小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

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1、小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案第一章緒論1.1國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)隨著能源緊缺及化石燃料對(duì)環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，開發(fā)新型能源成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，目前可再生能源有太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。風(fēng)能發(fā)電是目前為止技術(shù)最為成熟，歷史最為悠久的發(fā)電方式，是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗锌赡艹蔀橹匾奶娲茉?。?3世紀(jì)起，水平軸風(fēng)車產(chǎn)業(yè)就成為了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的主要部分，而利用風(fēng)力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀(jì)晚期，美國(guó)的Brush研制了第一臺(tái)12kW的直流風(fēng)力機(jī)。Golding(1955)、Shepherd和Divone(199

2、4)記錄了早期的風(fēng)力機(jī)發(fā)展史。1931年，蘇聯(lián)制造了一臺(tái)100KW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風(fēng)力機(jī)；19世紀(jì)50年代早期，英國(guó)制造了一臺(tái)100KW、直徑24m的AndreaEnfield(安德魯-恩菲)風(fēng)力機(jī)。1956年，丹麥建造了一臺(tái)200KW、直徑24m的Gedser(蓋瑟)風(fēng)力機(jī)，1963年法國(guó)電力工業(yè)試驗(yàn)了一臺(tái)功率1.1MW、直徑35m的風(fēng)力機(jī)。在德國(guó)，Hutter(胡特)于19世紀(jì)50年代和60年代建立了一些新型的風(fēng)力機(jī)。由于石油價(jià)格突然上漲，美國(guó)開始建造一系列示范風(fēng)力機(jī)組，如1975年的功率1

3、00KW、直徑38m的Mod-0風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和1987年的功率2.5MW、直徑97.5m的Mod-5B風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前世界上最大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是德國(guó)制造的E-126，高達(dá)120m，風(fēng)輪直徑126m，每個(gè)葉片長(zhǎng)達(dá)61.4m，每片重18t，裝機(jī)功率達(dá)到5MW[1]，如圖1-1所示。圖1-1Enercon的E-126型風(fēng)力發(fā)電機(jī)37我國(guó)風(fēng)能資源豐富，根據(jù)第三次風(fēng)能普查結(jié)果，我國(guó)技術(shù)可開發(fā)的陸地面積約為24×104km2?？紤]到風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際布置能力，按照5MW/km2計(jì)算，陸上技術(shù)可開發(fā)量為120×104MW。目前我國(guó)風(fēng)

4、能資源開發(fā)利用的重點(diǎn)區(qū)域有內(nèi)蒙古自治區(qū)、遼寧省、河北省、吉林省、甘肅省、新疆維吾爾自治區(qū)、江蘇省等，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)技術(shù)可開發(fā)量約為50×104MW，居全國(guó)之首[2]如圖1-2所示。圖1-2全年平均風(fēng)能密度分布在國(guó)家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風(fēng)電裝備國(guó)產(chǎn)化等相關(guān)政策的支持下，我過風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，2009年中國(guó)（不含臺(tái)灣?。┬略鲲L(fēng)電裝機(jī)10129臺(tái)，容量13803.2MW，年同比增長(zhǎng)124%；累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)21581臺(tái)，容量25805.3MW，年同比增長(zhǎng)114%。臺(tái)灣省當(dāng)年新增風(fēng)電裝機(jī)37臺(tái)，容量77.9MW；累計(jì)裝機(jī)227臺(tái)，

5、容量436.05MW[3]，如圖1-3所示。圖1-3歷年我國(guó)裝機(jī)儲(chǔ)量371.1小型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展概況垂直軸風(fēng)力機(jī)（VerticalAxisWindTurbine或VAWT）的風(fēng)輪軸與風(fēng)向垂直，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與風(fēng)向無關(guān)，但是由于其啟動(dòng)風(fēng)速較高且功率不穩(wěn)定，其發(fā)展并不像水平軸風(fēng)力機(jī)那么迅速。隨著計(jì)算科學(xué)的飛速發(fā)展，垂直軸風(fēng)力機(jī)的優(yōu)異空氣動(dòng)力性能（尤其是達(dá)里厄風(fēng)力機(jī)）漸漸為世人所認(rèn)識(shí)，近年來廣泛受到各國(guó)研究人員的關(guān)注。國(guó)外較大的風(fēng)力發(fā)電公司有加拿大的CleanfiledEnergy公司，其主導(dǎo)產(chǎn)品是一種額定功率為3.5kW的升力型

6、葉輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)，整套系統(tǒng)由玻璃鋼纖維和鋼材組成，約重181.4kg，葉輪高3m，輪輻直徑2.5m。2006年，中國(guó)垂直風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)基地在內(nèi)蒙古化德縣啟動(dòng)運(yùn)行，目前50kW小樣機(jī)組已投入運(yùn)行開始發(fā)電，如圖1-4所示。2007年，西峽瑞發(fā)水電設(shè)備公司和哈爾濱發(fā)電設(shè)備研究中心聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)的1.5MW垂直軸永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制成功，并在張家口風(fēng)電場(chǎng)安裝運(yùn)行。圖1-4德化縣50kW垂直軸風(fēng)力機(jī)37第二章風(fēng)力發(fā)電基本原理2.1風(fēng)特性2.1.1風(fēng)能量空氣的流動(dòng)現(xiàn)象稱為風(fēng)，風(fēng)是由于不同地方的空氣受熱不均勻，從一個(gè)地方向另一個(gè)地方運(yùn)動(dòng)的空氣分子

7、產(chǎn)生的，風(fēng)的能量就是空氣分子的動(dòng)能，如圖2-1所示。圖2-1空氣流的動(dòng)能風(fēng)功率計(jì)算公式為聯(lián)立以上各式得（2.1）從式（2.1）容易看出風(fēng)速對(duì)風(fēng)能的影響是最大的，因此在沿海地區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)力機(jī)時(shí)必須要考慮強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)設(shè)備的影響。372.1.2湍流特性湍流指的是短時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)，隨著海拔、氣候、地形等變化。影響湍流的因素很多，產(chǎn)生湍流的主要原因有：1.由地形差異引起的氣流與地表的摩擦。2.由于空氣密度差異和氣溫變化的熱效應(yīng)空氣垂直運(yùn)動(dòng)。湍流往往是有這兩種原因相互作用形成的。湍流無法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式完整的表達(dá)出來，其復(fù)雜程度超出了人類現(xiàn)有的

8、認(rèn)識(shí)能力。雖然它的活動(dòng)遵循一定的定律，但是人類想要用這些定律來描述湍流過程是相當(dāng)困難的，因此只能通過統(tǒng)計(jì)學(xué)來大致描述湍流。湍流風(fēng)速變化基本上服從高斯函數(shù)，風(fēng)速變動(dòng)相對(duì)于風(fēng)速均值服從正態(tài)分布,湍流強(qiáng)度I是用來描述湍流總體水平的，計(jì)算公式如下[4]：（2.2）式中I為湍流強(qiáng)度；為