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關于垂直軸風力發(fā)電機系統(tǒng)結構的研究——文獻綜述
摘要:隨著不可再生能源的消耗，人們逐漸被能源危機的陰影所困擾。于是人們想到以風力發(fā)電作為補充能，垂直軸風力發(fā)電機和水平軸風力發(fā)電機面世了。相比水平軸風力發(fā)電機，垂直軸風力發(fā)電機有著啟動風力小，風能利用率高，故障率小，低噪音等諸多優(yōu)點。本文就垂直軸風力發(fā)電機的基礎上進行優(yōu)缺點分析，總結國內外風力發(fā)電機的發(fā)展概況。
關鍵詞：風力發(fā)電機，結構組成，工作原理，優(yōu)化設計，結構設計
1、引言
在如今化石能源不斷消耗日益減少的時刻，發(fā)展可再生能源的利用變得尤為重要。而風力是一種具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ脑偕鍧嵞茉碵1]。作為一種替代礦物燃料，可再生，是豐富，分布廣泛，清潔，不產生溫室氣體的排放。能從風能中提取的經濟力量總額是大大超過目前人類利用來自所有來源，并且在操作過程中，和每單位煤和天然氣能源生產的裝置成本相近 [2]。
風力發(fā)電機種類很多，但總體的歸納起來分為2種：水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。水平軸風輪的旋轉和風向平行，具有對風裝置，能隨風改變而轉動。垂直軸的風輪一般垂直地面，結構設計簡單，而且無需對風，減少了風輪對風是的陀螺力[3]。目前，水平軸風力發(fā)電機的技術水平要高于垂直軸，風力機大部分都是水平軸，但水平軸風力機由于結構原因，具有一些不可避免的缺陷，而且技術專利大多為國外公司所有，對國內風力發(fā)電機的發(fā)展極為不利，垂直軸風力機其設計方法先進，風能利用率高，啟動速度低，基本不產生噪音等有點，被人們認識和重視，具有廣泛的市場應用前景。
2、風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
2.1風力發(fā)電機的基本知識
風力發(fā)電機裝置主要由葉片、調速機構、低速軸、齒輪箱、剎車、高速軸、發(fā)電機、調向結構、臺架、塔架構成[4]。風力發(fā)電是將風能轉換成機械能的動力熱能，風以一定速度和攻角作用在槳葉上，使槳葉產生旋轉力矩，轉動軸，并通過低速軸，增速箱，高速軸等部件，將風能轉變成機械能，最后驅動高速發(fā)電機發(fā)電。簡單的說就是空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉換成機械能，從而推動葉輪旋轉[5]。風力發(fā)電依靠風能，是可再生清潔能源，相比熱力發(fā)電要好得多，無污染，零排放，只需要大約3m/s的微風，就能開始發(fā)電。
2.2 研究現(xiàn)狀
風力發(fā)電的技術始于19世紀美國的Charles F.Bursh(1849-1929)，他在俄亥俄州克利夫蘭市安裝了被現(xiàn)代人認為的第一臺自動運行且用于發(fā)電的風力機[6]。
1891年，丹麥的Poul la Cour（1846-1908）制造了用來發(fā)電的風力機，并建立了風力發(fā)電機實驗的風洞，發(fā)現(xiàn)葉片數(shù)少，轉動越快的風力機在發(fā)電是比轉速低的分離機效率高得多[6]。
1920年至1930年，丹麥約有120個地方公用事業(yè)擁有風力發(fā)電，單機容量一般為20~35KW，總裝機容量約為3MW[6]。
直至20世紀20年代才出現(xiàn)了垂直軸風力發(fā)電機，芬蘭的工程師Savonius發(fā)明了典型的阻力式垂直軸風力發(fā)電機，命名為薩窩紐斯型風力機，是一種S型風輪[6]。
1927年，由法國工程師達理厄（G.J.M.Darrieus）發(fā)明了達理厄型風力發(fā)電機組，是典型的利用翼型的升力做功的升力垂直軸風力發(fā)電機。達理厄風力發(fā)電機種類很多，如H型、Δ型、◇型，φ型，其中以H型和φ型最為典型。厄爾里風力機組轉速高，旋轉慣性大，結構簡單成本低，但是啟動性能差，需要啟動機構和離合器，提高了系統(tǒng)結構的復雜性和成本[6]。
1941年10月，工程師Palmer C.putnamh和馬薩諸塞州一些注明科學家研制了第一臺大型的并網(wǎng)風力發(fā)電機，并在佛蒙特州的小山頂安裝，風輪直徑53.3m。額定輸出1250KW，塔高35.6米，它可能是世界上第一臺大型風力發(fā)電機[6]。
1950年，丹麥的Vester Egesborg開發(fā)了世界上第一臺交流風力發(fā)電機，并在1956年至1957年為SWAS電力公司在丹麥南部Gedser海岸建成了新型200KW的Gedser風力發(fā)電機，這是當時世界上最大功率的交流風力發(fā)電機，并在不需維護的情況下運行了11年之久[6]。
20世紀80年代，歐洲風力發(fā)電機組設計概念出現(xiàn)了多元化格局。至90年代，單機容量不斷增加，300KW、500KW、600KW、750KW風力發(fā)電機成為主流機型[6]。
2.3 發(fā)展趨勢
風能資源儲備量大，全球風能資源總量達2.47×109兆瓦，其中可利用的風能為2×107兆瓦，裝機容量可達10TW，每年可發(fā)出電力13PWh。比地球上可開發(fā)利用的水能總量還大10倍[7]。中國風能儲量很大，面積廣開發(fā)利用潛力巨大，在陸地加上近海的風力資源有16億千瓦以上[7]。目前全球風力發(fā)電已逐步從探索走向成熟，風力發(fā)電事業(yè)也逐步擴大范圍和領域。2006年7月22日，中國垂直軸風力試驗基地在內蒙古化德縣正式啟動，是我國自主研發(fā)，擁有自主知識產權的新星風力發(fā)電機組，目前，50KW小樣機組已建成投入 運行開始發(fā)電[8]。2007年9月，西山瑞法水力發(fā)電設備公司和哈爾濱發(fā)電設備研究中心聯(lián)合開發(fā)設計的1.5MW垂直軸永磁風力發(fā)電機研制成功，并在張家口風電場安裝運行[8]。麟風瘋癲設備公司主導產品為H型垂直軸風力發(fā)電機，他改變了“攻角”技術，達到了最大風能利用率[9]。
3、結束語
相比水平軸風力發(fā)電機，垂直軸風力發(fā)電機可以用先進的計算流體力學方法，能精確的分析流體過程。而且垂直軸風力機的葉片基本都是幾何構型，易于加工，葉片旋轉空間小，可全方位接受來風，無需轉向裝置，充分利用風能，發(fā)電效率高達70%以上，并且能抵抗12-14級臺風，低噪音，故障率低，風機接近地面，更加利于維護保養(yǎng)，發(fā)電曲線飽滿。無論是風電場還是中小型獨立用戶，垂直軸風力發(fā)電機必定被大量應用。
綜上所述，垂直軸風力發(fā)電機的總體設計，電路系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)設計，其他部位設計將成為本畢業(yè)實際主要研究方法，通過各種文獻和書籍參考比較，從中選擇出幾個合理的風力機設計方案，再計算比出啟動性能穩(wěn)定，發(fā)電效率高，噪音小，成本低廉的設計方案，
本次畢業(yè)設計的重點是通過比較葉片實度、形狀和材料設計葉片，根據(jù)電路系統(tǒng)挑選發(fā)電機類型，設計合理的傳動結構和傳動軸、軸承，設計塔架、蓄電池、箱體外形等，最后通過比較數(shù)據(jù)，優(yōu)化，設計出最合理的設計方案。
參考文獻：
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[2]HE SIYUAN. Capacity credit of wind power generation problems and solutions[C]
[3]http://baike.baidu.com/view/1070501.htm
[4]鄭 云. 小型H型垂直軸風力發(fā)電機氣動性分析[D].西安：西安交通大學，2008：3-10
[5]王 輝. 一種垂直軸風力發(fā)電機結構設計[J].科技信息，2010，21：99
[6]趙丹平等. 風力機設計理論及方法[M].北京：北京大學出版社，2012：1-29
[7]田海蛟.等 垂直軸風力發(fā)電機發(fā)展概述[J].應用能源技術，2006（11）：22-27
[8]孫云峰等.垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展概況及趨勢[J].農村牧區(qū)機械化，2008（2），75：42-44
[9]嚴 強等. 垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢和應用[J].上海電力，2007，2：166-167