目录
摘要 (Ⅰ)
Abstract (Ⅱ)
1 绪论 (1)
1.1风能资源的概述 (1)
1.2风能资源的利用 (1)
1.3风能资源利用的原理 (1)
1.4风力发电的输出 (3)
1.5风力发电机的种类 (3)
1.5.1水平轴风力发电机 (3)
1.5.2垂直轴风力发电机 (4)
2 水平轴发电机的基本功能构成及工作原理 (5)
2.1水平轴风力发电机的结构简介 (5)
2.2水平轴发电机关键部件详细介绍认知 (6)
2.2.1风轮叶片介绍 (6)
2.2.2发电机 (6)
2.2.3调速机构 (8)
2.2.4调向机构 (9)
2.2.5手刹车机构 (9)
2.2.6塔架 (10)
3 小型风力发电机叶轮和发电机装置的选择确定 (11)
3.1设计风速的确定 (11)
3.2风轮外形的计算 (12)
3.2.1风能利用系数Cp (12)
3.2.2风轮的扫掠面积确定 (12)
3.2.3风轮直径的确定 (13)
3.2.4回转体水平轴向力的计算 (14)
3.2.5发电机的选择确定 (14)
4 水平轴风力发电机回转体的设计与计算 (16)
4.1回转体结构设定 (16)
4.2轴承的计算与选用 (16)
4.2.1轴承的功能与作用 (16)
4.2.2轴承的查表选用 (16)
5 塔架 (22)
5.1塔架高度的确定 (22)
5.2塔架材料的确定 (22)
5.3整体建模效果图 (23)
总结 (24)
参考文献 (25)
致谢 (26)
风能是清洁绿色的动力，风力能源目前相对于我国来说还是相当充裕的。风力发电就是获取风能最主要的一种方法。风力发电的根本工作原理，是通过风力使其叶片转动，然后经过增速机把风轮转动的速度提高到一定的值，继而使发电机正常工作然后发电。现在风力发电技术已经达到了一定的地步，基本风速达到3m/s的速度后，发电机就可以开使正常工作继而发电。该课题是设计一台小型水平轴风力发电机，它的基本组成部件主要有以下五种①叶片②发电机③回转体④塔架⑤控制系统等。本课题对风力发电机进行了基本的讲述，首先计算风轮的扫掠面积，继而确定风轮的直径，选定发电机，然后通过以上计算查表选择轴承等部件，确定塔架的高度及材料，并绘制了图纸。
关键词：风力发电机；回转体；风轮
Wind power is a clean and green power, and wind power generation is quite abundant relative to our country. Wind power is the most important way to get wind energy. The basic principles and overall structure of small wind turbines are listed below.This project is to design a small horizontal axis wind power generator with a power of 2000W. The structure of the generator is a small horizontal axis wind turbine. The basic components of the generator are as follows:(1)five kinds of blade (2) generator (3) yaw device (4) tower frame (5) control system, etc. Among them, the revolving body plays the role of orientation, support and protection in this organization.The subject has carried on the basic narration to the wind power generator, mainly carried out the detailed design and calculation of the part of the rotary body, calculated its axial and radial force by calculating its windward area, selected the generator, calculated the gravity of the wind wheel roughly, and then selected the bearing and other components through the above calculation table, and passed the real time. And draw the drawings.
Key words:wind turbine; rotary body; impeller
1 绪论
1.1风能资源的概述
我国的风能资源十分丰富，每年可开发利用的风能储量约为10亿千瓦，其中，陆地上风能储量约为2.53亿千瓦，而海上可开发和利用的风能储量约为7.5亿千瓦，共计10亿多千瓦。
风能是清洁绿色的源动力，属于可再生资源之一。并且我国的风能储量相对于其他国家而言还是占有一定优势的。可开发利用比例也非常可观，而且我国开采风能技术已经达到一定地步，比较适合开发利用风力发电项目，能够给国家节省资源，给国民创造利益。
1.2风能资源的利用
风在全球的储藏量都很大，它并不会因为人们大量的开发利用而减少，也不会因为其他客观的因素而影响，它是我们能够开发利用并且长期使用的可再生能源。目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一左右。也正是因为这样，全世界都非常重视开发研究风能资源，以便能够更充分利用风力发电。人类很早以前就对风力发电的开发和利用进行研究了，期间也有过很多发明，经过人们的不懈努力，反复尝试，现在风力发电的制造与安装技术正在逐步趋于完善。这对全世界来说都是一个福音。
但是风能也是有不足的地方，因为风的大小并不是我们可以控制的，台风、龙卷风都能在一瞬间摧毁很多建筑物，对人们造成不可估量的损失，所以我们不能停下对风能开发利用的脚步，一定要攻克这个难关，让人能够有实力来应对风力过大所带来的灾害。
1.3风能资源利用的原理
我们常说的风力发电其本质就是把风的动能通过叶片和发电机的组合体转化为机械能，然后再把机械能转变成电能。风力发电的根本工作原理，是通过风力使其叶片转动，然后经过增速机把风轮转动的速度提高到一定的值，继而使发电机正常工作然后发电。现在风力发电技术已经达到了一定的地步，基本风速达到3m/s的速度后，发电机就可以开使正常工作继而发电。因为风能绿色无污染，并且风力发电在任何情况下都无需原料等原
因，它已经在慢慢的成为一种趋势。
风轮（包括尾翼）、塔架和发电机这三个部分构成的整体称为发电机组，也是风力发电需要的基本装置。其中风轮由两只或两只以上叶片组成，它是将风的动能转化成机械能的重要部件。风能资源的最典型应用就是用来发电。将风能有效的转化为电能的有效途径就是通过发电机进行转化。通过外部风力作用到发电机机组叶片上，使得叶片进行旋转，以此带动发电机的电机轴随着转动。发电机的转子做切割磁感线的运动，继而产生电流。将风能有效的转化为电能。随着生态环境保护重要性的不断升级，有效解决环境污染问题已经是个破在眉捷的话题了。因此，风力发电的应用在不久的将来，势必会成为一种重要的能源获取形式。
使用风能发电的机构称为风力发电机。这种机构基本由三大部分组成。迎风装置，也就是风轮和尾翼的组合；发电装置，就是指发电机。发电机的形式由水平回转形式和垂直回转形式两大种；最后一部分就是起到支撑整个发电机运行工作的部件，塔架，其形式也是多种多样，根据发电机的重量大小不同，它们的承重能力也不同。
风轮是风力发电机获取能量的最直接原件。因此，它的自身结构方面要求就比较高。既需要保证结构强度，在大风或者恶略的环境中不易损坏，又需要尽可能的减轻自重，保证运转时不会消耗大量的能量。以至对叶片本身的材料和结构有了更高要求。玻璃钢是一种有机的纤维合成材料，既保留了力学性能方面的高强度性能，又拥有着塑料一样小的密度，是一种很适合设计制作叶片的材料。
另外，由于自然界的风向和风速并不稳定，最显著特点就像一首歌中描述的‘时而宁静，时而疯狂’。因此，合理的设计尾翼，让尾翼对风向进行调节，始终保证叶片处于迎风状态，能够有效的提高发电机的发电效率。相反，还有另外一种情况，就是发电机转速太高，以至于对发电机造成影响，严重的可能损坏设备。因此，减速装置的设计应用就成了必不可缺的结构。
刹车减速机构一般分为两种，一种是具有自动调节功能的机构，另一种是手动调节机构。自动调节机构多用于相对比较大型的发电机组。它的基本原理是，在发电机轴上安装转速传感器，当传感器显示的转速达到预设值后，系统通过液压或者电磁铁的方式，迫使刹车机构进行刹车，达到降低转速的目的，进一步保护发电设备不受损害。也可通过在电能输出装置上安装电压传感器，凭借传感器获取的瞬时峰值电压给出系统信号启动刹车装
置。
铁塔在发电机中的主要作用就是支撑，是确保发电机稳定运行，保证获取风能的一个构架。铁塔的选用需要根据具体的使用环境而定，在满足发电机工作风速的情况下，具有足够的刚性，且不能影响地面的人和物的日常活动。
1.4风力发电的输出
发电机发出的电是不能被直接使用的，尽管它是交流电。这是因为，自然界的风速是随时改变的，发电机输出的电能也是非常的不稳定。这样一来，就需要有一个装置把不稳定的交流电进行转化。将转化以后的交流电存储到蓄电池中或并入电网之中，再通过逆变器，将存储的电能转化为可被电器使用的工频交流电，也就是我们熟知的220V的交流电。
有的时候人们在选用小型发电机的时候，有一个选择误区，认为发电机的功率应该大于用电器的功率。这种认识是错误的。因为不论发电机的功率大小，他都将风能必须先存储起来，存储到预先设定好的蓄电池中。蓄电池的容量和匹配使用的逆变器才是输出功率大小的关键决定因素。在平均风力较小的环境使用功率太大的风力发电机，很有可能会因为风力不足而无法带动发电机正常运转。而选择一个合适大小的发电机，才能够最为高效的将风能源源不断的转化为电能。从而取得最大的利用率。
风力发电机的使用意义在实际生活中是很重要的。在贫困山区或者电力电网没有完全覆盖的区域，一台风力发电机足可以为一家人进行日常生活的供电，在自然风光较多的旅游景区，不但可以为景区进行照明也，可以增加景区的特点。
1.5风力发电机的种类
风力发电的种类多种多样，但是比较常见和被人们所熟知的风力发电机，根据其回转轴的形式分类，主要有两种形式。一是水平回转轴风力发电机，另一种是垂直回转轴风力发电机。这两种发电机的最大区别在于，风力方向与回转轴之间的位置关系不同。
1.5.1水平轴风力发电机
水平轴风力发电机是指，旋转叶片的旋转轴与发电机的电机轴在同一个回转轴内，或者说，二者的中心轴共线。
水平轴风力发电机基本结构有：叶片前端的导流装置，或者称为整流罩。用于把风能
转变成机械能的叶片。将机械能转化为电能的发电机。将电能进行存储的蓄电池。将直流电转变成普通市电的装置，逆变器。以及用于支撑发电机的塔架。和一些辅助构件，比如说塔架固定钢丝绳索等等。
1.5.2垂直轴风力发电机
对应于水平轴风力发电机，还有一种垂直轴风力发电机。这种发电机最大的特点就是不需要安装迎风装置的尾翼，气流可以从360度方向吹过，它都能够进行旋转，切割磁感线，进行发电。它是利用空气流过叶片，从而叶片产生对风的阻力，既而有一个反向的作用力促使发电旋转。随着转速的增加，阻力会快速的下降，发电的效率也会随之增加。然而它的最典型弊端就是启动力矩太大。因此，这种形式的使用不及水平轴风力发电机广泛。
2 水平轴发电机的基本功能构成及工作原理2.1水平轴风力发电机的结构简介
水平轴风力发电机整体大致由以下几个部分组成：
(1)风叶
(2)整流罩（有的兼顾叶片固定作用）
(3)发电机（主体结构）
(4)回转体（主体结构）
(5)尾舵（调控风向）
(6)固定拉索（钢丝绳）
(7)地基（稳住整体）
(8)地脚螺栓（固定设备）
(9)控制器（用于把不稳定的交流电转换为稳定的直流电的装置）
(10)蓄电池（储存电能的装置）
(11)逆变器（将蓄电池中的直流电转换为交流电，供其他电器使用）
图1 水平轴风力发电机基本结构示意图
2.2水平轴发电机关键部件详细介绍认知
2.2.1.风轮叶片介绍
水平轴风力发电机的风轮一般最少可以是一个叶片，最多可以为四个叶片，但大多数都为三个叶片组成。如图所示为叶片的几种形式。
a.层压木制翼型
b.部分实心材料翼型
c.有玻璃纤维的空心翼型
d.金属翼型
图2 叶片结构形式图
2.2.2发电机
（1）发电机的种类
小型风力发电机有两个大的种类，一种是直流另一种是交流。现在很多风力发电机都选择交流发电机，因为交流发电机具有很多优点，如质量轻可以方便运输安装，在很大程度上节省了成本，能在很小的风力下运行发电，能增加风能的利用率。
（2）发电机的构造
交流发电机主要是由转子、定子、外壳和整流器组成。
（3）发电机的功率
发电机在设计及研发时都会有一个额定值，但是因为风速一直变化等原因，发电机的功率也会随之变化，有时低于额定值有时高于额定值，但是由于发电机自身的限制，其输出功率会有一个极限值。达到极限值后不会再增加输出功率。
（4）回转体
回转体是本课题研究的重点，它就像是整个装置的脖子一样，具有支撑和旋转功能，是保证风轮、尾翼正常运作的基础。风力发电机回转体的设计安装目前在我国种类繁多，本课题采用偏心式，其结构大致有三点，如下图
图3 回转结构要素示意图
a.风轮的仰角
考虑到风轮工作的特点，我们可以将回转体上平面与水平面间设计有5~10 的夹角。发电机安装在回转体上，以至于发电机会有与之相同的仰角，因此能够增加风轮的稳定性。
b.风轮轴与回转体中心的偏心距
风轮轴与回转中心的偏心距是风力发电机调速机构能够准确调速的重要结构参数。当风速达到限定风速时，此偏心距能够准确地产生一个迫使风轮扭转的力矩，使风轮立即开始侧偏调整。如果风速继续增大，风轮扭转力矩也会增大，风轮则继续侧偏，直至达到限速停车的极限位置。
c.尾翼后倾角和侧偏角
风轮尾翼与回转体上的尾翼通过销轴联结，而此销轴在安装时即有一个设计好的空间后倾角和侧偏角，由于这一空间后倾角和侧偏角的存在，当风轮侧偏调速时，尾翼逐渐翘起，翘起的尾翼在其重力的作用下企图恢复到原来位置，一旦风速减小，尾翼重力作用下的恢复力矩迫使尾翼回到原来位置，使风轮迎风。
2.2.3调速机构
因为现实生活中风速大小的不确定性，像沿海地区有时还会出现台风，针对这种现象我们就要有一个调速机构来限制风轮的转速，如果不做限制的话，风轮的速度就会同风速一直增加，而我们设计时所选取的材料是承受不了这么大力的，进而就会损坏风力发电机，导致整体瘫痪，正是因为这个原因，我们才需要设计一个调速机构，用来保证风力发电机能够稳定工作从而有稳定的输出功率。
小型风力发电机常用的调速方法有三种：风轮侧偏调速法；桨叶侧偏调速法；空气制动调速法。
（1）风轮侧偏调速法
在工作状态下，风速增长至限制风速仍继续增长时，我们可以转动风轮，使风轮与风向产生一定夹角，降低迎风面积，以实现控制风速。如下图所示：
图4 风轮侧偏调速发示意图
（2）桨叶侧偏式调速法
桨叶侧偏式调速法就是当风速达到限定风速时，迫使桨叶绕叶柄转过一个角度，以改变桨叶的冲角，从而改变桨叶的升力与阻力，达到调速的目的。如下图所示：
图5桨叶侧偏式调速法
（3）空气制动调速法
空气制动调速法就是增大桨叶阻力从而达到调速的目的。
2.2.4调向机构
调向机构对于设备整体来说具有很重要的作用，因为风的方向并不是一直稳定不变的，如果我们只是固定方向迎风的话，效率会变得非常的低，而加上调向机构效果会截然不同，就会大大增加风能的利用率，无论风是从哪个方向来的，它都会迅速做出调整，使风轮转动，然后带动风力发电机整体进行工作，所以说调向机构就像启动器一样至关重要。因此设置调向机构能够使风轮尽可能的捕获风能，进而提高风能的利用率。我们常常采用“尾翼调向”，小型风力发电机体质轻，这也是常用这种方式的原因之一。
2.2.5手刹车机构
手刹车机构是风力发电机中阻止风轮继续转动的装置。主要作用是在遇到大风天气或者设备出现故障时可以及时有效的停止风轮运行，以避免其他意外发生。在一些小型的设备中，经常采用更为简单的方式达到这种效果，例如：在尾翼加装尼龙绳或钢丝绳，也可以加装绞轮装置，通过绳索牵引改变风轮位置。
2.2.6塔架
塔架是风力发电机中重要的元件之一，用来支撑整个风轮结构，使风轮维持一定的高度，并且在较高的风速环境下能够正常运行。因此，要合理的选择作为塔架的材料，要保证足够的硬度，不仅能够支撑风轮的重量，还要克服较大的空气阻力而不会出现弯曲或断裂的现象。
一般塔架大多数选择空心结构的铁材或钢材，通过焊接的方式做成立式结构，不仅可以保证足够的高度，而且硬度也基本满足要求，还能够节约成本。
3 小型风力发电机叶轮和发电机装置的选择确定
3.1设计风速的确定
总的来说，能达到最大风能利用系数时所选取的风速，一般就为设计风速。现我国所选取的设计风速也称额定风速，一般是8m/s还有的是10m/s，因为国情的原因，选取好了设计风速，就能使发电机在额定风速下正常工作。如下表是内蒙古风速气象表，通过表中可以看出5-6m/s的风速出现的比重较多。
表1 内蒙古风速气象表
地区数值
指标风能密度
w/㎡
全年积累小时数h
风速3-20m/s
(约4-8级)
风速6-20m/s
(约4-8级)
风速8-20m/s
(约5-8级)
风能丰富区即东
南沿海、岛屿、
内蒙等地
>200 <6000 >2200 >1000
风能较丰富区即
丰富区向陆延展
20-30km,青藏高
原中部和北部等
>150 **** **** 800
风能可利用区即
两广沿海，大小
兴安岭等地
50-150 2000-4000 500-1500
表2 内蒙古某地区气象站观测2004年平均风速表月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 风速m/s 4.6 5.3 5.8 5.8 5.6 4.9 4.9 4.7 4.8 5.5 5.2 5.3
表3 风力等级参照表
风级名称风速m/s Km/h 陆地地面物像海面波浪浪高m 最高m
0 无风0.0-0.2 <1 静，烟直上平静0.0 0.0
1 软风0.3-1.5 1-5 烟示风向微波峰无飞沫0.1 0.1
2 轻风 1.6-3.
3 6-11 感觉有风小波峰未破碎0.2 0.3
3 微风 3.4-5.
4 12-19 景气展开小波峰顶破裂0.6 1.0
4 和风 5.5-7.9 20-28 吹起尘土小浪白沫波峰 1.0 1.5
5 劲风8.0-10.7 29-38 小树摇摆中浪折沫波群 2.0 2.5
6 强风10.8-13.8 39-49 电线有声大浪白沫离峰 3.0 4.0
7 疾风13.9-17.1 50-61 步行困难破峰白沫成条 4.0 5.5
8 大风17.2-20.7 62-74 折毁树枝浪长高有浪花 5.5 7.5
9 烈风20.8-24.4 75-88 小损房屋浪峰倒卷7.0 10.0
10 狂风24.5-28.4 89-102 拔起树木海浪翻滚咆哮9.0 12.5
11 暴风28.5-32.6 103-117 损毁重大波峰全程飞沫11.5 16.0
12 飓风>32.6 >117 摧毁极大海浪滔天14.0 -
通过上表，我们为了让风的利用率提高，决定选择8m/s作为设计风速。
3.2 风轮外形的计算
3.2.1风能利用系数Cp
风能利用系数Cp的物理意义:风力发电机将风能转化成电能的转换效率。
贝兹在20世纪30年代创立了气动理论。在贝兹的理想化假设下得出了风力发电机的理论最大效率Cp=0.593。因为以上为理想化结论，可知风能利用效率是有一定限制的，所以现实中应该为Cp<0.593。
3.2.2风轮的扫掠面积确定
扫掠面积内的未扰动气流所含风能的百分比。可用下式表示：
Cp=P/(1/2ρSV) 公式（1）式中：P—风力发电机实际获得的输出功率；
ρ--空气密度
备注：标准状态下ρ=1.2928kg/m3，考虑到气温等因素本处计算取
ρ=1.2kg/m3
S—风轮的扫掠面积；
V—风速。
此时，根据公式1，变形得到S=P/(1/2*ρ*V*Cp) 公式（2）此时，因为暂取风速为 8m/s,（在第三章，3.1节中确定的风速）风能利用系数CP 在此暂取为 0.5.
综合以上所述，根据公式（2），计算出风轮的扫掠面积S。
S=P/(1/2*ρ*V*Cp) =2000/（1/2*1.2*512*0.5）=13.02㎡
3.2.3风轮直径的确定
风力发电机的扫掠面积是指风轮旋转扫过的面积在垂直于风向的投影面积，是风力发电机截留风能的面积，称为风力机的扫掠面积，如下图所示，是一个典型三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图。
根据圆周面积S=πR2公式（3）风轮直径可由下列公式进行估算:
风叶长度R=2.03m(包含中间整流护罩),最后取整2m.
图6 典型三叶片水平轴风力机的扫掠面积示意图
3.2.4回转体水平轴向力的计算
从水平轴风力发电机的工作原理（第二章，第2.1节）我们知道，叶片受到风压产生的作用力，会传递给发电机，发电机在传递给回转体。所以，回转体承受水平轴向推力即是风压对叶片产生的压力。
先从风压的概念了解入手。风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，风压以单位面积上的风的动压来表示：
W=1/2ρV2 =0.6V2公式（4）根据公式4，可以得出风力发电机在轴向上受到的动压W：
单位平方米的动压W=38.4N/m2
(在第三章，3.1节中确定了风速的大小)
结合扫掠面积S=13.02㎡（在第三章，3.2.2节中确定扫掠面积）
轴向压力公式F=W.S
得到轴向压力F=W.S=38.4X13.02=500N
另外，根据国家标准，把风力发电机组的风速分为5级，按年平均风速10 m/s、8.5 m/s、7.5 m/s、6 m/s四种风速和特殊设计风速一个（本处设为8m/s），我们再增加停机风速20 m/s和起动风速3 m/s共七个风速来计算单位面积（每平方米）的风功率与风压，计算所得数据填于下表。
此表可以对风压力进行大致的估算，在今后设计工作中，能够大幅提高设计工作效率。
表4 风速、风功率、风压对照表
风速（m/s）20 13 10 8.5 7.5 6 3
风压力（W/㎡）240 110 60 43 34 22 5.4
风功率（N/㎡）4800 1318 600 369 253 129 16.2
3.2.5 发电机的选择确定
风力发电机的发电功率计算有如下公式
P=0.5*A*ρ*Cp*V3公式（5）A--扇叶扫掠面积，前面计算得知A=13.02㎡
ρ--空气密度，前面取定ρ=1.2kg/m3
V---风速，前面取定V=8m/s Cp---风能利用率。前面取定Cp=0.5
P发电机为输出功率风能转换电能效率η，
根据表5，取η=35% 得知发电机最大功率P1=5.7KW
表5 风力发电机的效率表
风轮形式全效率
阻力型垂直轴风力机（平板式）不超过12%
阻力型垂直轴风力机（风杯式）不超过7%
阻力型垂直轴风力机（S型）不超过25%
升力型垂直轴风力机15%-30%
多叶片风轮水平轴风力机10%-30%
扭曲叶片风轮水平轴风力机1-10kw 15%-35%
扭曲叶片风轮水平轴风力机10-100kw 30%-45%
扭曲叶片风轮水平轴风力机100kw以上35%-50%
根据以上计算数据，现选择山东宁津晟成风电设备公司的3KW发电机可以满足该设计使用要求。该风力发电机主体结构为150Kg。该参数表中标定了风力发电机的运输毛重为199 Kg，考虑安全系数1.2，即对支撑塔架的正压力为2400N.
表6 山东宁津晟成风电设备公司3kw发电机各参数表
型号FD4.0-3.0 叶片数量 3
额定功率3kw 叶片材质增强玻璃钢
最大功率 4.5kw 发电机型号三相交流永磁
工作电压DC38v/AC220v 碳钢型号钕铁硼N35SH
额定电压DC/v 48,96,120,240 额定电流A 62.5,31,25,12.5
启动风速m/s 3 发电机壳体铸铁
额定风速m/s 10 控制器系统电磁+偏航
安全风速m/s 40 工作温度零下40~零下60度
主体净重Kg 150 设计寿命20年
额定转速r/min 300 包装尺寸m 2.0*0.70*0.43
风轮直径m 4 运输毛重Kg 199
垂直轴风力发电机研究报告 1.垂直轴与水平轴对比 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点： ①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360 度的活动联接机构，这就造成机组重心高，不稳定，而且安装维护不便。垂直轴风力发电机组的发电机，齿轮箱放置在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。 ②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命要长于水平轴风轮；垂直轴风力发电机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上，因而便于维护。 ③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点，且理论风能利用率可达40％以上．因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后，从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。 ④水平轴风力发电机组机仓需360度旋转，达到迎风目的。这个调节系统包含有旋转机构，风向检测，角位移发送，角位移跟踪等系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。 ⑤水平轴风力发电机的翼片受到正面风载荷力，离心力，翼片结构相似悬臂梁。翼片根部受到很大弯矩产生的应力。而且翼片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样翼片所受的就是一个交变载荷，这就要求翼片有很高的的疲劳强度，因此大量事故都是翼片根部折断。而垂直轴风机的翼片主要承受拉应力，不易折断，寿命长。 ⑥水平轴风力发电机组翼片的尖速比高，一般在5～7左右，在这样的高速下翼片切割气流将产生很大的气动噪音，导致噪声污染。垂直轴风力机翼片的尖速比较水平轴的要小的多，这样的低转速基本上不产生气动噪音，无噪音带来的好处是显而易见的，以前因为噪音问题不能应用风力发电机的场合(城市公共设
一．总体参数设计 总体参数是设计风力发电机组总体结构和功能的基本参数，主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。 1. 额定功率、设计寿命 根据《设计任务书》选定额定功率P r =3.5MW ；一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。 2. 切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in = 3m/s 切出风速 取 V out = 25m/s 额定风速 V r = 12m/s （对于一般变桨距风力发电机组（选 3.5MW ）的额定风速与平均风速之比为1.70左右,V r =1.70V ave =1.70×7.0≈12m/s ） 3. 重要几何尺寸 (1) 风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径： m C V P D p r r 10495.096.095.045.012225.13500000 883 3 213≈???????==πηηηπρ 其中： P r ——风力发电机组额定输出功率，取3.5MW ； 错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误!未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95； C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。 由直径计算可得扫掠面积： 22 2 84824 1044 m D A =?= = ππ错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 综上可得风轮直径D=104m ，扫掠面积A=84822 m
4. 功率曲线 自然界风速的变化是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速和上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示： )()()(△t P t P t P sta t += )(t P ——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t 时刻的V(t)决定; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率； )(△t P ——表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat (t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比和功率系数,带入式： 32123 8 1ηηπηρD V C P r P = 1η——传动系统效率，取0.95； 2η——发电机效率，取0.96； 错误!未找到引用源。3η——变流器效率，取0.95； 错误!未找到引用源。——空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r ——额定风速，取12m/s ； D ——风轮直径； C p ——额定功率下风能利用系数,取0.45。
垂直轴风力发电机和水平轴风力发电机 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。 中国风力装机容量达到1000万千瓦的速度令人惊叹。如果中国能够利用其土地上大约30亿千瓦的风能的话，将能够满足几乎所有中国当前的电力需求，短时期内这是不可能的，不过中国有可能将2020年风电总装机目标由3000万千瓦调高至1亿千瓦。在国际效率标准下运行的话，这能够满足5%的中国电力需求，并且使中国成为世界最大的风能发电国，只要中国采取更进取而有理智的方针，就能最大限度地利用其国家的风能。 当然风能的利用离不开风力发电机，风力发电机的品质和价格成为了人们关注的焦点。 当前风力发电机有两种形式：1 水平轴风力发电机（大、中、小型）；2 垂直轴风力发电机（大、中、小型）。 水平轴风力发电机技术发展的比较快，在世界各地人们已经很早就认识了，大型的水平轴风力发电机已经可以做到3-5兆瓦，一般由国有大型企业研发生产，应用技术也趋于成熟。小型的水平轴风力发电机一般是一些小型民营企业生产，对研发生产的技术要求比较低，其技术水平也是参差不齐。 小型水平轴风力发电机的额定转速一般在500-800r/min，转速高，产生的噪音大，启动风速一般在3-5m/s，由于转速高，噪音大，故障频繁，容易发生危险，不适宜在有人居住或经过的地方安装。 垂直轴风力发电机技术发展的较慢一些，因为垂直轴风力发电机对研发生产的技术要求比较高，尤其是对叶片和发电机的要求。近几年垂直轴风力发电机的技术发展很快，尤其小型的垂直轴风力发电机已经很成熟。 小型的垂直轴风力发电机的额定转速一般在60-200r/min，转速低，产生的噪音很小（可以忽略不计），启动风速一般在1.6-4m/s。 由于转速的降低，大大提高了风机的稳定性，没有噪音，启动风速低等优点，使其更适合在人们居住的地方安装，提高了风力发电机的使用范围。 参数对比： 序号性能水平轴风力发电机垂直轴风力发电机 1 发电效率50-60% 70%以上 2 电磁干扰（碳刷）有无 3 对风转向机构有无 1
你好,你的这个问题问的比较广。我大概给你阐述下,对于现在国内国外大型水平轴风力发电机组,有双 馈机和永磁直驱发电机。 永磁直驱发电机顾名思义是在传动链中不含有增速齿轮箱。 总所周知,一般发电机要并网必须满足相位、幅频、周期同步。而我国电网频率为50hz这就表示发电机要发出50hz的交流电。学过电机的都知道。转速、磁极对数、与频率是有关系的n=60f/p。 所以当极对数恒定时,发电机的转速是一定的。所以一般双馈风机的发电机额定转速为1800r/min。而叶轮转速一般在十几转每分。这就需要在叶轮与发电机之间加入增速箱。 而永磁直驱发电机是增加磁极对数从而使得电机的额定转速下降,这样就不需要增速齿轮箱,故名直驱。而齿轮箱是风力发电机组最容易出故障的部件。所以,永磁直驱的可靠性要高于双馈。 对于永磁直驱发电机的磁极部分是用钕铁硼的永磁磁极,原料为稀土。 风轮吸收风能转化为机械能通过主轴传递给发电机发电,发出的电通过全功率变流器之后过升压变压器上网。 不知道有木有解释清楚。 还有什么不清楚可以继续追问,知无不言。 风力发电机也在逐步的永磁化。采用永磁风力发电机,不仅可以提高发电机的效率,而且能在增大电机容量的同时,减少体积,并且因为发电机采用了永磁结构,省去了电刷和集电环等易耗机械部件,提高了系统的可靠性,这也是风电发电机的发展趋势之一。
风力机的直驱化也是当前的一个热点趋势。目前大多风电系统发电机与风轮 并不是直接相连,而是通过变速齿轮相连,这种机械装置不仅降低了系统的效率,增加了系统的成本,而且容易出现故障,是风力发电急需解决的瓶颈问题。直驱式风力发电机可以直接与风轮相连,增加了系统的稳定性,同时增大了电机的体积和设计制造以及控制的难度。直驱型风力发电系统是采用风轮直接驱动多极低速永磁同步发电机发电,通过功率变换电路将电能转换后并入电网,相对于双馈型发电系统,直驱式发电机采用较多的极对数,使得在转速较低时,发电机定子电压输出频率仍然比较高,完全可以在电机的额定等级下工作,并且其定子输出电压通过变流器后再和电网相接,定子频率变化并不会影响电网频率。在直驱风力发电系统中风机与发电机直接耦合,省去了传统风力发电系统中的国内难以自主生产且故障率较高的齿轮箱这一部件,减少了发电机的维护工作,并且降低了噪音。另外其不需要电励磁装置,具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。 直驱永磁发电机与双馈异步发电机技术相比,由于不需要转子励磁,没有增速 齿轮箱,效率要比双馈发电机高出20%以上,年发电量要比同容量的双馈机型高;增 速齿轮箱故障较高,维护保养成本高,直驱永磁发电机不需要齿轮箱,易于维修保养;直驱永磁发电机采用全功率的交-直-交变频技术,与电网隔离,具有低电压穿越能力,对电网友好; 直驱永磁发电机的缺点是稀土永磁材料成本高,导致整机成本相对较高,永磁 材料在高温、震动和过电流情况下,有可能永久退磁,致使发电机整体报废,这是直驱永磁发电机的重大缺陷。
目录 摘要 (Ⅰ) Abstract (Ⅱ) 1 绪论 (1) 1.1风能资源的概述 (1) 1.2风能资源的利用 (1) 1.3风能资源利用的原理 (1) 1.4风力发电的输出 (3) 1.5风力发电机的种类 (3) 1.5.1水平轴风力发电机 (3) 1.5.2垂直轴风力发电机 (4) 2 水平轴发电机的基本功能构成及工作原理 (5) 2.1水平轴风力发电机的结构简介 (5) 2.2水平轴发电机关键部件详细介绍认知 (6) 2.2.1风轮叶片介绍 (6) 2.2.2发电机 (6) 2.2.3调速机构 (8) 2.2.4调向机构 (9) 2.2.5手刹车机构 (9) 2.2.6塔架 (10) 3 小型风力发电机叶轮和发电机装置的选择确定 (11) 3.1设计风速的确定 (11) 3.2风轮外形的计算 (12) 3.2.1风能利用系数Cp (12) 3.2.2风轮的扫掠面积确定 (12) 3.2.3风轮直径的确定 (13) 3.2.4回转体水平轴向力的计算 (14)
3.2.5发电机的选择确定 (14) 4 水平轴风力发电机回转体的设计与计算 (16) 4.1回转体结构设定 (16) 4.2轴承的计算与选用 (16) 4.2.1轴承的功能与作用 (16) 4.2.2轴承的查表选用 (16) 5 塔架 (22) 5.1塔架高度的确定 (22) 5.2塔架材料的确定 (22) 5.3整体建模效果图 (23) 总结 (24) 参考文献 (25) 致谢 (26)
风能是清洁绿色的动力，风力能源目前相对于我国来说还是相当充裕的。风力发电就是获取风能最主要的一种方法。风力发电的根本工作原理，是通过风力使其叶片转动，然后经过增速机把风轮转动的速度提高到一定的值，继而使发电机正常工作然后发电。现在风力发电技术已经达到了一定的地步，基本风速达到3m/s的速度后，发电机就可以开使正常工作继而发电。该课题是设计一台小型水平轴风力发电机，它的基本组成部件主要有以下五种①叶片②发电机③回转体④塔架⑤控制系统等。本课题对风力发电机进行了基本的讲述，首先计算风轮的扫掠面积，继而确定风轮的直径，选定发电机，然后通过以上计算查表选择轴承等部件，确定塔架的高度及材料，并绘制了图纸。 关键词：风力发电机；回转体；风轮
新能源科技有限公司 产品特点 1、起动风速低，风能利用率高。 2、风叶采用增强型玻璃钢，配以优化的气动外形设计和结构设计，风能利用系数高，增加了年发电量。 3、发电机采用专利技术的永磁转子交流发电机，配以特殊的定子设计，有效地降低发电机 的阻转矩，同时使风轮与发电机具有更为良好的匹配特性，机组运行的可靠性。 4、采用先进的机械偏航技术，大风时尾翼自动偏折，有效保护风机设备！ 型号FY-1KW FY-2KW FY-3KW FY-5KW FY-10K 额定功率1000W 2000W 3000W 5000W 10000W 最大功率1500W 2500W 4000W 7000W 13000W 额定电压48V 96V 120V 220V 380V 启动风速3m/s 3m/s 3m/s 3m/s 3m/s 额定风速10m/s 10m/s 10m/s 10m/s 10m/s 转速400r/m 350r/m 300r/m 250r/m 180r/m 最大风速35m/s 35 m/s 35m/s 35m/s 35m/s 顶部重量37kg 48kg 185kg 250kg 400kg 风轮直径 2.8m 3.2m 5.3m 6m 7.8m 塔架高度6m 6m 9m 9m 12m 建议蓄电池150Ah*4 100Ah*8 150Ah*10 100Ah*18 150Ah*31 风叶数量 3 叶片材质玻璃钢 电机三相交流永磁同步发电机 保护方式电磁/自动调整迎风角度/机械偏航 工作温度-40℃-80℃ Product Features 1.Low start-up speed, low vibration 2.Reinforced glass fiber blades, together with the aerodynamic design and structural design,effectively enhance annual output 3.permanent magnet generator rotor using patented alternator,with the special stator design, effectively reduce the resistance torque and improve performance https://www.doczj.com/doc/401500458.html,ing advanced mechanic yaw technique,tail auto furls in strong wind ,thus well protect
第三章 水平轴风力发电机组空气动力学理论 研究风能工程中的空气动力问题的方法有理论计算，风洞实验和风场测试，它们相互补充，相互促进。由于绕风力机的流动十分复杂，目前，理论计算还有一定的局限性，因此，还需要通过风洞实验和风场测试的方法来加以补充和完善。 本章主要围绕水平轴风力发电机组空气动力学理论进行阐述，内容包括动量理论，叶素理论，叶素-动量理论等基本理论，风轮的气动特性，叶片设计，叶尖损失，翼型升力和阻力等内容； 研究风力发电机的气东理论需要具备一定的流体动力学的知识，诸如不可压缩气流静态贝努利（Bernoulli ）方程和连续性概念。Biot-Savart 法则，类似于电磁场来确定涡流速度，Kutta-Joukowski 确定边界涡流等。 3.1 基本理论 3.1.1动量理论 动量理论可用来描述作用在风轮上的力与来流速度之间的关系。 流经转动盘面的整个气体流速的变化 ()a U U d -=∝1乘以质量流率，即是整个气体流动量的改变： ()d d w U A U U ρ-=∝动量变化率 （3- 1） 动量的变化完全来自于制动桨盘的静压的改变，而且整个流管周围都被大气包围，上下静压差为0，所以有： ()()()a U A U U A p p d w d d d --=-∝∝-+ 1ρ （3- 2） 通过贝努利方程可以获得此压力差-+-d d p p ，因为上风向和下风向的能量不 同，贝努利方程表示在稳定条件下，流体中的整个能量由动能、静压能和位能组成。不对流体做功或流体不对外做功的情况下，总能量守恒，因此对单位气流，有下式成立： .tan 2 12t cons gh p U =++ρρ （3- 3） 上风向气流有： d d d d d gh p U p gh U ρρρρ++=+++∝∝∝∝∝222 121 (3- 4) 假设气体未压缩d ρρ=∝，并且在水平方向d h h =∝ 则 +∝∝+=+d d p U p U 222 121ρρ (3- 4a) 同样下风向气流有： -∝+=+d d w p U p U 222 121ρρ ( 3- 4b) 两方程相减得到：
课程设计(综合实验)报告( -- 年度第一学期) 名称： 题目： 院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成绩： 日期：
一、目的与要求 本次课程设计的主要目的： 1.掌握动量叶素理论设计风力机叶片的原理和方法 2.熟悉工程中绘图软件及办公软件的操作 3.掌握科研报告的撰写方法 本次课程设计的主要要求： 1．要求独立完成叶片设计参数的确定，每人提供一份课程报告 2．每小组提供一个手工制作的风力机叶片 二、主要内容 设计并制作一个风力机叶片 1．原始数据 三叶片风力机功率P＝6.03KW 来流风速7m/s 风轮转速72rpm 风力机功率系数Cp＝0.43 传动效率为0.92 发电机效率为0.95 空气密度为1.225kg/m3 全班分为2个小组，每个小组采用一种风力机翼型，翼型的气动数据（升力系数，阻力系数， 俯仰力矩系数）已知。 2．设计任务 2.1风力机叶片设计：根据动量叶素理论对各个不同展向截面的弦长和扭角进行计算， 按比例画出弦长、扭角随叶高的分布。 2.2根据以上计算结果手工制作风力机叶片，给出简单的制作说明。 四、数据计算 选用翼型s819 (一)叶片半径的计算：
由风力发电机输出功率： 21238 1 ηηπρP r C D V P = 得，叶片直径： m C V P D P r 10.37 .048.08234.1800 883 2 13=?????= = πηηπρ 叶片半径： m D R 55.123.12=== (二) 叶尖速比的计算： 整个叶片的叶尖速比： 31.57 329.460/72260/2110=??=?=Ω= ππλv R n V R 半径r 处的叶尖速比：1 0V r Ω=λ ① 设计中取9处截面，分别是叶片半径的20%处，叶片半径的30%处，叶片半径的40%处，叶片半径的 50%处，叶片半径的60%处，叶片半径的70%处，叶片半径的80%处，叶片半径的90%处，则由式①得到各截面处的叶尖速比分别为： 60.01 %20% 10=?= V R ωλ 1.201 %20% 20=?= V R ωλ 1.801 %30% 30=?= V R ωλ 40.21%40% 40=?= V R ωλ 00.31 %50% 50=?= V R ωλ 3.601 %60% 60=?= V R ωλ 20 .41 %70% 70=?= V R ωλ 80.41%80%80=?=V R ωλ 60 .51 %90% 90=?= V R ωλ 00.61 %90% 100=?= V R ωλ 各截面处翼型弦长： 确定每个剖面的形状参数N: 可根据公式： 9 4 )(/91622 00 + = R r r R N λλπ
风力发电机介绍 目录 1. 风力发电发展的推动力 2.风力发电的相关参数 2.1.风的参数 2.2.风力机的相关参数（以水平轴风力机为例） 3.风力机的种类 3.1.水平轴风力机 3.2.垂直轴风力机 4.水平轴风力机详细介绍 4.1.风轮机构 4.2.传动装置 4.3.迎风机构 4.4.发电机 4.5.塔架 4.6.避雷系统 4.7.控制部分 5.风力发电机的变电并网系统 5.1.（恒速）同步发电机变电并网技术
5.2.（恒速）异步发电机变电并网技术 5.3.交—直—交并网技术 5.4.风力发电机的变电站的布置 6.风力发电场 7.风力机发展方向 1. 风力发电发展的推动力： 1) 新技术、新材料的发展和运用； 2) 大型风力机制造技术及风力机运行经验的积累； 3) 火电发电成本（煤的价格）上涨及环保要求的提高（一套脱硫装置价格相当 一台锅炉价格）。 2. 风力发电的相关参数： 2.1. 风的参数： 2.1.1. 风速： 在近300m的高度内，风速随高度的增加而增加，公式为： V：欲求的离地高度H处的风速； V0：离地高度为H0处的风速（H0=10m为气象台预报风速的高度）； n：与地面粗糙度等因素有关的指数，平坦地区平均值为0.19～0.20。 2.1.2. 风速频率曲线：
在一年或一个月的周期中，出现相同风速的小时数占这段时间总小时数的百分比称风速频率。 图1：风速频率曲线 2.1. 3. 风向玫瑰图(风向频率曲线)： 在一年或一个月的周期中，出现相同风向的小时数占这段时间总小时数的百分比称风向频率。以极座标形式表示的风向频率图叫风向玫瑰图。 图2：风向玫瑰图
一.总体参数设计 总体参数就是设计风力发电机组总体结构与功能的基本参数,主要包括额定功率、发电机额定转速、风轮转速、设计寿命等。 1. 额定功率、设计寿命 根据《设计任务书》选定额定功率P r =3、5MW;一般风力机组设计寿命至少为20年,这里选20年设计寿命。 2. 切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in = 3m/s 切出风速 取 V out = 25m/s 额定风速 V r = 12m/s(对于一般变桨距风力发电机组(选3、5MW)的额定风速与平均风速之比为1、70左右,V r =1、70V ave =1、70×7、0≈12m/s) 3. 重要几何尺寸 (1) 风轮直径与扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径: m C V P D p r r 10495.096.095.045.012225.13500000 883 3 213≈???????==πηηηπρ 其中: P r ——风力发电机组额定输出功率,取3、5MW; ——空气密度(一般取标准大气状态),取1、225kg/m 3; V r ——额定风速,取12m/s; D ——风轮直径; 1η——传动系统效率,取0、95; 2η——发电机效率,取0、96; 3η——变流器效率,取0、95; C p ——额定功率下风能利用系数,取0、45。 由直径计算可得扫掠面积: 22 2 84824 1044 m D A =?= = ππ 综上可得风轮直径D=104m,扫掠面积A=84822 m
4. 功率曲线 自然界风速的变化就是随机的, 符合马尔可夫过程的特征, 下一时刻的风速与上一时刻的结果没什么可预测的规律。由于风速的这种特性, 可以把风力发电机组的功率随风速的变化用如下的模型来表示: )()()(△t P t P t P sta t += )(t P ——在真实湍流风作用下每一时刻产生的功率, 它由t 时刻的V(t)决定; )(t P stat ——在给定时间段内V(t)的平均值所对应的功率; )(△t P ——表示t 时刻由于风湍流引起的功率波动。 对功率曲线的绘制, 主要在于对风速模型的处理。若假定上式表示的风模型中P stat (t)的始终为零, 即视风速为不随时间变化的稳定值, 在切入风速到切出风速的范围内按照设定的风速步长, 得到对应风速下的最佳叶尖速比与功率系数,带入式: 32123 8 1ηηπηρD V C P r P = 1η——传动系统效率,取0、95; 2η——发电机效率,取0、96; 3η——变流器效率,取0、95; ——空气密度(一般取标准大气状态),取1、225kg/m 3; V r ——额定风速,取12m/s; D ——风轮直径; C p ——额定功率下风能利用系数,取0、45。
水平轴与垂直轴风力发电机的比较 班级：学号：姓名： 摘要：本文主要对水平轴风力发电机与垂直轴风力发电机在设计方法、结构等多方面进行了比较，最终得出垂直轴风力发电机大有可为的结论。 关键词：风力发电机；垂直轴；水平轴；设计； 1 引言 风能是一种取之不尽,无任何污染的可再生能源。地球上的风能资源极其丰富，据专家估计，仅1%的地面风力就能满足全世界对能源的需求。人类利用风能已有数千年历史，在蒸汽机发明以前风能曾作为重要的动力，应用于人类生活的众多方面。风力发电的探索，则起源于19世纪末的丹麦，但是直到20世纪70年代以前，还只有小型充电用风力发电机达到实用阶段。1973年爆发石油危机以后，美国、西欧等发达国家为寻求替代石油燃料的能源，投入了大量经费，动员高科技产业，利用计算机、空气动力学、结构力学和材料科学等领域的新技术研制风力发电机组，开创了风能利用的新时代。由于风力发电技术的不断发展，风力发电越来越受到世界各国的重视。 垂直轴风车很早就被应用于人类的生活领域中，中国最早利用风能的形式就是垂直轴风车。但是垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚一些，直到20世纪20年代才开始出现（Savonius式风轮——1924年，Darrieus式风轮——1931年）。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机，因而导致垂直轴风力发电机长期得不到重视。 随着科技的发展和人类认识水平的不断提高，人们逐渐认识到垂直轴风轮的尖速比不能大于1仅仅适用于阻力型风轮（Savonius式风轮），而升力型风轮（Darrieus式风轮）的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低于水平轴。近年来，越来越多的机构和个人开始研究垂直轴风力发电机，并取得了长足的发展。
垂直轴风力发电机研究 报告 Document serial number【NL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108】
垂直轴风力发电机研究报告 1.垂直轴与水平轴对比 垂直轴风力发电机与水平轴风力发电机相比，有其特有的优点： ①水平轴风力发电机组的机舱放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，这就造成机组重心高，不稳定，而且安装维护不便。垂直轴风力发电机组的发电机，齿轮箱放置在底部，重心低，稳定，维护方便，并且降低了成本。 ②风力发电机的客户越来越需要使用寿命长、可靠性高、维修方便的产品。垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，因此疲劳寿命要长于水平轴风轮；垂直轴风力发电机的构造紧凑，活动部件少于水平轴风力机，可靠性较高；垂直轴系统的发电机可以放在风轮下部甚至地面上，因而便于维护。 ③风力发电机由于高度限制和周围地貌引发的乱流，常常处于风向和风强变化剧烈的情况，垂直轴风力发电机有克服“对风损失”和“疲劳损耗”上有水平轴风力发电机不可比的优点，且理论风能利用率可达40％以上．因此在考虑了较小的启动风速和对风力机影响较大的“对风损失”之后，从而提高垂直轴风轮的风能实际利用率。 ④水平轴风力发电机组机仓需360度旋转，达到迎风目的。这个调节系统包含有旋转机构，风向检测，角位移发送，角位移跟踪等系统。垂直轴风力机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。 ⑤水平轴风力发电机的翼片受到正面风载荷力，离心力，翼片结构相似悬臂梁。翼片根部受到很大弯矩产生的应力。而且翼片在旋转一周的过程中，受惯性力和重力的综合作用，惯性力的方向是随时变化的，而重力的方向始终不变，这样翼片所受的就是一个交变载荷，这就要求翼片有很高的的疲劳强度，因此大量事故都是翼片根部折断。而垂直轴风机的翼片主要承受拉应力，不易折断，寿命长。
一、尚特光电公司简介： 深圳尚特绿色能源股份有限公司，德国慕尼黑工业大学新能源技术、澳大利亚新南威尔士大学太阳能研究所、清华大学深圳低碳节能研究院合作伙伴，是一家专门从事太阳能、风能发电与控制技术研发、生产、销售、服务为一体的高新科技企业，凝聚着一批国际新能源领域顶尖的科研人才，拥有多项国家发明专利，公司组织机构完善，管理严格，已建立完善的品质管理体系，顺利通过了ISO09001: 2008质量管理体系认证和产品的CE、ROSH、UL认证等。 核心技术为：磁悬浮风力发电与控制技术、跟踪式太阳能发电系统、高倍聚光太阳能发电系统、风光互补发电与控制系统；产品广泛应用于城市、农村道路照明，家庭别墅、通信基站、交通监控、部队边防用电等中小离网型发电站，以及大型光伏并网发电站等，其中磁悬浮风力发电机能微风启动、轻风发电，解决了世界大部分低风速地区无法发电的技术难题，太阳能跟踪式发电系统比固定式的太阳能发电系统提高40～80%的发电量，高倍聚光太阳能发电系统比固定式的太阳能发电系统提高80～150%的发电量，大大降低了中大型光伏发电厂的发电成本，是目前世界上领先的第三代太阳能发电技术。 尚特不仅提供高品质的追日式太阳能跟踪系统、磁悬浮风力发电机、控制与逆变器等系列产品，同时在太阳能、风能项目的立项咨询、方案设计、施工安装、运行维护方面提供国际化高水准的强大服务团队，服务于全球商用或民用光伏电站建设和各类太阳能、风能应用项目的咨询、设计、系统集成、工程承包等一站式解决方案，保证产品长期稳定运行、最大限度降低用户的建设与维护成本。 “为人类能源可持续发展提供专业高效的解决方案”，一直是尚特的崇高使命；“精益求精、诚臻服务”始终是尚特对客户的永久承诺，我们也必将长期置身于清洁能源技术应用的领先行列，引领绿色节能时代的革命! 二、SUNTOP产品技术特点 ·SUNTOP磁悬浮微风发电机由深圳尚特绿色能源有限公司与德国幕尼黑工业大学历时四年共同研发创造，技术处于世界领先地位，并在全球范围内申请多项专利。 ·SUNTOP磁悬浮微风发电机集磁悬浮技术、电机工程、动力机械、航空大气工程、外观设计、实用设计、风洞测验、电脑模拟分式等学科于一体，采用轻型铝合金、钛金、不锈钢紧固件等轻型特殊材料制造。 ·SUNTOP磁悬浮风力发电机，由磁悬浮风力发电电机、垂直式万向受风装置（风叶）与法兰组成。 （一）、电机部分工作原理是：采用磁悬浮技术理论、将电机线圈悬浮于一 定的空间，在没有任何机械摩擦阻力以及在风力驱动作用下，使电机转动并 切割磁力线发出三相交流电；电机外壳由高强度铝合金模具成型，转动轴材 料为不锈钢，电机内部由定子、外转子、磁缸、稀土磁铁、高纯度铜线圈，通过 磁悬浮技术组合而成。
《风力发电机组设计与制造》 课程设计报告 院系：可再生能源学院 班级：风能0902班 姓名：陈建宏学号：1091540204 指导老师：田德、王永 提交日期：
一、设计任务书 1、设计内容 风电机组总体技术设计 2、目的与任务 主要目的： 1)以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法； 2)熟悉相关的工程设计软件； 3)掌握科研报告的撰写方法。 主要任务： 每位同学独立完成风电机组总体技术设计，包括： 1)确定风电机组的总体技术参数； 2)关键零部件（齿轮箱、发电机和变流器）技术参数； 3)计算关键零部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）载荷和技术参数； 4)完成叶片设计任务； 5)确定塔架的设计方案。 每人撰写一份课程设计报告。 3、主要内容 每人选择功率范围在1.5MW至6MW之间的风电机组进行设计。 1）原始参数：风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.0m/s，60米高度年平均风速为7.3m/s，70米高度年平均风速为7.6 m/s，当地历史最大风速为48m/s，用户希望安装1.5MW 至6MW之间的风力机。采用63418翼型，63418翼型的升力系数、阻力系数数据如表1所示。空气密度设定为1.225kg/m3。 2）设计内容 （1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的C p曲线和C t曲线，风力机基本参数包括叶片数、风轮直径、额定风速、切入风速、切出风速、功率控制方式、传动系统、电气系统、制动系统形式和塔架高度等，根据标准确定风力机等级； （2）关键部件气动载荷的计算。设定几种风轮的C p曲线和C t曲线，计算几种关键零部件的载荷（叶片载荷、风轮载荷、主轴载荷、连轴器载荷和塔架载荷等）；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）和型式。以上内容建议用计算机编程实现，确定整机和各部件（系统）的主要技术参数。（3）塔架根部截面应力计算。计算暴风工况下风轮的气动推力，参考风电机组的整体设计参数，计算塔架根部截面的应力。最后提交有关的分析计算报告。
论水平轴风力发电机效率
严强 蒋超奇 （上海麟风风电设备有限公司https://www.doczj.com/doc/401500458.html,，上海，200063） 摘要：本文主要探讨了水平轴风力发电机效率计算中的方法缺陷，指出了产生计算误差的理论原因。通过对 某型水平轴风力发电机的效率修正，证明了其实际效率值要比计算效率值小很多。
V 水平轴 风V1
测风仪
风V2
实度比：叶片受风面积之和与风轮扫风面积之比。 尖速比：叶尖处的线速度和风速之比。 V1 P1 Pa V
ww
a
名词解释
w.
A
V2 P2 Pb
图 2 贝兹理论示意图 1
1
贝兹理论
sim
图1
水平轴风力发电机示意图
os
ol
ar .c
om
b
假设条件：
1）风轮没有锥角、倾角、偏角 2）风没有粘性 3）风轮流动模型可以简化为一个单元流管 4）风轮前、后的气流静压相等P1=P2 5）作用在风轮上的推力是均匀的
c 计算公式
作用在风轮上的推力T为：T=m(V1-V2) 式中V1为来流风速，V2为风流过风轮后无穷远处的风速，m=ρSV，是单位时间内的质量流量。 根据风轮前后的压力差，作用在风轮上的推力可以表达成T=S(Pa-P b)，式中Pa是风轮前的风压，Pb是风流过
根据伯努力方程可得： 1/2ρV1 +P1= 1/2ρV +Pa 1/2ρV2 +P2= 1/2ρV +Pb V=1/2(V1+V2) 令 V=V1(1-a) 则 V2=V1(1-2a)
2 2 2 2
V2/V1=(1-2a)为流过风轮后无穷远处的风速与来流风速之比, a=(1-V2/V1)/2 为扰流因子， 则水平轴风轮的轴功率为： P=m(V1 /2-V2 /2) P=2ρSV1 a(1-a)
3 2 2 2
风轮最大轴功率发生在 dp/da=0 时，即 dp/da=2ρSV1 (1-4a+3a )=0，当 a=1/3 时，即(V2/ V1=1/3 时) Pmax=16/27(0.5ρSV1 ) Cp=P/0.5ρSV1
3 3 3 2
Cpmax=16/27=0.593 Cp=4a(1-a)
2
ww
w.
sim
os
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om
风轮后的风压
（1）
a=(1-V2/V1)/2 当V2 / V1为 1/2 时，即a=1/4，Cp1/2 =0.563
2
课程设计(综合实验)报告 ( 2012 – 2013 年度第二学期) 名称： 院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 成绩： 日期：2013年 7月3日 目录
任务书 一设计内容 风电机组总体技术设计 二目的与任务 主要目的： 1. 以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法； 2. 熟悉相关的工程设计软件； 3. 掌握科研报告的撰写方法。 主要任务： 每位同学独立完成风电机组总体技术设计，包括： 1. 确定风电机组的总体技术参数； 2. 关键零部件（齿轮箱、发电机和变流器）技术参数；
3. 计算关键零部件（叶片、风轮、主轴、连轴器和塔架等）载荷和技术参数； 4. 完成叶片设计任务； 5. 确定塔架的设计方案。 6. 每人撰写一份课程设计报告。 三主要内容 每人选择功率范围在1.5MW至6MW之间的风电机组进行设计。 1.原始参数：风力机的安装场地50米高度年平均风速为7.0m/s，60米高度年平均风速为7.3m/s，70米高度年平均风速为7.6 m/s，当地历史最大风速为49m/s，用户希望安装1.5 MW至6MW之间的风力机。采用63418翼型，63418翼型的升力系数、阻力系数数据如表1所示。空气密度设定为1.225kg/m3。 2.设计内容 （1）确定整机设计的技术参数。设定几种风力机的C p 曲线和C t 曲线， 风力机基本参数包括叶片数、风轮直径、额定风速、切入风速、切出风速、功率控制方式、传动系统、电气系统、制动系统形式和塔架高度等，根据标准确定风力机等级； （2）关键部件气动载荷的计算。设定几种风轮的C p 曲线和C t 曲线， 计算几种关键零部件的载荷（叶片载荷、风轮载荷、主轴载荷、连轴器载荷和塔架载荷等）；根据载荷和功率确定所选定机型主要部件的技术参数（齿轮箱、发电机、变流器、连轴器、偏航和变桨距电机等）和型式。以上内容建议用计算机编程实现，确定整机和各部件（系统）的主要技术参
目录 风力机原理与应用课程设计说明书 (1) 一、设计题目 (1) 二、设计任务 (1) 三、原始数据 (1) 四、设计步骤 (1) 1、计算风轮直径D (1) 2、确定尖速比λ (2) 3、确定叶轮的实度σ和叶片数目z (2) 4、将风轮叶片分为10个剖面，每个剖面间隔0.1R，计算各剖面的λ 值 (3) 5、确定各剖面的来流角Φ (3) 6、确定各剖面的形状参数N (3) 7、选取翼型 (3) 8、计算弦长 (4) 9、计算叶片展弦比Sp (5) 10、根据叶片的展弦比，对升力曲线进行修正 (5) 11、根据αc，计算θ角 (6) 12、绘制精确的叶片和翼型图 (6) 五、设计结果及说明 (6)
风力机原理与应用课程设计说明书 一、设计题目 风轮叶片气动设计 二、设计任务 （1）基于叶素和动量理论设计水平轴风力机叶片； （2）绘制风力机叶片弦长随叶片展向长度的变化曲线； （3）绘制风力机叶片扭角随叶片展向长度的变化曲线； （4）绘制设计风力机的性能曲线； （5）绘制设计叶片的图纸，以及各位置的叶片翼型结构图纸； （6）编写设计说明书一份，并附上必要的计算公式。 三、原始数据 三叶片风力机功率P ＝600.0KW 来流风速V 1＝14m/s 风轮转速n ＝26.8rpm 风力机功率系数C p ＝0.43 传动效率为η1＝0.92 发电机效率为η2＝0.95 空气密度为ρ＝1.225kg/m 3 四、设计步骤 1、计算风轮直径D 根据公式21p 3128 1 ηηρπC V D P =得2 1p 138ηηρπC V P D = ，故D=34.8m ，R=17.4m 。
姓名：陈建宏 学号：1091540204 指导老师：田德、王永提交日期：
一、设计任务书 1、设计内容 风电机组总体技术设计 2、目的与任务 主要目的： 1)以大型水平轴风力机为研究对象，掌握系统的总体设计方法； 2)熟悉相关的工程设计软件； 3)掌握科研报告的撰写方法。 主要任务： 所
5、 设计（实验）成果要求 提供设计的风电机组的性能计算结果； 绘制整机总体布局工程图。 6、 考核方式 每人提交一份课程设计报告；准备课程设计PPT ，答辩。 二、总体参数设计 1、额定功率 根据《设计任务书》选定额定功率为5MW 。 2、设计寿命 一般风力机组设计寿命至少为20年，这里选20年设计寿命。 3、切出风速、切入风速、额定风速 切入风速 取 V in =3m/s 切出风速 取 V out =25m/s 额定风速 取 V r =13m/s 对于一般变桨距风力发电机组（选5MW ）的额定风速羽平均风速之比为1.70左右，在70m 处： V r =1.70V ave =1.70×7.6≈13m/s 4、发电机额定转速和转速范围 5、重要几何尺寸 （1）风轮直径和扫掠面积 由风力发电机组输出功率得叶片直径： D= 3 r p 123 8P V C r πρηηη==114m 其中： P r --风力发电机组额定输出功率，取5000kW ； --空气密度（一般取标准大气状态），取1.225kg/m 3； V r --额定风速，取13m/s ； D--风轮直径； --传动系统效率，取0.92； --发电机效率，取0.95； --变流器效率，取0.95； C p --额定功率下风能利用系数,取0.44。 由直径计算可得扫掠面积： S= = =10207 综上可得风轮直径D=114m ，扫掠面积S=10207 。 （2）轮毂高度 轮毂高度是从地面到风轮扫掠面中心的高度，用Z hub 表示
课程设计风力机
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。 机械与动力工程学院 风力机空气动力学课程设计设计题目：小型三叶片风力机叶片设计设计人：王伦 班级：风能1101 组号： 4 指导教师：姚桂焕 设计时间： 2周 成绩： 日期： .6.23- .7.4
设计内容及要求
第一章风力机发展程 风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大，全球的风能约为 2.74×10^9MW，其中可利用的风能为2×10^7MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风很早就被人们利用--主要是经过风车来抽水、磨面等，而现在，人们感兴趣的是如何利用风来发电。把风的动能转变成机械动能，再把机械能转化为电力动能，这就是风力发电。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据当前的风车技术，大约是每秒三米的微风速度（微风的程度），便能够开始发电。风力发电正在世界上形成一股热潮，因为风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射或空气污染。 1.1风力机简介 风力机，将风能转换为机械功的动力机械，又称风车。广义地说，它是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用发动机。许多世纪以来，它同水力机械一样，作为动力源替代人力、畜力，对生产力的发展发挥过重要作用。近代机电动力的广泛应用以及20世纪50年代中东油田的发现，使风力机的发展缓慢下来。70年代初期，由于“石油危机”，出现了能源紧张的问题，人们认识到常规矿物能源供应的不稳定性和有限性，于是寻求清洁的可再生能源遂成为现代世界的一个重要课题。风能作为可再生