大型化的倾向。

1.2.2 国内风力发电机的研制情况
1.2.2.1 我国风力发电概况
中国利用风能己有悠久的历史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前东汉刘熙著作里有“随风张慢曰帆”的叙述，说明我国是利用风能最早的国家之一。

1637年明崇帧十年《天工开物》书里有“扬郡以风帆数页，侯风转车，风息则止”的记载，表明在明代以前，我国劳动人民就会制作将线运动转变为风轮旋转运动的风车，在风能利用上前进了一大步。

我国东南沿海向来有风力提水的使用习惯，江苏省1959年曾有多达20余万台提水风车，后来大部分风车被柴油、电力所取代，但部分地区一直使用风力提水。

50年代中期曾研制小型现代化风力提水装置，50年代后期开始研究小型风力发电机组，但限于当时技术经济条件，小型机组在试验中受挫而停顿。

至70年代，先后试制了1、2、10、12、18、20千瓦样机，其中18千瓦机组于1972年7月安装在浙江省绍兴县雄鹅峰上，1976年11月迁装到底泅县菜园镇运转发电，一直运行到1986年8月。

1978年将研制风电设备列为国家重点科研项目后，进展加快，先后研制生产了微型和1一200千瓦风电机组，其中以户用微型机组技术最为成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型机组系列定型和批量生产，产品质量良好，不但可满足国内需要，还远销国外。

1998年底，全国安装微型机组178574台，约计1.7万千瓦，还有独立供电机组，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦机组，以销定产小批量生产。

在网外无电地区，推广微型、小型风电机组，是解决无电农牧民用电的有效途径，有其独特的优越性，也是中国发展微型、小型风电机组的特色。

在网外地区利用风柴蓄联合发电系统，能获得稳定的电力，又有明显的节油效果，发展该系统，将促进风力从为生活服务转向为生产提供电力，从而跨上一个新水平。

风/光互补发电系统，能有效地利用自然资源。

在我国很多地区，冬半年风大，太阳辐射强度小；夏半年风小，太阳辐射强度大，两种能源的分布季节正好相反，互补利用可满足用户用电需求。

在国际上，80年代中期，商品机组以55一150千瓦为主，山东荣成进口3 55千瓦机组，1986年并网发电，新疆达阪城和广东南澳进口90千瓦、100千瓦和150千瓦机组计17台，装机容量4490千瓦，均于1989年并网发电。

90年代初期国外商品机组单机容量200一300千瓦，1992一1996年我国进口风电机组以200一300千瓦机组为主，1996年建成17个风电场，装机合计57700千瓦。

90年代中期500一600千瓦商品机组推向市场，批量生产，标志着商品机组技术日臻成熟，造价相应下降。

1996年，国家在“双加”工程中，按照扶强扶优的原则，选择了达阪城二厂、辉腾锡勒、括苍山和张北四个风电场进行重点改造，进口133x600千瓦、13x300千瓦机组，合计83700千瓦，分别于1997一1998年竣工验收。

同年，国家计委又制定乘风计划”，旨在以技贸结合形式，与国外组建合资企业，在建设24万千瓦风电场的同时，引进技术，消化吸收，达到自主开发、自行设计制造大型风电机组的能力。

1996年采用招标评议方式确定“中国第一拖拉机工程机械(集团)公司”和“西安航空发动机集团公司”为大型风电机组总装厂;1998年上述中标公司分别同外商合资成立“洛阳美德风电设备有限公司”和“西安维德风电设备有限公司”，标志着中国风力发电事业揭开了崭新的一页。

我国风电的利用大体上采用三种方式，一是户用式，可独立运行，用蓄电池，直流输出或逆变交流输出;单机容量为100一300W，可基本满足照明、电视等家用电器的生活用电需要。

其次是孤立的小居民区用，独立运行，有蓄电池、直流输出或逆变交流输出，统一向各家各户供电或每天为其更换蓄电池，单机容量为1一5kw。

这种方式也可供无电风区边防哨所、气象台站、雷达站、电视差转台以及无电区小火车站使用。

三是建立风电场，联网后输出，有的与柴油发电机组或太阳能电站联合，有稳定的输出。

目前己有14座稍具规模的风电场，他们是新疆达坂城、广东南澳岛、内蒙呼和浩特辉腾锡勒、内蒙朱日和、内蒙商都大山湾、辽宁瓦房店东岗、瓦房店横山、福建平潭、浙江嗓泅、浙江大陈岛、山东荣成马兰、山东长岛、海南东方、浙江苍南鹤顶山。

正在筹建中的还有浙江临海括苍山、浙江舟山、内蒙锡林、广东海陵岛等。

风电的特点是一次性投资高，每千瓦约需1000一1200美元，再加上进口关税12%、进口环节增值税17%，使设备成本提高31%。

据内蒙古电管局反映，不含税风电价为0.63元kw.h，比火电价高出0.35元。

目前主要是小规模的开发，如果要进一步发展，已遇到资金短缺、设备不过关、进口关税过重等三大困难。

1.2.2.2 我国风力机械行业现状和发展趋势
据不完全统计，到1993年底，全国生产风电机组、风力提水机组及配套件的工厂共39家，其中主机27家;职工近4000人，工程技术人员400余人;从事科研开发有35家院校，科技人员250人。

商品化风电机组有9种，从100w到5kw，年生产能力3万台，累计出口近1000台小型风电机。

1995年全国生产风电机组8190台，风力提水机组50台。

目前全国小型风电机组保有量巧万台，居世界首位。

近几年来己建立14处规模不等的大中型风电场，至1995年共安装55kw以上机组186台，总装机容量为37Mw。

预测到2000年，需要小型风电机(1okw以下)22万台;大中型风电机组(20kw以上)4000台;风力提水机组6000台。

行业存在的主要问题有:
(l)产品品种不全目前虽然我国己能大批量生产小型风电机组，1995年并出口印尼100W 及300W小型风电机各250台，价值340余万元，但还停留在研究开发55kw、250kW的风电机阶段。

国外现在已做到600kW机组商品化，正在准备批量生产750kw、1MW机组。

(2)科研生产能力薄弱风力机械行业归口于畜牧机械，稍具规模的企业只有内蒙商都牧机厂和内蒙动力机厂，缺少先进设备，影响产品质量和经济效益的提高。

随着风电事业的发展，已有不少实力雄厚的单位加入，并取得初步成果。

例如200kW风电机组的研制由浙江机电研究院、杭州发电设备厂、上海玻璃钢研究所、中国空气动力研究中心、同济大学、清华大学等8个单位联合承担。

样机于1995年9月在浙江苍南风电场完成2000小时运行考核，1997年4月19日通过国家科委的鉴定，不久将实施中试生产。

又如第一拖拉机工程机械集团704分厂承担了250kw风电机组的研制及组装任务，保定550厂协作生产叶片，该项目属于一拖与德国胡苏姆造船厂合作生产协议，总框架为200台，首批10台得到了德国政府补贴，1995年12月4台电风机己在内蒙锡林浩特风电场并网发电。

再如1996年2月9日北京万电公司(隶属于中国运载火箭技术研究院)与奥地利比尔公司签订引进风力发电技术，专门从事500kw以上风电机的生产。

1996年10月还签订3项合同，内容为:由新疆电力局与丹麦维斯塔思公司，内蒙古电管局、浙江省电力局与丹麦麦康公司合作，除引进122台600kw风电机之外，还将在国内组装生产600kw风电机组。

今后风力发电机发展趋势如何?一是增加风轮的直径和塔架的高度，向超大型风力发电机发展，目前世界上最大的风力发电机建立在美国北卡罗来纳州的兰岭山上，发电功率是两千瓦，年发电量是330万度，相当3300吨煤发出的电量；另一方面是向新型立体式风力发电机发展。

立体式风力发电机即风力发电机的轴和风的方向垂直。

它克服了一般风力发电机叶片需要不断增长和提高塔架以及在材料和加工工艺等方面的困难。

这样来自任何方向的风都可以充分利用，提高了风能利用率。

又可以降低高大的支撑铁塔，结果造价低，重量也轻了许多。

1.3 研究风力发电机的目的和意义
中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。

在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。

在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。

但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。

此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。

随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。

电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标。

八届人大四次会议批准的我国经济和社会发展“九五”计划和2010年远景目标纲要中提出“积极发展风能、海阳能、地热能等新能源发电”的指导方针，为我国发展多能互补的能
源结构新格局起到了指导和促进作用。

风能是对人类生存环境影响最小的能源。

除此之外，风能资源非常丰富，取之不尽，用之不竭。

据统计，太阳向地球辐射的巨大能量中，约有1%转化为风能。

这些能量相当于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的总和，可见风能的潜力是非常大的。

随着风力发电技术日趋成熟，风力发电规模也不断扩大，美国加州由数家风能公司提供给电网的电量，足以供应旧金山这样的大城市的居民需求。

我国风电事业近年来发展较快，已有16万台微型风力发电机用于边远山区、牧区、海岛，初步解决了地处边远，居住分散，电网难以到达地区的居民用电问题。

同时也遏制了微型汽油发电机的发展，在节约石化燃料的同时，避免了各种有害气体的排放。

国家“九五”新能源发展计划提出，“九五”期间全国风力发电的总装机容燕山大学工学硕士学位论文量要突破40万千瓦。

为此，国家从宏观规划角度出发，制定了“乘风计划”，面向国内外市场发展风力发电。

“乘风计划”不仅会大大促进我国风电事业的发展，而且对减排有害污染物，促进环境的改善有着重要意义。

风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点：1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的整个设备成本不足功率相当的火力发电，水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年内就可以收回全产投资；2.节省燃料和运输费用。

在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。

许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。

我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了；3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。

化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质。

由于它是清洁能源，对环境无污染，又由于我们国家地形复杂，人口又多，居住分散，对于电网涉及不到的地区，特殊行业，可以补充大电网的缺陷，起到拾遗补缺的作用，可以利用小型风机风力发电的地方主要有：
(l)航运系统我们有长江等水系几条大河流，如长江航运中的拖船，一般在100一200吨，经常被搁置在江中间的锚地上，用电主要靠蓄电池。

使用风力发电机对蓄电池补充充电效果很好，这方面有成功的经验。

但是，由于国有运输企业的不景气，影响了市场。

另外，我们大小河流湖泊上的船舶数量惊人，用小型风力发电机解决它们的照明、收视电视、听广播，有很重要的意义和市场。

(2)森林防火高山观察站据林业部防火指挥部介绍，东北约有400个观察站，西南也有几百个高山观察站，各省市都有一些森林高山防火观察站，站上的工作人员，在防火期从10月到第二年4、5月期间昼夜在站上值勤，解决他们的照明及听广播、看电视颇为费神。

由于山高、道路狭窄歧岖、运输困难，又不能使用明火，使用小型风力发电机可以基本解决观察站的照明及娱乐用电。

90年代初，个别观察站曾使用过小型风力发电机。

由于风力发电机的某些技术问题及使用人员的素质因素，没有得到推广。

(3)无人值守的差转台和微波站。

(4)东南沿海各孤立的岛屿。

(5)围网养殖系统。

(6)农牧区。

(7)国际市场。

1.4 我国的风能资源及其分布
风能是地球表面空气移动时产生的动能。

由于风速是一个随机性很大的量，必须通过长时间的观测才能算出平均风功率密度。

根据风的气候特点，一般选取10年风速资料中年平均风速最大、最小和中间的3个年份为代表年份，分别计算该3个年份的风功率密度然后加以平均，其数值可以作为当地长年风
功率密度平均值。

中国气象科学研究院计算了全国900余个气象站的年平均风功率密度值，该值反映出全国风能资源分布状况，以及各个地区风能资源潜力。

中国10m高度层的风能总储量为3226GW，这个储量称作风能“理论可开发总量”。

实际可供开发的量按上述总量的1/lO估计，并考虑风能转换装置风轮的实际扫掠面积，再乘以面积系数O.785(即直径为lm的圆面积是边长为lm的正方形面积的0.785)，得到中国10m高度层实际可开发的风能储量为253GW。

这个数量比1996年全国发电总装机容量还大，说明中国风能资源丰富，但是可供经济开发的风能储量数据尚需进一步查明。

中国风能丰富的地区主要分布在西北、华北和东北的草原或戈壁，以及东部和东南沿海及岛屿，这些地区一般都缺少煤炭等常规能源。

中国风力大小的出现规律是冬、春季风大，降雨量少;夏季风小，降雨量大。

这一特点恰与水电的枯水期和丰水期有着较好的互补性。

图1-1示出了中国有效风能密度分布状况。

由于我国地形复杂，风的地区性差异很大，有必要将我国的风能资源的大体分布列出，以便于人们了解哪些地区有开发利用风能的潜力。

中国风能资源丰富的省区于表1一l。

一般风能资源的潜力和特征用有效风能密度和可利用年积累小时数两个指标表示。

根据有关气象资料，我国可利用风能地区有三个，即风能丰富区、较丰富区、可利用区，列表1一2如下:
图1-1 中国有效风能密度分布状况
表1一1 中国风能资源比较丰富的地区
表1-2 我国风能资源分布情况
第二章 风力机理论
2.1 基本公式 2.1.1 风能利用系数
风力机从自然风能中吸收的能量大小程度用风能利用系数p C 表示。

横截面积为s(2m )的气流的动能为
2.1.2 风压强
如图2-1a ，根据伯努力方程，风中物体受到的风压Q 为
2.1.3 阻力式风力机的最大效率
建立简单的理想模型，一个平板在风的气动压力作用下沿着风速方向运动，如图2-lb ，并规定平板上游一定距离上的风速为f V ，平板的运动速度为v ，那么平板吸收的功率可以表示为
图2-1 平板模型
对给定的上游风速玲，可以写出以平板的运动速度V 为函数的功率变化关系式，对v 进行微分得
从上式中可以看出，阻力式风力机的效率是比较低的，提高效率的唯一办法是设法提高风的阻力系数C 。

2.2 工作风速与输出功率
2.2.1 风力发电机的输出效率
最理想的风力机也不可能吸收全部的风能，而只能吸收部分风能。

如上一节推导的那样，有一个最大风能利用系数p max C 。

但是，风力机在制做过程中，由于受到各种条件的限制，做不到完全理想的形状。

因此实际的风力机和理想的风力机之间也有差异。

实际风力机吸收的功率与理想风力机吸收的功率的比值叫做风力机的效率。

用1η表示。

另外还有传动机构的效率甲2η和发电机的效率3η等，所以实际风力发电机输出的效率，可以表示为
2.2.2 工作风速与输出功率
风力机启动时，为了克服其内部的摩擦阻力而需要一定的力矩。

这一最低力矩值叫做风力机的启动力矩。

启动力矩主要与风力机本身的传动机构摩擦阻力有关·因此风力机有一最低工作风速称f min V ，只有风速大于f min V 时风力机才能工作。

当风速超过某一值的时候，基于安全上的考虑(主要是塔架和桨叶强度)，风力机应该停止运转，所以每一台风力机都规定有最高风速f m ax V ，最高风速f min V 与风力机的设计强度有关，是设计时给定的参数。

最小风速称f min V ，和最大风速f max V 之间的风速叫做风力机的工作风速，相应于工作风速风力机有功率输出。

当风力机的输出功率达到标称功率时的工作风速叫做该风力机的额定风速。

2.2.3 启动风速和额定风速的选定
如何根据风能资源来选用风力机，使风力机的运行状态最佳，确定起动风速和额定风速是关键。

2.2.
3.1 双参数威布尔分布 风能就是流动空气具有的动能。

单位时间通过垂直于空气流的单位面积的空气流所具有的动能叫风能密度，设ρ为空气密度，v 为风速，则风能密度p=0.53
v ρ，ρ随v 的立方增大，变化非常快，故知道风速的变化情况是利用风能的先决条件。

风速V 是随机变量，经研究专家们多认为用双参数威布尔概率密度函数拟合风速频率分布最好脚。

威布尔分布函数形如下式
其中K 为形状参数，无量纲，C 为尺度参数，量纲为m 1
s -。

不同地区，不同时期参数K 、C 是不同的，可根据某地连续30年的风资料算出该地的K 、C 参数，威布尔分布函数曲线见图2-2。

参数K 、C 影响曲线形状，K 大C 大曲线陡峻，峰右移，反之亦然。