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二工大风力发电论文
本科论文
题目：
家用型风力发电系统开发
学生：
专业：
机械制造及自动化
年级：
指导教师：
何亚飞
日期：
2013年1月10日
（目的：
了解风能，了解我们的风力发电系统结构，了解我们的市场开发假想。
主要了解发电、蓄电的一些基本原理。
）
关键词:
风力发电；前景；原理；开发；展望；
目录
引言
1.1风力发电史…………………………………………………………………………………
1.2风能资源分析………………………………………………………………………………
1.3风能优点………………………………………………………………………………1.4市场分析…………………………………………………………………………………
1.41产业分析………………………………………………………………………………
1.42政策扶持………………………………………………………………………
2.1风力发电系统…………………………………………………………………………
2.2小型风力发电机的分类………………………………………………………
2.3小型风力发电机的结构及原理………………………………………………
一、技术原理…………………………………………………………………………………
二、功率特性………………………………………………………………………………
三、结构…………………………………………………………………………………
a）垂直轴风力发电机的特点………………………………………………………
b）风力发电机叶片应该满足的基本要求…………………………………………
c）风力发电机叶片的加工材料………………………………………………
发展空间（市场开发）………………………………………………
3.1高端路线………………………………………………
3.2大众路线………………………………………………
4.企业化假想……………………………………………………
5.带动产业…………………………………………
6.结语……………………………………………………
7.参考文献…………………………………………………
5.3附录……………………………………………………
5.4致谢……………………………………………………
引言：
家用风力发电系统至今尚未推广普及，甚至可以说它不存在，是没有人想到吗？
不！
定是人们从效益角度分析，认为其没有推广必要。
确实，单从产点效益来说，产点价值可能远小于投资的设备价值。
（从某些方面体现了现代人们意识不够先进。
）这里我们要开发的不单是它的发电价值，还有他的隐含价值：
1、风能利用由国家政策扶持（文中有提及）。
2、风能发电（风车）是对可在再生能源的利用是一种环保意识的象征。
3、风能发电系统（风车）与建筑（别墅等）艺术性的结合是其主人高雅、富贵的一种象征（或形成地标性建筑）。
4、低压直流电的安全应用。
可以设想必然有一天固有能源（煤、石油、天然气等）消耗殆尽或供应不足，到时候再为寻找能源抓狂吗？
风能虽然是可再生能源，但是，不利用就等于浪费。
风能是是大自然赋予我们的宝贵资源，我们应尽其所能去开发，我相信，家用风力发电系统的开发必将带动一系列产业的发展。
一、风力发电历史简介
1.1欧洲的第一台风机出现在公园1100年左右，当时用于磨面和抽水1887年到1888年间，美国人CharlesF.Brush建造了第一台风机，当时可为12组电池、350盏白炽灯、2盏碳棒弧光灯和3个发动机提供电力。
到了19世纪末，PoullaCour建造了几个实验风机，并对风道进行了研究。
PoullaCour的试验风机至今仍保留在丹麦的Askov。
1957年，JohannesJuul建造了Geder风机，已初具现代风机的雏形。
Geder风机由一个发电机和三个旋转叶片组成。
1979回顾世界风电发展历史，大致可以分为三个阶段：
第一阶段，1977-1987年。
这个阶段的主要成就是证明风力是可以用来发电的，风的很多特点是可以被人们利用和控制的。
其中，丹麦和美国的研究成果最多，风机容量也从几十瓦发展到百千瓦。
第二个阶段，1987-1997年。
风电技术逐步成熟，风电产业成规模发展，并建立了稳定的商业模式。
涌现出了近10家技术较为成熟的优秀制造企业，单机容量从百千瓦提高到几百千瓦，变浆风机技术成熟并进入市场，与失速风机在竞争中共同发展。
第三个阶段，1997年至今。
兆千级的风机成主要趋势，海上风电逐步推广。
随着单机容量提高，为应对极限载荷和疲劳载荷的挑战，新的直驱变速变浆和双馈变速变浆逐步成为兆千级风机的主流技术年，vvst为其客户交付了第一批风机，并开始致力于在可再生能源领域的投资前，中、大型风力发电机组在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。
截止2006年，全球风能发电总装机容量接近7500万千瓦；风力发电量站全球电量的1%，部分国家及地区已达20%。
目前，欧洲仍然是风能发电最大的市场，风电已经成为一种重要的能源。
根据欧洲统计的资料，目前风力发电的发电量已经占到欧洲总发电量的3%以上，其中，丹麦风电发电量占该国发电量的23%，德国和西班牙为13%和12%。
德国风能利用仍居全球之首，2005年的总装机容量达到1842.8万千瓦，西班牙、美国等都在1000万千瓦左右，印度和丹麦均超过了300万千瓦，意大利、英国、荷兰、中国、日本和葡萄牙等的装机容量均已找过100万千瓦。
1.2风能资源分析
我国风能资源分布情况
我国幅员辽阔、海岸线长，拥有丰富的风能资源，并有巨大的风能开发潜力。
我国公布的最新离地面高度为50米风能资源测量数据显示，其中达到三级以上（功率密度大于300瓦/平方米）风能资源陆上潜在开发量为2,380GW，达到四级以上（功率密度大于400瓦/平方米）风能资源陆上潜在开发量为1,130GW，我国的风能资源分布广泛，其中较为丰富的地区主要集中在东南沿海及附近岛屿以及北部（东北、华北、西北）地区风能丰富带包括东北三省、河北、内蒙古、甘肃、宁夏和新疆等省，内陆也有个别风能丰富点。
此外，近海风能资源也非常丰富。
1.3风能优点
风能是太阳辐射下空气流动所形成的。
把风的动能转变成机械能，再把机械能转化为电能，这就是风能发电。
风能与其他能源相比，具有明显的优势：
与水力发电相比它蕴藏量巨大，是水能的10倍；与火力发电相比，它清洁无污染，且发电成本接近；与太阳能发电相比其成本低廉；与核能发电相比它安全可靠。
截止2010年底，全球风电发电量占世界电力总发电量的1.92%。
中国风电2010年新增装机容量占全球新增装机容量48%，超过美国，成为世界第一大风电市场。
风电是我国“十二五”期间国家重点支持的领域，是重要的战略新兴产业，会采取更多的鼓励政策推进风电发展，确保“十二五”非化石能源占比11.4%目标的实现。
风能是取之不尽，用之不竭的清洁，无污染，可再生能源。
用它发电十分有利。
与火力发电、燃油发电、核电相比它无需购買燃料，也无需支付运费，更无需对发电残渣,大气进行环保治理.风力发电是绿色能源.风力发电是财神爺。
风来、发电、生财。
风是财富。
风是大自然对人类的无私奉献。
1.4风能市场分析及可行性
1.41市场分析
相对于发展时间较长的火电产业和水电产业，风电属于新兴发展产业，其前景及潜力远远高于其他电力产业。
就目前而言，风电产业已经具备了三大市场条件推动产业提速：
首先，行业增速放缓。
经过近5年每年超过100%的市场扩张，今年风电市场迎来一个明显的转折点。
2010年中国风电年新增装机增长50%，2011-2012年增速小幅放缓至30%。
其次，产品价格低。
就目前的价格水平，下降空间已经不大，可以看作行业价格的底部区域，已经接近市场可接受价格范围。
第三，行业集中度进一步提高。
便于风电产业集中发展。
另外，风电正属于高速发展期间，其发展潜力远高于其他电力产业。
对于风电相关产业，如主要的零部件制造商，齿轮箱、电机、叶片、电控系统、变压器、轴承等，相比于其他电力产业，风电制造业有着广阔的发展前景，这些相关产业能带来巨大效益，也能提供很多工作岗位，为提高我国就业率，拉动地区经济发展的提高带来巨大积极影响。
1.42风电的政策扶持
我国主要从两个方面扶持风电行业，一方面通过财政补贴、电网全额收购以保证风力发电项目合理盈利，从经济上进行促进。
另一方面是在国内市场启动同时，扶持风机制造业发展，为中长期风电产业发展奠定基础，考虑到现阶段可再生能源开发利用的投资成本比较高，为加快技术开发和市场形成，《可再生能源法》规定设立可再生能源发展专项资金，为可再生能源开发项目提供有财政贴息优惠的贷款，
1.51市场推销对象
高端消费者：
专为消费者量身打造的增强风力发电工程人工造物的时代感和美感,使工程的实用、经济和美观能有机地结合起来,是提风力发电综合经济效益。
因此,加强主体工程结构物造型美学设计、色彩技术美学设计及人——机——环境技术美学设计的研究和应用,是21世纪风力发电科技工作者将面临的新任务和课题,也是风力发电工程走向市场的必由之路。
另外使风力发电与建筑完美结合，使建筑与风力发电浑然一体。
牌垂直景观小型风力发电机专用于别墅.城市景观路灯.高档小区公用照明.海滨风景区照明.海岛.牧场.轮船.林业观测站.偏僻山区等地方。
将中国几千年艺术和现代高科技溶于一体，设计完成了专门针对景观的小型风力发电机集成。
将美学，动力学发挥到了极致。
打造具有视觉与环境相结合，拥有浓重中国节日气氛之高端产品。
2.1风力发电系统
1、风力发电机原理推导
（1）风力发电实验仪原理的理论推导，气流的动能。
空气的定向流动就形成了风。
设风速为V1，质量为Δm的空气，单位时间通过垂直于气流方向，面积为S的截面的气流动能为：
式中L为气流在时间t内所通过的距离；为空气密度，在标准状态下取值为1.293kg/m3，一般随高度及温度增大而减小，见表1。
由上式可见空气的动能与风速的立方成正比。
表2.1空气密度与海拔高度的关系
Table2.1Therelationshipbetweenairdensityandaltitude
海拔高度（m）
0
1000
2000
2500
3000
4000
5000
相对大气压力
1
0.881
0.774
0.724
0.677
0.591
0.514
相对空气密度
1
0.903
0.813
0.770
0.730
0.653
0.583
注：
标准状态下大气压力为1，相对空气密度为1。
1．2.2小型风力发电机的分类
1.按照风力发电机的风轮轴位置分类
按照风力发电机风轮轴的位置分，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。
水平轴风力发电机
（1）水平轴风力发电机：
水平轴风力发电机的风轮围绕一个水平轴旋转，风轮轴与风向平行，风轮上的叶片是径向安装的，与旋转轴垂直，并与风轮的旋转平面成一角度（称为安装角）。
风轮叶片数目为1~10片（大多为3片、5片、6片），它在高速运行时有较高的风能利用率，但启动时需要较高的风速。
（2）垂直轴风力发电机：
垂直轴风力发电机的风轮围绕一个垂直轴旋转
垂直轴风力发电机
，风轮轴与风向垂直。
其优点是可以接受来自任何方向的风，因而当风向改变时，无需对风。
2.按照风力发电机的功率分
按风力发电机的功率可分为大、中、小、微型风力发电机。
功率<1KW为微型1~10KW为小型风力发电机，功率在10千瓦至100千瓦的称为中型风力发电机，功率在100千瓦以上的称为大型风力发电机，更大的如兆瓦级。
2.3小型风力发电机的结构
小型风力发电机主要有以下几部分组成：
风轮、发电机、回转体、调速机构、调向机构、刹车机构和塔架。
水平轴风力发电机主要有风轮、风轮轴、低速联轴器、增速器、高速轴联轴器、发电机、塔架、调速装置、调向装置、制动器等组成。
风轮
叶片安装在轮毂上称作风轮，它包括叶片、轮毂等。
风轮是风力发电机接受风能的部件。
现代的风力发电机的叶片数，常为1-4枚叶片，常用的是2枚或3枚叶片。
由于叶片是风力发电机接受风能的部件，所以叶片的扭曲、翼型的各种参数及叶片结构都直接影响叶片接受风能的效率和叶片的寿命。
叶片尖端在风轮转动中所形成圆的直径称为风轮直径，亦称叶片直径。
增速器
由于风轮的转速低而发电机转速高，为匹配发电机，要在低速的风轮轴与高速的发电机之间接一个增速器：
增速器就是一个使转速提高的变速器。
增速器的增速比i是发电机额定转数nd与风轮额定转数n的比，即j=nd/n。
联轴器
增速器与发电机之间用联轴器连接，为了减少占地空间，往往联轴器与制动器设计在一起。
风轮轴与增速器之间也有用联轴器的，称低速联轴器。
制动器
制动器是使风力发电机停止运转的装置，也称刹车。
制动器有手制动器、电磁制动器和液压制动器。
当采用电磁制动器时，需有外电源；当采用液压制动器时，除需要外电源外，还需泵站、电磁阀、液压油缸及管路等。
发电机
叶片接受风能而转动最终传给发电机，发电机是将风能最终转变成电能的设备。
调速装置
风速是变化的，风轮的转速也会随风速的变化而变化。
为了使风轮运转在所需要的额定转速下的装置称为调速装置。
当风速超过停机风速时，调速装置会使风力发电机停机。
调速装置只在额定风速以上时调速。
其二是垂直轴风力机，风轮轴是垂直布置的，叶片带动风轮轴转动再驱动所要驱动的机械。
家用风力发电机，一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构储能装置和逆变器等构件组成。
发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成：
各部分功能为：
叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能，风力发电机因风量不稳定，故其输风力发电机一般有风轮、发电机（包括装置）、调向器（尾翼）、塔架、限速安全机构储能装置和逆变器等构件组成。
发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成：
各部分功能为：
叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能，风力发电机因风量不稳定，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。
然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能V市转变成交流220电，才能保证稳定使用
垂直轴风力发电机（S型）,是一种将风能转变为机械能，再转变为电能的低转速风力发电机。
利用风力发电，向蓄电池充电蓄存电能。
垂直轴风力发电机采用的永磁悬浮技术两用型风机的专利技术，采用低风速启动，无噪音，堪称无声风力发电机。
比同类型风力发电机效率高于10-30%。
它普遍适用于风能条件好，远离电网，或电网不正常的地区，供给照明、电视机、探照灯、放像、通讯设备和电动工具用电。
与传统的水平轴风力发电机相比，有以下显著的技术特点：
1）．安全可靠
2）．低噪音
3）．抗风能力强
4）．所占空间小
5）．发电效率高
6）．风能利用率高
7）．具有广告效应
．控制性能好
新型垂直轴风力发电机（H型）
针对目前众多网友对新型垂直轴风力发电机（H型）的设计原理比较感兴趣，特在此将部分设计原理以及技术指标作详细地阐述，希望能给各位朋友予以更深入地了解。
最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构（Φ型或称为达里厄），由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展，我国也在前几年做了一些尝试，但效果始终不理想。
针对一些朋友问及：
为何当初采用Φ型设计而没有用现在这种H型结构?
实际上，这和科技的发展特别是电脑的发展密切相关的，由于H型垂直轴风力发电机的设计需要非常大量的空气动力学计算以及数字模拟计算，采用人工的方法计算一次至少需要几年的时间，而且不是一次计算就能得到正确的结果，所以在计算机还不是很发达的年代，人们根本无法完成这一设计构思。
由于特殊应用场合的需要，2001年我国率先开始了这项研究，并且在以后两年的时间里不断对产品进行改进，在2003年初，产品走向成熟，并在海岛以及边疆大量采用以这种新型垂直轴风力发电机为主要设备的风光互补系统。
目前，世界上主要以MUCE公司和日本某公司为该产品的主要研发和生产单位。
下面我就详细讲解一下H型垂直轴风力发电机的技术原理：
2．一、技术原理
该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。
该技术原理根据空气片条理论，实际计算可选取垂直风机旋转轴的切面进行计算模型，按叶片实际尺寸，每个叶片的旋转轴心距离为N米；用CFD技术进行模拟气动系数计算，计算原理采用离散数字方法求解翼形断面的气动力，用网格方法对雷诺数流动涡量分布比较形成高雷诺数下对Navier-Stokes方程进行数字模拟计算的原理结果。
采用稀土永磁材料发电的原理，配套与空气洞力学原理的风轮，采用直驱式结构进行旋转发电。
专利技术：
一种风力发电机
3．二、功率特性
根据H型风力发电机的原理，风轮的转速上升速度提高较快（力矩上升速度快），它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线变得饱满（如下图）。
在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。
4．三、结构
由于此种设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强；此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。
垂直轴直线叶片永磁发电机风力发电电源系统结构图
（2）垂直轴风力发电机的特点
具有较多显著特点：
1.安全性。
采用了垂直叶片和三角形双支点设计，并且主要受力点集中于轮毂，因此叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决；
2.噪音。
采用了水平面旋转以及叶片应用飞机机翼原理设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度；
3.抗风能力。
水平旋转和三角形双支点设计原理，使得它受风压力小，可以抵抗每秒45米的超强台风；
4.回转半径。
由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率；
5.发电曲线特性。
启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，因此在5～8米风速范围内，它的发电量较其他类型的风力发电机高10%～30%；
6.利用风速范围。
采用了特殊的控制原理，使它的适合运行风速范围扩大到2.5～25m/s，在最大限度利用风力资源的同时获得了更大的发电总量，提高了风电设备使用的经济性；
7.刹车装置。
可配置机械手动和电子自动刹车两种，在无台风和超强阵风的地区，仅需设置手动刹车即可；
8.运行维护。
采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。
（3）风力发电机叶片应该满足的基本要求
叶片式风力发电机中最基础和最关键的部件，其良好的设计，可靠的质量还优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。
恶劣的环境和长期不停地运转，对叶片的要求有：
1.密度轻且具有最佳的疲劳强度和力学性能，能经受暴风等极端恶劣条件和随机负载的考验；
2.叶片的弹性、旋转时的惯性及其振动频率特性曲线都正常，传递给整个发电系统的负载稳定性好，不得在失控（飞车）的情况下载离心力的作用下拉断并飞出，亦不得在风压的作用下折断，也不得在飞车转速以下范围内产生引起整个风力发电机组的强烈共振；
3.叶片的材料必须保证表面光滑以减小风阻，粗糙的表面亦会被风“撕裂”；
4.不得产生强烈的电磁波干扰和光反射；
5.不允许产生过大噪声；
6.耐腐蚀、紫外线照射和雷击性能好；
7.成本较低，维护费用最低。
（4）风力发电机叶片的加工材料
用于加工叶片的材料有木头、金属、工程塑料、玻璃钢等。
1．木制叶片及布蒙皮叶片
近代的微、小型风力发电机也有采用木制叶片的，但木制叶片不易做成扭曲型。
大、中型风力发电机很少用木制叶片，采用木制叶片的也是用强度很好的整体木方做叶片纵梁来承担叶片在工作时所必须承担的力和弯矩。
2．钢梁玻璃纤维蒙皮叶片
叶片在近代采用钢管或D型型钢做纵梁，钢板做肋梁，内填泡沫塑料外覆玻璃钢蒙皮的机构形式，一般在大型风力发电机上使用。
叶片纵梁的钢管及D型型钢从叶根至叶尖的截面应逐渐变小，以满足扭曲叶片的要求并减轻叶片重量，即做成等强度梁。
3．铝合金等弦长挤压成型叶片
用铝合金挤压成型的等弦长叶片易于制造，可联系生产，又可按设计要求的扭曲进行扭曲加工，叶根与轮毂连接的轴及法兰可通过焊接或螺栓连接来实现。
铝合金叶片重量轻、易于加工，但不能做到从叶根至叶尖渐缩的叶片，因为目前世界名国尚未解决这种挤压工艺。
另外，铝合金材料在空气中的氧化和老化问题也值得研究。
4．玻璃钢叶片
所谓玻璃钢（glassfiberreinforcedplastic,简称GFRP）就是环氧树脂、不饱和树脂等塑料渗入长度不同的玻璃纤维或碳纤维而做成的增强塑料。
增强塑料强度高、重量轻、耐老化，表面可再缠玻璃纤维及涂环氧树脂，其他部分填充泡沫塑料。
玻璃纤维的质量还可以通过表面改性、上浆和涂覆加以改进，其单位（kW）成本较低。
玻璃钢叶片
[1]
5．碳纤维复合叶片
随着风力发电产业的发展，对叶片的要求越来越高。
对叶片来讲，刚度也是一个十分重要的指标。
研究表明，碳纤维（carbonfiber，简称CF）复合材料叶片刚度是玻璃钢复合叶片的两至三倍。
虽然碳纤维复合材料的性能大大优于玻璃纤维复合材料，但价格昂贵，影响了它在风力发电大范围应用。
因此，全球各大复合材料公司正在从原材料、工艺技术、质量控制等各方面沉入研究，以求降低成本。
。
储能装置
直接充电设备，给家用移动电瓶充电。
3、低压直流家用电器系列
风力发电所产生的电能储存在电瓶中，这样就可以开发一些家用电器直接使用低压直流电工作，在某些方面直流电的效率较高，如一些照明系统。
发展空间（市场开发）
1、高端路线（打造品牌，艺术化个性设计）
结语
我们的家用风力发电系统开发只是项目开发的一个初期工程。
由于我们的产品（风车）具有地域性或个性，结构、大小和形状具有不确定性，所以我们没有给出具体的参数或成型产品样例；由于本项目实施的时间的不确定性，公司成立大小的不确定性，所以没有给出具体的数据或实施方案。
这里我们提出的只是模糊的产品开发步骤和方向。
无论如何，风力发电开发将会是充满前景的产业，必将带动一系列相关产业的发展。
风车本身就像楼房、汽车一样是一种固有价值的存在，如果维护得好的话，在一定年限内还会有升值的可能。
为了我们的后代不再为能源抓狂，现在就投入到充分利用大自然给予的开发中吧，减少浪费。
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