1、摘 要新兴市场的风电能源产业发展迅速，在国家政策的支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电能源产业特别是风电设备制造业迅速崛起，已成为全球风电产业发展最为活跃的地区。2006年，全球风电发展所用的资金中有9%投向了中国，总额高达16.2亿欧元。2007年，中国风电装机容量已排名世界第五。截止到2012年，中国风电装机容量达到42287MW，跃居世界第一。而从2015年中国风能协会公布的数据来看，我国新增风电装机容量已达30.5吉瓦，达到峰值。2016年的发展趋势将趋于平稳，不再将重点放在数量，而是转向质量的提升。与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有着成本低，结构简单，无噪声，无需对风，启
2、动风速低等诸多优点。因此，在目前的经济市场上，垂直轴风力发电机更受欢迎，应用前景也更加广阔。本课题针对市场现有的垂直轴风机叶片特有机构进行改良，以做到在不影响叶片自身转动的同时，保护叶片，并达到提高利用率的目的。关键词：风力发电，垂直轴风机，翼型件AbstractThe present invention concerns a wind turbine having a plurality of vertically extending airfoils forming a rotating carousel rotating about a central axis thereof.The
3、airfoils pivot about their leading edges to adjust the pitch angle thereof to maximize energy harvest when the airfoils are rotating both in an upwind direction and a down wind direction .This pivoting movement results from trailing edges of the airfoils being pivot-ally secured to rigid spokes or c
4、ables of a trailing edge hub.An adjustment mechanism is pivot-ally mounted between a carousel hub and the trailing edge hub and is used to control the separation between a central axis of the trailing edge hub and the axis of rotation of the carousel as they co-rotate.As the carousel rotates,the off
5、set distance between the two axes determines the maximum achievable pitch angle of each airfoil.The airfoils then continually cycle between a positive and negative value of the maximum pitch angle relative to its position around the carousel and relative to the existing wind direction in order to cr
6、eate maximum lift.A wind direction rudder is secured to the adjustment mechanism to provide for movement thereof resulting in movement of the trailing edge hub as wind direction changes so that the most desirable pitch angle of the airfoils relative to wind direction is maintained. Key words: wind e
7、nergy,wind turbine,trailing edge hub.目 录摘 要IIAbstractIII1 绪 论11.1风能发展现状11.2课题涉及领域11.3课题设计背景 22 垂直轴风机各部件综述32.1 垂直轴风机翼型件32.2 垂直轴风机螺杆电机机构32.3 垂直轴风机电子控制机构43 垂直轴风机叶片选择53.1 风机叶片数目及叶形53.2 垂直轴风机发电效率54 设计图详述84.1 三维图，俯视图84.2 轮毂部分剖面图、各状态下翼型件位置示意图94.3 电子控制示意图 125 结论14参考文献15致 谢16III 第1章 绪论1 绪 论本设计所涉及的是一个具有多个成型的旋
8、转圆盘传送带围绕其中心轴线垂直延伸的翼型件的风力发电机，简称垂直轴风力发电机。设计的主要目的是建立一个垂直轴风力发电机叶片的变偏角机构，以保证在满足叶片自身偏转的要求同时控制旋转角度防止叶片受损。同时风力发电机的前缘翼件型枢轴在调整俯仰角时不管是在逆风向还是顺风向上下旋转时都能获得最大化的能量1。这种旋转运动是由于翼型件后缘被可枢转地固定到刚性的辐条或后沿轮毂的电缆所导致的。而整个系统内的调整机构则被可枢转的安装在圆盘传送带毂和后缘轮毂之间，并用来控制后缘轮毂的中心轴和共同旋转的圆盘传送带的旋转轴线之间的距离。随着转盘的转动，中心轴与旋转轴之间的偏移距离决定了每个翼型的最大可实现桨距角2。之后
9、，翼型件继续根据其周围的转盘位置的最大桨距角的正负值以及所受风向的循环影响来制造最大的升力。为了使得翼型件相对于风向的最大可实现桨距角保持不变，风向舵就需要被固定在调节机构，只有它们移动，才能保证后缘轮毂在风向变化时产生运动.1.1风力发电发展现状2002年，中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，西安电子科技大学，西安交大，同济大学，复旦大学等高校的多位专家配合，在短短一年时间里就产生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。按照我国“十二五”规划目标，预计到2015年风力发电机容量将达到1*
10、KW，年发电量1900*KW.h3。GWEC和Greenpeace预测，今后20年风力发电将成为世界主力电源，2030年装机容量有可能达28 *KW，可供应世界电力需求的22%。1.2课题涉及领域本课题所涉及的是一种风能能量产生装置，主要是纵轴翼型风力发电装置。1.3课题设计背景风力发电机在风能能量产生装置中属于非常重要的一大类。根据其旋转轴可分为两个类别。一种是垂直轴风力发电机：一般是围绕一条垂直轴线具有多个翼型件（叶片）：另一种是水平轴风力发电机：一般围绕水平轴线具有翼型件（叶片）。总体而言，不论是垂直轴还是水平轴都有自己不同的优缺点4。从目前来看，对于一个给定的风力流动，水平轴风力发电机
11、提取电能的能力更加高效。例如，商用主流发电组就适合使用水平轴风力发电机。为了实现高效操作，水平轴风力发电机往往需要安装在高塔上，并且它的叶片及其上面所产生的空气障碍物会造成振荡，阻碍其性能。同时，水平轴风力发电机通常只能有两到三个处于远高于事故风速的高速旋转的螺旋桨，存在极大的不稳定性。旋转轴还通常耦合有发电机和齿轮箱，这两样物品也需要一起安装到塔上，这就大大增加了安装和后期维保的难度。水平轴风力发电机还存在的一个问题就是，它的螺旋桨为了能够更有效地吸收席卷整个盘孔的大部分风能，经常是采用在风吹过时能够改变螺距的刀片作为叶片，并且只有当感知到最小风速的时候水平轴风力发电机才可以按要求发起供电协
12、助以启动旋转运动。相反的，垂直轴风力发电机可以允许多个单片叶片在低风速的时候进行操作并且不要求必须要面对风向时才可以进行旋转，任何风向都可以产生旋转运动。这种可以从任意风向较低风速立即启动工作的能力使得垂直轴风力发电机非常适合小型低地面的设施，相较于水平轴风机，节约了建造高塔架的成本，并降低了维修或更换各个发电机部件的难度。在平均风速较低的地区，垂直轴风机提供了一种可替换的低成本风力发电的可能性。桶形的垂直轴风机的叶片只有在其翼型件旋转一半的时候和回转期间与风向相反做出运动时才能产生能量5。因此，这种类型的垂直轴风机不能以比风速大的速度进行旋转，这就严重的限制了它们获取更大能量的能力。一个Da
13、rrieus（达里厄）式或称为“打蛋器”式的垂直轴风力发电机是可以实现在两个方向产生功率的，但事实却是，它们经常需要协助才能开始进行旋转。我们所要提到的第三种垂直轴风机是被称为Giromill型风机，该种风机是通过翼型件围绕轴的完整旋转来提供动力。在这种类型中叶片通常会被设计成能够提供足够扭矩的形态，以保证发电机在0转速时能够做到自启动，但由于其固有的大量处于峰值的阻力的存在，速度也受到了限制。在某些翼型设计中方向可以在启动时被最大化，然后调节为高速运转。它也被作为循环或改变当叶片旋转时对风向的角度来获取风能的一种途径。然而，这其中存在这一个很重要的问题，即成本。该类风机的复杂性导致了维修量的
14、增加和发电效率的降低，成本大大增加。因此，对于翼型的调整在所难免。在实际的生产生活中，人们都希望可以创造出一种可以通过调整翼型来达到获取风能最大化的使用简单、成本低廉、操作可靠的垂直轴风力发电机6。14 第2章 垂直轴风机各部件综述2 垂直轴风机各部件综述2.1 叶片框架三维立体图2.1 垂直轴风机翼型件本课题设计是属于垂直轴类型发电机，是一种提供了可调节翼型方向的操作简化而结构紧凑的机构。这其中包含有多个垂直延伸的较厚前缘部分和轻薄的后缘部分，每个翼型和与其对称的翼型都被固定在靠近底部前缘从下方中心轮毂伸展出的一条臂上。其顶端被地固定在相同的前缘从上端部中心轮毂延伸出来的一条臂上。中心垂直延
15、伸的驱动轴被固定在底部，并形成一个由上下辐条臂组成的旋转型翼盘的顶部中心。中央驱动轴的下端是一种基本的支撑结构，是用于驱动装置的连接，例如，发电机，制冷压缩机，流体泵等等7。翼型的后缘被固定在每个靠近后缘的翼型件顶端。而后缘的相对端则被固定在后缘角度调整毂上。后缘轮毂覆盖在上部辐条臂上，其中的翼型件角度调节机构固定在两者之间。翼型件角度调节机构包括有一个用于定位的沿螺纹载体旋转的螺纹轴电操作螺丝机构，一个通过后缘桨距角调节机构调节和中心控制的中心轮毂，一个固定在调整轴上的风力叶片或舵。2.2 垂直轴风机螺杆电机机构当螺杆电机机构处于零位置时，后缘倾斜角调整轮毂与两线上下部前缘轮毂共同延伸出的轴线绕同一中心轴旋转。这一部分设计是为了使得这个零件的翼型件线性延伸与切线平行于旋转圆。此时翼型件具有零桨距角。当螺杆电机机构的操作由此中心轴以距离D分离并移动到相对于上述中前缘倾斜角控制集线器及其相关联的后缘辐条臂时，此次通过俯仰角相对于零位置切线位置的移动导致了翼型件后缘的运动。如果前缘连接点的中
