小型垂直轴风力发电系统设计方案.docx
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小型垂直轴风力发电系统设计方案
小型垂直轴风力发电系统设计方案
第一章绪论
1.1国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（1994）记录了早期的风力机发展史。
1931年，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风力机组，如1975年的功率100KW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/，如图1-1所示。
图1-1Enercon的E-126型风力发电机
24X
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
104kmi。
考虑到风电场中风力发电机组的实际布置能力，按照5MW/km计算，陆上技术可开发
图1-2全年平均风能密度分布
量为120X104MW目前我国风能资源开发利用的重点区域有自治区、省、省、省、省、新疆维吾尔自治区、省等，其中自治区技术可开发量约为50X10aMW居全国之首［2］如图1-2所示
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（不含省）新增风电装机10129台，容量13803.2MV，年同比增长124%累计风电装机21581台，容量25805.3MV，年同比增长114%省当年新增风电装机37台，容量77.9MV；累计装机227台，容量436.05M调，如图1-3所示。
图1-3历年我国装机储量
1.2小型垂直轴风力发电机发展概况
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，并在风电场安装运行。
图1-4德化县50kW垂直轴风力机
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
方运动的空气分子产生的，风的能量就是空气分子的动能，如图2-1所示。
风功率计算公式为
PW/t
mV
VSL
联立以上各式得
P丄Sv3
2（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。
2.1.2湍流特性
湍流指的是短时间的风速波动，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]:
I/U（2.2）
式中I为湍流强度；为脉动风速的均方根；2为脉动风速动能；U为10min平均风速。
湍流强度由地表的粗糙度和高度决定，通常是在很短的一段时间计算得到的，如几分钟到一小时。
2.2风力发电系统结构框架
小型垂直轴风力发电机不需要并网，只要选择合适的蓄电池就能够提供一般家庭的生活用电，本次设计的发电系统主要由以下几部分构成：
叶轮、发电机、传动机构（包括刹车）塔架、整流、功率控制系统，如图2-2所示。
图2-2系统结构图
第二章小型垂直轴风力发电的总体设计
3.1风力机的种类及选择
风力机的分类方法很多，其中按风力机主轴布置方向可分为水平轴风力机和垂直轴风力
机，水平轴风力机的旋转主轴与风向平行，如图3-1所示。
水平轴风力机组有两个主要优势:
1.实度较低，能量成本低；2.叶轮扫掠面的平均高度可以更高，有利于增加发电量。
图3-1水平轴风力发电机
垂直轴风力机的旋转主轴与风向垂直，如图3-2所示，垂直轴风力机设计简单，风轮无需对风，其优点有：
1.可以接受任何风向的风，无需对风；2.齿轮箱和发电机可以安装在地面，检修维护方便。
图3-2垂直轴风力发电机
按照桨叶受力方式分类可分为升力型风力机和阻力型风力机。
升力型风力机利用叶片的升力带动旋转轴转动，从而转化风能为电能，这种风力机目前较为常见，大部分水平轴风力机都属于升力型风力机。
目前大中型风电主要采用水平轴风力机，属升力型风力机，具有转速高、风的利用率较高等优点，其叶尖速比通常在4以上，最大功率系数可达50%如图3-3
所示。
阻力型风力机利用叶片上受到的阻力来驱动发电机发电，大部分阻力型风力机为垂直轴，目前较少，如图3-4所示。
图3-3升力型风力发电机
图3-4阻力型风力发电机
垂直轴升力型风力机既有垂直轴风力机结构简单、维修方便等优点，又和升力型风力机
一样具有较高转速，风能利用率有所提高。
由于运行过程中受力比水平轴好得多，疲劳寿命要更长。
3.2垂直轴风力机空气动力学
如图3-5所示建立平面坐标系，假定风速矢量为v,叶片端线速度矢量为u,叶片所在位
置夹角为则叶片的平均线速度为[5]
在图3-5中，风速矢量v=（0，-V），叶片速度矢量u=（-Usin0,Ucos0），风对叶片的相对速度w=v+u,坐标运算后得w=（-Usin0，-V+Ucos0）。
iIrtIiii
图3-5垂直风力机动力原理
uuur
相对风速的大小就是矢量w的模|w|，以W表示w的单位矢量，U表示u的单位矢量，
则可以求出此时的攻角a,攻角就是相对风速与叶片弦长所在直线的夹角，按照矢量计算可
推得：
“urrircos（W,U）（3.2）
在风力的作用下，叶片在攻角a时受到的升力F和阻力Fd可以按以下公式计算：
12FlSwG（3.3）
2
将升力和阻力投影到风轮切方向:
F|tF|sin
FdtFdcos
（3.5）
（3.6）
其中Fit为F在切向的分量；Fdt为Fd在切向的分量叶片受力分解如图3-6所示⑹。
切向力的合力产生转矩使风轮转动，叶片在位置角为B时产生的转矩为
（3.7）
M（FitFdt）R
3.2.1风能利用率
风能利用系数Cp是表示风力机效率的重要参数，由于风通过风轮的风能不能完全转化为风轮机械能，其风能利用率Cp为⑺
Cp
（3.8）
风力机输出的机械功率=Pm
输入风轮的功率=巳
其中Pm为风力机输出的机械功率；Pw为风力机输入的风能。
目前大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大部分是由叶片设计方计算得到的，一般在
40鸠上。
由于之前一般都是利用叶素理论来计算垂直轴风力机的风能利用率，得出的结果不
如水平轴，但是根据国外最新的实验表明垂直轴的风能利用率不低于40%］，再加上水平轴风
力机受到风向变化的影响，而垂直轴风力机可以在任何风速角下工作，因此有理由相信垂直轴风力机的利用率能够超过水平轴。
322Cp-入功率特性曲线
风能利用系数Cp一般是变化的，它随着风速与风轮转速变化而变化，叶片尖端线速度与风速之比叫做叶尖速比入（将在第3.2.4节具体说明），为了得到最佳的风能利用率，一般根据Cp-入曲线来选择合适的叶尖速比，如图3-7所示。
图3-7Cp-入曲线图
从图3-7中看出，当叶尖速比达到7.5左右时风能利用系数最大，风能利用率最高，Cp
值有一个最大值，实际风力机一般都达不到这么高的风能利用率，所以我们先初定叶尖速比在入=6,风能利用率Cp=0.4时对风力机进行设计，具体的Cp-入图还需根据具体的风力机叶片试验及攻角调整来确定。
3.2.3贝茨极限
风能利用系数缩短能达到的最大值就是贝茨极限，德国空气动力学家AlbertBetz提出
贝茨极限后，直到今天还没有人能设计出超过这个极限的风力机，该极限不是由于设计不足造
成的，而是因为流管不得不在致动盘上游膨胀，使得自由流速比在圆盘处小，贝茨极限由一下微分方程得出[9]:
型4（1a）（13a）0
（3.9）
da
式中a为气流诱导因子。
解微分方程可知当a=1/3时，Cp最大，求得最大Cp=0.953
3.2.4叶尖速比
风轮叶片尖端线速度与风速之比称为叶尖速比，阻力型风力机叶尖速比一般为0.3至
0.6，升力型风力机叶尖速比一般为3至&在升力型风力机中，叶尖速比直接反映了相对风速与叶片运动方向的夹角，即直接关系到叶片的攻角，是分析风力机性能的重要参数。
叶尖速比计算公式为
（3.10）
R2nR
v60v
3.2.5风力机的功率及扭矩计算
由省情资料库中的图像资料可以看出地区地面平均风速在4m/s〜6m/s左右，如图3-8所
示。
图3-8省风速分布
从气象（）24小时监测的结果可以看出，地区一天4级风（约8m/s）
出现的频率最高，如图3-9所示。
图3-9某日24小时风速监测图
风力机的额定风速按照国家标准《GBT13981-2009小型风力机设计通用要求》：
风轮扫掠面积小于等于40吊的风力机额定风速Vn在6m/s〜10m/s，我们将风力机的风速暂定为8m/s<
风力机设计发电功率为300W现在我们来计算通过该风力机的总功率，按风力机效率Cp=40%则风力机的输入功率为
根据公式（2.1）得扫风面积为
式中P为风力机实际获得总功率，Wp为空气密度，kg/m3；取标准值1.25kg/m3；S为风
轮的扫风面积，m；v为上游风速，m/s。
以上结果表明：
通过风功率为750W勺风力机组，扫掠面积为2.34吊，在风速为8m/s的情况下发电功率为300W风轮高度与直径的比值为风轮的高径比，应该在输出相同功率时叶片制造费用最低的条件下，选择高径比，研究表明，高径比为1附近时相同的材料扫风面积
最大，其中H为风轮高度，D为风轮直径。
由
HD2.34
H
1D
得到H=1.5mD=1.6m产生的扫掠面积基本上能符合要求。
风力机转矩[10]:
3.3叶片选型
叶片是利用气流通过时产生的压力差使叶轮转动的部件，具有空气动力学特性，其设计质量对整个风力发电系统及其他零部件有这直接影响，因此叶片是风力机的重要部件。
叶片的设计目标主要有：
1.良好的空气动力外形；
2.可靠地结构强度；
3.合理的叶片刚度；
4.良好的结构动力学特性和启动稳定性；
5.耐腐蚀、万便维修；
6•满足以上目标前提下，尽可能减轻叶片重量，降低成本。
风力机的翼型多种多样，各有各的优缺点，应用较多的有NACA翼型系列、SERI翼型系
列、NREL翼型系列、RIS①翼型系列和FFA-W翼型系列等，其中NACAS型是美国国家宇航局
（NASA的前身国家航空咨询委员会（NACA提出设计的翼型系列，具有低阻力系数的特点，适合低速运行［11］。
3.3.1叶片实度
风力机叶片的总面积与风通过风轮的面积（风轮扫掠面积）之比称为实度比（容积比）：
是风力机的一个参考数据。
垂直轴风力机的叶片实度计算公式为：
NCL/2RLNC/2R（3.12）
升力型垂直轴风力机叶轮，C为叶片弦长，N为叶片个数，R为风轮半径，L为叶片长度,c为实度比。
合理选取实度比的原则是在保证风轮气动特性的条件下，力求使制造叶片的费用最低。
为了最大限度提高动效率，翼型特性应具有下列要求：
1.升力系数斜度大；
2.阻力系数小；
3.阻力系数与零升角对称。
如图3-10所示三种翼型的阻力系数，可以看出，NACA0012的阻力系数较小，适用于大雷诺数的情况，具有上述特性，故选用较低阻力系数NACA001对称翼型。
图3-10几种翼型的翼型特性
由于NACA001是对称翼型，在图3-11左侧数据表中仅列出了单边的数据，表中c是弦
长（弦长为1.00）;x是弦长坐标（单位是x/c）;y是对应x位置的翼面与弦的距离（单位是
y/c）。
实度比选择在0.5〜0.6围较好。
为此可以得出风轮叶片的弦长:
3.3.2叶片形状及材料
叶片截面结构为主梁蒙皮式，表面材料为铝合金，主梁采用单向承载能力强的硬铝材料，
O型主梁结构制造简单，各向受力均衡。
叶片空心处用聚氨酯泡沫材料填充，剖面形式如图
3-12所示。
3.1所示。
主梁可直接焊接与铝合金蒙皮上，待主梁与蒙皮连接完成后，在空腹结构填入聚氨酯直接发泡填充成型。
由此，风力机的基本参数可以确定，如表
表3.1风力机参数
额定风速
平均效率
叶尖速比
设计功率
8m/s
40%
6
300W
第四章电气设备及传动设计
4.1基本原理
4.1.1法拉第电磁感应原理
磁通量的变化将产生感应电动势，闭合电路的一部分导线切割磁感线将产生感应电流，这种现象叫做电磁感应，1820年H.C.奥斯特发现电流磁效应，之后许多科学家试图解释这一现象，1831年8月，法拉第认为感应电流是由与导体性质无关的感应电动势产生的，即使没有回路没有感应电流，感应电动势依然存在。
法拉第电磁感应定律可用以下公式表示：
eNd（4.1）
dt
其中：
e为感应电动势，N为线圈匝数，d为磁通量变化量。
导线切割磁感线产生的感应电动势可用以下公式表示：
pUmSin（t）lmSin（t）（4.2）
其中B为磁感应强度，L为导线长度,v为导线切割速度。
4.1.2相位角及功率因数
瞬时电压及瞬时电流由以下公式得到:
uUmsin（t）
（4.3）
（4.4）
其中Un为电压最大值，
瞬时功率为：
Im为电流最大值，©是瞬时电压与瞬时电流的夹角。
iImSin（t）
pUmSin（t）ImSin（t）
（4.5）
在一个周期对瞬时功率积分获得平均功率:
UpIpcos
2
对于三相电流，每相电流等于、、3的线圈电流，实际产生的功率为:
（4.7）
PavgUIcos
式中cos即为功率因数
4.2转化装置
4.2.1直驱式永磁同步发电机
永磁同步发电机适合离网型风力发电系统采用，由于发电机转子直接由风轮驱动，因此不需要安装升速齿轮箱，这样避免了齿轮箱产生的损耗、噪声以及材料的磨损等问题。
目前普遍使用的永磁同步发电机主要有FD系列和YF系列，按照功率和转速选择发电机，经过查阅《中国电器工程大典第九卷-电机工程》P617表5.5-2，现选择发电机型号为FD-300,其基本参数如表4.1所示。
表4.1发电机参数
型号
额定功率
/W
发电机
额定电
压/V
重量
/kg
启动力矩
/Nm
额定电流
/A
发电机额定转速
FD-300
300
28
17
<0.35
10.7
400r/min
4.2.2电气系统电路设计
由于本人对电力控制方面不是很了解，因此只能对现有前人的论文进行一些改动[12]。
功
4-1所
率控制部分设计限于知识水平本人无法所有完成，只能大概叙述基本工作原理，如图示。
永磁直驱同步发电机转子输出三相交流电经过不控整流电路整流后对蓄电池进行充电，
电子调压电路的功能除了对蓄电池充电的控制外，还负责多余电能的卸荷。
12V蓄电池接
boost电路进行升压，升压后电压为24V,整个系统对外供电电压也为24V。
光电编码器的额定电压是5V,因此在电路中加入R1与R2进行分压限流。
4.3传动系统结构设计及计算
4.3.1传动轴的设计
主传动轴只承受扭矩，不受弯矩，按空心主轴扭转强度估算主轴最小直径:
其中A为系数，按《机械设计手册单行本-轴承及其连接表5-1-19》选取；d为轴端直径，mmn为轴的工作转速，r/min；P为轴传递的功率，kW为空心轴的径d1与外径d的比值，a=d』do
查阅《机械设计手册单行本-轴承及其连接表5-1-19》得45钢的A值取110，已知功率
为750W主轴额定转速n为400转/min。
代入式（4.8）后得到
按照主轴扭转刚度计算直径:
1
3r
其中B为系数，按《机械设计手册单行本-轴承及其连接表5-1-20》选取，查阅《机械设计手册单行-本轴承及其连接表5-1-20》得一般传动时B值取91.5，已知功率为0.75kW,主轴
额定转速n为400转/min,代入式（4.10）后得到
（4.11）
如果截面上有键槽时，应将求得的轴径增大，其增大值见《机械设计手册单行本轴-承及
其连接》表5-1-22，增大值应选7%最后得出的最小外径d=21.1mm为了安全，我们选择的轴外径为d=30mm径d1=18mm采用45钢调质处理，主轴如图4-2所示。
["Z[1
r
图4-2主轴示意图
校核主轴安全系数，主轴转矩为
3V2
T0.5CpR3—
（4.12）
只考虑扭拒作用时的安全系数为
K
am
（4.13）
其中“为对称循环应力下的材料扭转疲劳极限，Mpa见《机械设计手册单行本轴-承及其连
-1
接表5-1-1》，1115；K为扭转时的有效应力集中系数，见《机械设计手册单行本轴
承及其连接表5-1-30〜表5-1-32》，K1.8；为表面质量系数，一般用《机械设计手册单
行本轴-承及其连接表5-1-36》；轴表面强化处理后用《机械设计手册单行本轴-承及其连接
表5-1-38》；有腐蚀情况时用《机械设计手册单行本轴-承及其连接表5-1-35》或《机械设计
手册单行本轴-承及其连接表5-1-37》，0.44；为扭转时的尺寸影响系数，见《机械设
将各数据代入公式后得
5.3
6.10.216.1
2版第19篇第5章
0.440.89
根据调质45钢s/b0.55，要求查《机械设计手册》（机工版）第
得安全系数为5.0，因此设计的主轴满足要求。
4.3.2轴承的计算及选型
由于风力机不仅承受风轮的扭矩，而且要承受气流方向的一定弯矩，角接触球轴承不仅能够承径向力，同时能够承受一定的径向载荷，因此在主轴上安装两个角接触球轴承。
1•角接触球轴承1的选用计算
角接触球轴承1的安装位置如图4-3所示。
图4-3轴承1的安装位置
轴径d=30mm额定转矩T=4.3Nm由《机械设计手册单行本-轴承表6-2-82》选择角接触球轴承36000型新代号7000C,之所以选用接触球轴承是考虑到主轴在转动时有可能产生径向
载荷，轴承1参数如表4.2所示
表4.2轴承1参数
孔径d
外径D
轴承代
号
极限转速
额定动负荷Cr
额定静负荷
Cor
重量
r/min
滑）
（脂润
30mm
55mm
7006C
9500
11.65kN
8.49kN
0.11kg
轴向载荷:
Fa（m叶片+m支撑架+m主轴+8m叶片支架）g
=15kg9.8N/kg
147N
径向载荷按照最不利状况计算，根据伯努利方程，气流作用在叶片上的压力为:
22
（4.14）
（4.15）
P0.5v0.51.258=40Pa
作用在4个叶片上的总力为
FrPS400.37515N
由《机械设计手册单行本-轴承表6-2-12》推荐使用寿命为100000小时,轴承当量动载荷的计算公式为
PXFrYFa（4.16）
式中X、丫分别为径向动载荷系数及轴向动载荷系数。
可通过查《机械设计手册表28•3-2》
得：
因为
Fa/Cor0.147/8.490.017
Fa/Fr0.102
所以应该选择X=0.44,Y=1.47,代入式子得到
PXFrYFa0.44151.47147222.69N
轴承基本额定动载荷按如下公式计算:
hImI
式中：
C为基本额定动载荷计算值，N;fn为速度因数，按《机械设计手册单行本-轴承表6-2-9》
选取5.85;fm为力矩载荷因数，力矩载荷较小时取1.5，较大时取2,这里选取2;fd为冲击载荷因数，按《机械设计手册单行本-轴承表6-2-10》选取1.2;fT为温度因数，按《机械设计手册单行本-轴承表6-2-11》选取1;fh为寿命因数，按《机械设计手册单行本-轴承表6-2-8》选取0.405；P为当量动载荷。
将各个数据代入式（4.13）得：
585212
C0.2226919.5NC
0.4051r
故选用此轴承能够满足额定载荷的要求。
2•角接触球轴承2的选用计算
角接触球轴承2的安装位置如图4-4所示。
按照《机械设计手册单行本-轴承表6-2-82》选择轴承型号36105（新型号7005C）,参数如表4.3所示。
表4.3轴承2参数
孔径d
外径D
轴承代
号
极限转速
额定动负荷Cr
额定静负荷
Cor
重量
r/min
滑）
（脂润
25mm
47mm
7006C
12000
9.38kN
7.73kN
0.074kg
按照轴承1校核公式（4.15）对轴承进行校核:
FrPS400.37515N
Fa（m叶片+m支撑架+m主轴）g
=15kg9.8N/kg
147N
轴承当量动载荷按公式（4.16）得:
PXFrYFa
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