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便捷式家用风力发电机设计.docx
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便捷式家用风力发电机设计.docx
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- 1 -
便捷式家用风力发电机
摘 要:风能是一种获取方便取之不尽的清洁能源,而转化风能最直接的方式就是通
过风力发电机。本次论文所要设计的便是一种便捷式家用风力发电机,其主要
是应用于风力资源丰富但电力不完善的地区。其设计的重点在便捷和家用两个
方面。
本次设计的风力发电机的结构主要由叶片、增速器、发电机组成,从这三
个部分去完成风力发电机的设计。风轮叶片的基本结构要满足发电的需求,材
料上也要能够承受的住时间和和环境造成的破坏,所以选用各项性能都比较优
秀的玻璃钢材料符合设计要求;增速器主要是增大机械能为发电机提供足够的
动力,其设计结构应简单小巧,使结构重量简化;发电机选用市场上性能优越
的稀土永磁发电机,不仅结构小巧,发电能力也是不可小觑。
其余辅助部分的设计主要有发电机的调向方式,使用尾翼来进行自动调向。
支撑结构采用钢管拉索的形式,简单方便自己就可以简单制作。电力储存的方
法将使用智能充电控制。
本次设计的风力发电机在要求上完全符合便捷和家用这两点,在性能、结
构和成本上把控的非常好,安装维护和使用都非常简单,达到了最初的设计目
标。
关键词:便捷;家用;风力发电机;设计。
- 2 -
Design of Portable Home Wind Generator
Abstract:Wind energy is a kind of clean energy that is convenient and inexhaustible, and
the most direct way to convert wind energy is through wind turbines. The purpose
of this paper is to design a convenient household wind turbine, which is mainly
used in areas with abundant wind resources but imperfect power. Its design
focuses on convenience and home use.
The structure of the wind turbine designed this time is mainly composed of
blades, speed increaser, and generator. From these three parts, the design of the
wind turbine is completed. The basic structure of the wind turbine blades must
meet the needs of power generation, and the materials must be able to withstand
the time and the damage caused by the environment. Therefore, the use of glass
fiber reinforced plastic materials with excellent performances meets the design
requirements; the speed increaser is mainly increased The mechanical energy
provides enough power for the generator, and its design structure should be simple
and compact, so that the structure weight is simplified; the generator uses the rare
earth permanent magnet generator with excellent performance on the market. Not
only is the structure compact, but the power generation capacity is also not to be
underestimated.
The design of the remaining auxiliary parts mainly includes the
direction-adjusting method of the generator, and the tail wing is used for
automatic direction-adjusting. The support structure is in the form of steel tube
cable, which is simple and convenient and can be easily manufactured by
yourself. The method of power storage will use intelligent charging control.
The wind turbine designed this time fully meets the requirements of
convenience and household use. It is very well controlled in performance,
structure and cost. Installation, maintenance and use are very simple, and the
original design goals have been reached.
Key words: Convenient;Home use;Wind Generator;design.
- 3 -
1 绪 论
1.1 风力发电的概述
现代社会的发展离不开能源的推动,化石燃料的开发与利用对社会进步做出了重大
贡献。但化石燃料大量使用也引发了许多问题,一是对环境会造成严重破坏,化石燃料
燃烧会产生大量的污染物,对气候和环境都会造成影响。最主要的体现就是近些年来的
“温室效应”,全球气温的升高和极端天气的频繁出现。二是化石燃料都是由数百万年
前的动植物演化来的,他们的储量都是有限的,迟早有用完的那一天。所以开发可以持
续利用的清洁能源一直是世界各国的首要问题。
可再生能源大多来自太阳能、水能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等,都是清
洁能源,不会对环境产生污染或产生很小的污染。在经历了多年的发展后,可持续再生
能源在世界各国的发展中都占据了重要地位。其中以风能的开发与利用发展最为迅速,
风能的开发与利用在世界各国的可持续再生能源中占据了很大部分。而开发与利用风能
的最直接的方式就是风力发电。
1.2 全球风力发电的现状
目前,可再生能源被世界各国大力开发与利用,其中发展最快的还是要属风能,风
能成为了继化石燃料、石油燃料之后的重要能源。当前全球风力发电厂以每年 29%的增
速在发展,据统计至 2018 年底,全球风力发电总装机容量达 591GW,是 2001 年增长
的 23 倍,年均复合增长率 20.74%。2018 年全球新增装机容量是 51.3GW,约是 2001 年
增长的 7 倍,年均复合增长率是 12.92%。由此可见,风力发电正在以不可预料的速度
迅猛发展。目前全球风力发电主要集中在亚、美、欧,其中截至 2018 年底,全球风力
发电总装机容量排名前五的国家分别是中国、美国、德国、印度和西班牙
[1]
。
1.3 我国风力发电的发展
我国的风力发电起步较晚,从 80 年代开始,由零基础到现在我国能够自主研发风
力发电系统。我国在风力发电上的发展是十分迅速的,到现在中国的风力发电量在世界
上已经排在了首位,风力发电机的总装机容量更是居于世界前列。在我国风力发电发展
之初主要是靠引进国外的设备和技术,使得风力发电发展受到制约,为了挣脱这些约束
- 4 -
国家大力推行风力发电的国产化。使我国的风力发电制造技术得到了快速发展,为我国
风电装备的大规模化奠定了基础,也使我国成长到了如今可以独立自主研发并制造大型
风力发电机的程度
[2]
。
我国不仅陆上风能资源丰富,海上风力资源更为丰富,海上风能资源的开发是如今
风能开发的重点。海上风能资源由于都比较靠近用电中心还不占用土地,所以海上风力
发电比陆上风力发电更占优势。近年来我国的海上风力发电也是发展的十分迅速
[3]
。
1.4 我国小型风力发电系统的发展前景
从 80 年代初我国就已经开始了家用小型风力发电机方面的研发与制造,小型风力
发电机研发的主要目的是为了让电网不能到达的偏远地区也能用上电。尽量做到一台风
力发电机就能够供应一个家庭的基本用电。当前我国的小型风力发电机发展良好,自主
研发的小型风力发电机具有稳定性好、启动风速低、使用方便、价格实惠等优点。目前
1KW 以下的小型风力发电机是市场上的主流机型,主要服务人群也是广大的农、牧、
鱼民。
我国的小型风力发电机不仅在国内发展不错,在国外市场也是占据一定地位,据统
计 2017 年我国在亚洲等国家和地区的中小型发电机的出口额达 1289 万美元,欧洲等国
家的出口额为 1074.5 万美元,北美的出口额为 510.6 万美元等
[4]
。小型风力发电机的发
展在国外也是一片大好,随着一些政策的出台也有利的帮助了小型风力发电机的发展,
国内外的共同需求也刺激着小型风力发电机的发展。所以小型风力发电机的发展仍具有
很大的潜力。
1.5 本课题研究的主要内容
本次我要设计的便捷式家用风力发电机主要是为风力资源丰富但用电困难的地区
提供基本的生活用电。为了符合便捷和家用这两点,所设计的风力发电机体积要小,结
构要简单。所以我主要把风力发电机分为三个部分,风轮叶片、增速器和发电机,这样
结构上就比较简单了。由于家用的风力发电机的功率不用很大所以小功率的风力发电机
体积就不会很大。从以上的几个方面出发,所延伸出来的内容就是此次设计的主要内容
了
[5-6]
。
- 5 -
2 便捷式家用风力发电机装置及方案
2.1 风力发电机原理
风力发电机的作用是将风能转化为电能,风力发电机主要由风轮、发电机、传动装
置和塔架等机构组成。发电机的发电原理就是通过线圈旋转切割磁感线从而产生电流。
风力发电机的原理就是通过风能带动风轮转动产生机械能,在利用机械能来带动发电机
的转动从而产生电流。所以风速越快产生的机械能越大,产生的电流越多
[7]
。风力发电
机原理图如 2-1 所示;
图 2-1 风力发电机原理图
2.2 小型风力发电机使用条件
一般年平均风速
3m/s
以上,全年至少有
3000
h
的风速在
3
~
18m/s
,全年
3
~
18m/s
的
有效风能密度要达到
100W/
m
2
。这样的地区才能发挥出风力发电机的最大效率。风力发
电机的选择最好与当地的风力数据相匹配,这样才能最高效的发挥出风力发电机的作用,
也能合理的利用资源节省成本。
2.3 水平轴小型风力发电机的组成
本次设计所采用的发电机形式是水平轴,水平轴小型风力发电机的结构比较简洁,
一般是由发电机、风轮塔架、升速机构、调向机构、蓄电池、控制器、逆变器等组成。
水平轴小型风力发电机是通过风能使叶片转动,通过叶片转动产生的机械能来带动发电
机的旋转,从而产生电能,再通过整流器转换后输出
[8-9]
。水平轴小型发电机的结构如
图 2-2 所示;
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南抖北快东卫
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