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浙江农林大学天目学院毕业设计——文献综述1林内小型风力发电机风叶的设计摘要：随着国民经济的持续发展，能源危机的阴影正日益困扰着人类的生产和生活，因此人们开始把目光风能这个取之不尽、用之不竭的清洁能源，若风力发电机跟森林中的监测传感器配合，则能有效利用自然资源，实现可持续发展。本文就林内小型风力发电机叶片原有的基础上进行优缺点分析，总结国内外风力发电机的发展和现状。前言本人毕业设计题目为《林内小型风力发电机叶片部件的设计》，主要针对垂直轴风力发电机叶片部件的设计进行研究，对现有风力发电机的叶片发展历史进行总结分析，探索其优越性和可行性。本文主要查询了2000年以来的有关小型风力发电文献期刊。主体风力发电机分为水平轴风机和垂直轴风机。水平轴风机最为典型的代表是3个叶片的荷兰风车，也是目前阶段技术最成熟，应用最广泛，占据主流市场的产品。水平轴风机主要包括叶片技术、发电机和传动技术、并网技术三大部分。其中叶片技术是其核心部分，叶片除了靠叶素理论计算和设计外，还要靠经验对计算值进行修正，对操作人员的技术要求十分高。而我国是从20世纪80年代后期才涉足风力发电这一新兴行业，技术远远落后与世界发展水平，其研究主要是引进、吸收、消化叶片设计技术，没有自己的独立成果。到2006年底，中国进入或正在进入大型风机市场的厂商已超过20家1，从企业数量上看，中国的企业数量超过了全世界风机厂商数量的一倍以上，但均缺乏叶片这一核心技术的独创性。垂直轴风机，即转轴垂直于地面的风机，其历史可以追溯到几千年前，人们利用垂直轴风车进行提水。而垂直轴风力发电机的发明则要比水平轴的晚很多，知道20世纪20年代才开始出现。由于人们普遍认为垂直轴风轮的尖速比不可能大于1，风能利用率低于水平轴风力发电机，因而导致垂直轴风机长期得不到重视。然而，随着科技日新月异和人类认识水平的不断提高，人们逐渐意识到垂直轴风机的尖速比不能大于1只适用于阻力型风机，而升力型风机的尖速比甚至可以达到6，并且其风能利用率也不低于水平轴，于是越来越多的人认识到垂直轴风机的发展前景，并大大提高了其研发技术，取得了突破性进展。垂直轴风力发电机呈H型，与水平轴风力发电机相比较，其优越性体现在：设计方法先进，风能利用率高，启动风速低，无噪音；除了在风电场应用以外，还可以充分利用大型建筑物的集风作用和大型建筑物顶层的空间、高度，建造风电大楼和零能耗大楼；城市公共照明和高速公路亦可以通过风、光互补方式大量应用风力发电机；具有风资源条件的企事业单浙江农林大学天目学院毕业设计——文献综述2位也可以大量应用H型垂直风机，比如海上钻井平台和海水淡化装置；世界风力发电现状：由于欧美国家风能资源丰富，工业技术水平领先，相对的也在风力发电领域占绝对优势。目前世界上装机容量最大的国家是美国，其次是德国、丹麦、印度。工业革命以来，发达国家对风力发电机组的研制取得了巨大进展：1987年美国研制出单机容量为3.2MW的水平轴风力大电机组，安装于夏威夷群岛。同年加拿大研制出单机容量为4.0MW的立轴达里厄风力大电机组，安装于魁北克省。不久之后，单机容量在100KW以上的水平轴风力发电机组的研究开发及生产在欧洲的丹麦、德国、荷兰等国取得了飞速发展。到90年代，单机容量在100-200KW的机组已在中型和大型风电场中成为主导机型。世界风电总装机容量1997年底为746万KW，1998年底为1015万KW，1999年底为1393万KW，2000年达1845万KW，2001年达2493万KW，2002年达3112KW，年均增长率在30%以上。世界能源委员会预计，全世界到2020年风力发电装机容量可达1.8亿-4.7亿KW。中国风力发电现状：中国是发展中国家，十分重视在经济发展的同时保护环境，因此也十分重视对风能资源的开发利用。在20世纪60年代开始研究有使用价值的新型风力机，70年代后在装机容量、制造水平及发展规模上都具有突破性发展。到2004年底，中国并网风电装机容量为76.4万KW。中国已建成43个风电厂，安装了1291台风力发电机组，掌握咯风电厂运行管理的技术和经验，培养和锻炼了一批风电设计和施工的技术人才，为风电的大规模开发和利用奠定了良好的基础。2002年，我国率先开始了新型垂直轴风力发电机的研究，由部队通讯部牵头，上海某公司为研发主体，西安军电、西安交大、同济大学、复旦大学等高校的多位专家配合，在短短的一年时间里就生产出了首台新型垂直轴风力发电机。并在不到5年的时间里将功率扩展至200W～100KW，处于世界领先地位。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。2009年，中国（不含台湾地区）新增风电机组10129台，容量13803.2MW，同比增长124%；累计安装风电机组21581台，容量25805.3MW。2009年，台湾地区新增风电机组37台，容量77.9MW；累计安装风电机组227台，容量436.05MW。垂直轴风力机：垂直轴风力机可以分为两类，一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构式S型风轮，由两个轴线错开的半圆柱形组成，其优点是启动转矩较大，缺点式由于围绕着风轮产生不对称气流，从而对产生侧向推力。另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄型风力机。基本上是直叶片和弯叶片两种，以H型、Φ型风轮为典型。达里厄风力机有着优越的空气动力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造价，近年来成为了研究重点。达里厄风力机是法国G.J.M达里厄于19世纪30年代发明的。在20世纪70年代，加拿大国家科学研究院对此进行了大量的研究，现在是水平轴风力发电机浙江农林大学天目学院毕业设计——文献综述3的主要竞争者。达里厄式风轮是一种升力装置，弯曲叶片的剖面是翼型，它的启动力矩低，但尖速比可以很高，对于给定的风轮重量和成本，有较高的功率输出。现在有多种达里厄式风力发电机，如Φ型，Δ型，Y型和H型等。这些风轮可以设计成单叶片，双叶片，三叶片或者多叶片。我们准备选择垂直轴风机作为该设计的关键，其优点是在风向改变的时候无需对风。这不仅使结构设计简化，而且也减少了风轮对风时的陀螺力，而且传动机构和控制机构等装置在地面或低空，便于维修。水平轴风机机仓放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，自身重达十几吨或几十吨，叶片上随机风荷载达几十吨，重心高、结构不稳定。垂直轴风力发电机的齿轮箱在底部，重心低、运行稳定、寿命长；另一方面就是其外观精美，可做成多型式的外形，体积轻巧、外观独特精美，适应各地使用；同时垂直型风力发电机也存在着或多或少的缺点，从空气动力性能发面来比较，垂直轴风力发电机不如水平轴风力发电机优越，垂直轴风力发电机的单位输出功率重量较大、转速较低。因此，它的输出一般比水平轴风力发电机小；另外有些风能利用率相对较高的垂直轴风力发电机（如达里厄风力发电机）的起动力矩小，需要其它风轮帮助起动，或用电网中的电起动。而一些容易起动的垂直轴风力发电机（如S型风力发电机），它的风能利用率却较低。因此，垂直轴风力发电机没有水平轴风力发电机应用广泛。总结风能资源是大自然赋予人类取之不尽的绿色能源，世界各国研究人员都在努力寻找各种途径，能最大限度的利用风能。随着科技的发展，水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机相继问世，并都在不同时期不同地区发挥作用。然而如何以最低造价，最小的人力物力投入而获益最多是现在值得探讨的问题，总结上文对比分析，不难发现垂直轴风力发电系统力学性能好，结构简单，成本低，是当今社会探索研发的首选，同时垂直轴风力发电机也有许多缺点需要去克服和飞跃，我们应该取其所长去其所短，不断完善并跟进这方面的技术，减少我国对能源危机的困扰。参考文献：1)陈世坤，电机设计[M]，北京：机械工业出版社，20002)张文书，三相异步电动机和发电机计算机辅助设计[J]，电机技术，1996,（3）3)张希良，风能开发利用[M]，北京：化学工业出版社，20044)刘家澄，我国风电场装机现状[J]，可再生能源，20005)中国风能协会，中国风电产业现状及发展[R]，20066)张显双，风能的利用[M]，物理世界，人民教育出版社，2004浙江农林大学天目学院毕业设计——文献综述47)芮晓明,柳亦兵,马志勇．风力发电机组设计[P]．中国：20101029100524.0．2010.8)叶杭冶等．风力发电系统的设计、运行和维护．北京：电子工业出版社2010.9)DavidKeith.WindPower，CarnegieMellonElectricityIndustryCenter(CEIC)Seminar[C]，JoeDeCarolis，2002.10)VaughnNelson,WindEnergy,RenewableEnergyandtheEnvironment,CRCPress,2009,)NationalRenewableEnergyLaboratory(NREL).WindEnergyResourceAtlasoftheUnitedStates,200312)季田、田德、卞桂虹，浓缩风能型风力发电机迎风调向系统研究-农业工程学报2003.19（4）13)赵慧欣，浓缩风能型风力发电机螺旋桨式叶轮的实验研究学位论文200514)时燕，小型风力发电机失速调节型叶轮的实验研究学位论文200815)康丽霞、田德、刁明光，浓缩风能型风力发电机迎风及限速自动控制系统16)