小型垂直轴风力发电系统设计方案

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1、小型垂直轴风力发电系统设计方案第一章绪论1.1国内外风力发电的发展现状及其趋势随着能源紧缺及化石燃料对环境污染日趋严重，开发新型能源成为各国经济发展的关键，目前可再生能源有太阳能、风能、地热能等。风能发电是目前为止技术最为成熟，历史最为悠久的发电方式，是具有大规模发展潜力的可再生能源，有可能成为重要的替代能源。自13世纪起，水平轴风车产业就成为了农村经济结构的主要部分，而利用风力发电的历史可以追溯到19世纪晚期，美国的Brush研制了第一台12kW的直流风力机。Golding(1955)、Shepherd和Divone(199

2、4)记录了早期的风力机发展史。1931年，苏联制造了一台100KW、直径30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)风力机；19世纪50年代早期，英国制造了一台100KW、直径24m的AndreaEnfield(安德鲁-恩菲)风力机。1956年，丹麦建造了一台200KW、直径24m的Gedser(盖瑟)风力机，1963年法国电力工业试验了一台功率1.1MW、直径35m的风力机。在德国，Hutter(胡特)于19世纪50年代和60年代建立了一些新型的风力机。由于石油价格突然上涨，美国开始建造一系列示范风力机组，如1975年的功率1

3、00KW、直径38m的Mod-0风力发电机组和1987年的功率2.5MW、直径97.5m的Mod-5B风力发电机组。目前世界上最大的风力发电机是德国制造的E-126，高达120m，风轮直径126m，每个叶片长达61.4m，每片重18t，装机功率达到5MW[1]，如图1-1所示。图1-1Enercon的E-126型风力发电机37我国风能资源丰富，根据第三次风能普查结果，我国技术可开发的陆地面积约为24×104km2。考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km2计算，陆上技术可开发量为120×104MW。目前我国风

4、能资源开发利用的重点区域有内蒙古自治区、辽宁省、河北省、吉林省、甘肃省、新疆维吾尔自治区、江苏省等，其中内蒙古自治区技术可开发量约为50×104MW，居全国之首[2]如图1-2所示。图1-2全年平均风能密度分布在国家可再生能源发展规划和风电装备国产化等相关政策的支持下，我过风电产业得到了快速发展，2009年中国（不含台湾省）新增风电装机10129台，容量13803.2MW，年同比增长124%；累计风电装机21581台，容量25805.3MW，年同比增长114%。台湾省当年新增风电装机37台，容量77.9MW；累计装机227台，

5、容量436.05MW[3]，如图1-3所示。图1-3历年我国装机储量371.1小型垂直轴风力发电机发展概况垂直轴风力机（VerticalAxisWindTurbine或VAWT）的风轮轴与风向垂直，风轮的转动与风向无关，但是由于其启动风速较高且功率不稳定，其发展并不像水平轴风力机那么迅速。随着计算科学的飞速发展，垂直轴风力机的优异空气动力性能（尤其是达里厄风力机）渐渐为世人所认识，近年来广泛受到各国研究人员的关注。国外较大的风力发电公司有加拿大的CleanfiledEnergy公司，其主导产品是一种额定功率为3.5kW的升力型

6、叶轮风力发电机，整套系统由玻璃钢纤维和钢材组成，约重181.4kg，叶轮高3m，轮辐直径2.5m。2006年，中国垂直风力发电机实验基地在内蒙古化德县启动运行，目前50kW小样机组已投入运行开始发电，如图1-4所示。2007年，西峡瑞发水电设备公司和哈尔滨发电设备研究中心联合开发设计的1.5MW垂直轴永磁风力发电机研制成功，并在张家口风电场安装运行。图1-4德化县50kW垂直轴风力机37第二章风力发电基本原理2.1风特性2.1.1风能量空气的流动现象称为风，风是由于不同地方的空气受热不均匀，从一个地方向另一个地方运动的空气分子

7、产生的，风的能量就是空气分子的动能，如图2-1所示。图2-1空气流的动能风功率计算公式为联立以上各式得（2.1）从式（2.1）容易看出风速对风能的影响是最大的，因此在沿海地区设计风力机时必须要考虑强台风对设备的影响。372.1.2湍流特性湍流指的是短时间内的风速波动，随着海拔、气候、地形等变化。影响湍流的因素很多，产生湍流的主要原因有：1.由地形差异引起的气流与地表的摩擦。2.由于空气密度差异和气温变化的热效应空气垂直运动。湍流往往是有这两种原因相互作用形成的。湍流无法用简单的数学公式完整的表达出来，其复杂程度超出了人类现有的

8、认识能力。虽然它的活动遵循一定的定律，但是人类想要用这些定律来描述湍流过程是相当困难的，因此只能通过统计学来大致描述湍流。湍流风速变化基本上服从高斯函数，风速变动相对于风速均值服从正态分布,湍流强度I是用来描述湍流总体水平的，计算公式如下[4]：（2.2）式中I为湍流强度；为