第一章概述1.1课题研究的目的和意义数千年来，风能技术发展缓慢，也没有引起人们足够的重视。

但自1973年世界石油危机以来，在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。

风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力，特别是对沿海岛屿，交通不便的边远山区，地广人稀的草原牧场，以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆，作为解决生产和生活能源的一种可靠途径，有着十分重要的意义。

当前，全球都面临着能源枯竭、环境恶化、气温升高等问题，日益增长的能源需求、能源安全问题受到世界各国广泛关注。

风能是一种可再生能源，它资源丰富，是一种永久性的本地资源，可为人类提供长期稳定的能源供应;她安全、清洁，没有燃料风险，更不会在使用中破坏环境。

为此，世界各国都在加快风力发电技术的研究，以缓解越来越重的能源与环境压力，中国也不例外。

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源利用以煤炭为主。

在当前以石化能源为主体的能源结构中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然气占2%，其余为水电等其它资源。

在电力的能源消费中，也是以煤炭为主，燃煤发电量占总发电量的80%。

但是，能为人类所用的石化资源是有限的，据第二届环太平洋煤炭会议资料介绍，按目前的技术水平和采掘速度计算，全球煤炭资源还可开采200年。

此外，石油探明储量预测仅能开采34年，天然气约能开采60年。

随着人口的增长和经济的发展，能源供需矛盾加剧，如果不趁早调整以石化能源为主体的能源结构，势必形成对数亿年来地球积累的生物石化遗产更大规模的挖掘、消耗，由此将导致有限的石化能源趋于枯竭，人类生态环境质量下降的恶性循环，不利于经济、能源、环境的协调发展。

电力部己制定“大力发展水电，继续发展火电，适当发展核电，积极发展新能源发电”的基本原则，把风力发电作为优化我国电力工业结构跨世纪的战略发展目标①。

表1-1 1996-2005年世界风电市场增长从表1-1可以看出，世界上的风电能源增长的非常迅速，10年平均增长率达到了29.77。

截止2005年底，全世界并网运行的风力发电机总装机容量达到59237 MW ,是1996年装机容量的9.76倍②。

风力发电近几年发展如此之快，是因为它有许多优点:1.设备简单，投资少，成本低，风力发电机的整个设备成本不足功率相当的火力发电、水力发电和核电站成本的1/4，在二、三年内就可以收回全产投资;2.节省燃料和运输费用。

在风力资源丰富的地区，风力是取之不尽，用之不竭的，可就地建立风力发电站，就地用电，这样就可以节省大量的输电设备和能源。

许多燃料是十分重要的化学原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。

我国资源并不十分丰富，充分利用风力资源意义就更重大了;3.利用风力可以减少对大气的污染，保护我们人类赖以生存的自然环境。

化学燃料不断向大气中排放对生物有害物质，严重的威胁人们健康，而风力能源则没有任何影响人类健康的有害物质③。

1.2 课题的研究现状及已有成果1.2.1研究现状我国风电的利用大体上采用三种方式，一是户用式，可独立运行，用蓄电池，直流输出或逆变交流输出;单机容量为100～300W，可基本满足照明、电视等家用电器的生活用电需要。

其次是孤立的小居民区用，独立运行，有蓄电池、直流输出或逆变交流输出，统一向各家各户供电或每天为其更换蓄电池，单机容量为1～５kW。

这种方式也可供无电风区边防哨所、气象台站、雷达站、电视差转台以及无电区小火车站使用。

三是建立风电场，联网后输出，有的与柴油发电机组或太阳能电站联合，有稳定的输出。

1.2.2已有成果1.2.2.1 FD2.5—300型风力发电机1)性能特点FD2.5—300型风力发电机是低速型风机。

该机具有发电效率高，结构简单，维护方便，可靠性高等待点，是大电网以外而风力资源丰富的农牧区、海岛、边防哨所及气象台站等较理想的小功率风力发电设备，也是迄今我国销售量最多的小型风力发电机。

它可为用户的照明、彩色电视机、音响设备、洗衣机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。

参见图1和图2。

图1 FD2.5—300型风力发电机图2 FD2.5—300型风力发电机输出特性2）主要技术指标叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢风轮直径：2.5米叶片数：3片风能利用系数：0.42额定风速：8米/秒额定转速：400／分额定功率：300瓦最大发电量：500瓦调速方式：偏侧并尾工作风速范围：3～25米/秒发电机型式：三相交流永磁式发电机直流额定电压：24伏、36伏、48伏控制/逆变交流电压：AC220伏(±10％方波或正弦波)；频率：50赫兹±1％储能方式：120安·时，蓄电池2只或3、4只串联塔架型式:立柱拉索式塔架风机高度：5米整机重量：175千克1.2.2.2 FD7—5000／9型风力发电机1)性能特点FD7一5000／9型风力发电机组属水平轴、上风式、变桨距调节的风力发电设备，适用的自然条件为全天候。

配用不同的增速箱和发电机可以形成2.5干瓦、5千瓦、10千瓦三种功率档次、8种不同用途的变型产品。

机组发出的三相交流电可用来给蓄电池充电贮能、给电阻器加热、驱动异步电动机或输入电网。

参见图3、图4。

图3 FD7-5000/9型风力发电机图4 FD7-5000/9型风力发电机输出特性2)主要技术指标叶片型式：木质芯，外表包玻璃钢结构叶片数:2片风轮直径：7米风轮标定转速(额定转速)：195/分风轮最高允许转速：250/分启动风速：4米/秒额定风速：9米/秒最高安全运行风速：60米/秒发电机型式：电容励磁异步额定功率：5000瓦额定电压：交流380伏机头重量(塔架以上部分)：560千克利用方式：BAT(充电储能式)；CHA(电阻加热式)；MOT(驱动电动机式)；RES(并网式)蓄电池容量：350安·时塔架高：12米整机重量：2500千克1.3本课题的研究内容本课题研制的小型风力发电机主要定位于它可为用户的照明、彩色电视机、音响设备、洗衣机、电冰箱、组合收录机、航标灯等电器提供稳定可靠的电源。

总体要求是在满足功能要求的前提下，使用简单，外型明快，可靠性强，低成本。

从能量转换的角度看，风力发电机组由两大部分组成。

其一是风力机，它的功能是将风能转换为机械能;其二是发电机，它的功能是将机械能转换为电能。

大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)，其简要的系统图如图5。

图5 风力发电机系统方框图本课题的研究内容包括:1、进行小型风力发电机的总体功能需求分析，进行整体方案设计，力求实现机与电的完美结合和统一。

2、进行机器的机械装配图设计，功能完备后，然后进行机械零件的详尽设计。

根据风力发电机叶片设计理论及实际风能情况，设计出合适的风力发电机叶片，并利用三维建模软件Solidworks建立叶片的三维实体模型。

3、根据功能要求设计一变速器装置，其实达到改变方向的功能。

第二章风能资源2.1风的重要性2.1.1什么是风提到风，谁都会说出很多切身的体会。

如微风吹过脸颊时的舒爽，狂风刮过时的树叶纷飞、飞沙走石的情景，如果遇上可怕的龙卷风，那将是拔树毁屋的恐怖景象，凡是见过的人无不“谈风色变”。

总之，风有时友好有时又不近人情，来无影去无踪让人捉摸不透。

风到底是什么，用科学的说法就是：地球表面的空气水平运动称之为风。

太阳辐射对地球表面不均匀件加热是形成风的主要成因。

太阳对地球的辐射，透过厚厚的大气层，到达地球表面，地球表面各处(海洋和陆地；高山岩石和平原土壤；沙漠、荒原和植被、森林地区)吸收热量不同；由于地球自转、公转、季节、气候的变化和昼夜温差的影响，使地表各处散热情况也各不相同，散热多的地区，靠近地表的空气受热膨胀，压力减少，形成低气压区，这时空气从高气压区向低气压区流动，这就产生了风。

地形、地貌的差异，地球自转、公转的影响，更加剧了空气流动的力量和流动方向的多变性，使风速和风向的变化更加复杂⑤。

2.1.2风的特性风作为一种自然现象，有它本身的特性。

通常采用风速、风向、风频等基本指标来表述。

(1)风速：空气在单位时间内运动的距离，用米/秒或千米/时作为计量单位。

例如空气在1秒钟内运动了3米，那么风速就是3米/秒。

由于风是不断变化的，通常所说的风速是指一段时间内各瞬时风速的算术平均值，即平均风速。

风速可由测风仪测量得到。

(2)风速随高度的变化：从地球表面到10000米高空层内，空气的流动受到涡流、黏滞和地面摩擦等因素的影响，风速随着高度的增加而增大。

通过实验，我们常用的计算风速随高度的变化的公式有:指数公式：v＝v1(h／h1)n（2-1）对数公式：v=v1（lgh/h0）/（lgh1/h0）（2-2）式中：v1——高度为h1的风速；h0——风速为零的高度；n——值取决于地面的平整度(粗糙度)和大气的稳定度，取值范围为1/8—1/2。

在开阔、平坦、稳定度正常的地区，n值取1/7。

(3)风频：分为风速频率和风向频率。

风速频率：各种速度的风出现的频繁程度。

对于风力发电的风能利用而言，为了有利于风力发电机平稳运行，便于控制，希望平均风速高、而风速大小变化小。

风向频率：各种风向出现的频繁程度。

对于风力发电的风能利用而言，总是希望某一风向的频率尽可能的大。

2.2风能的特点和限制性2.2.1风能的特点大家可能深有体会，在大风中会站立不稳，说明风具有能量。

风所具有的动能我们称为风能，是指空气相对地面做水平运动的时候所产生的动能。

根据理论计算和实践结果，我们把具有一定风速的风，通常是指3米/秒到20米/秒的风作为一种能量资源加以开发，用来做功(如发电)，我们把这一范围的风称为有效风能或风能资源。

因为风速低于3米/秒时，它的能量太小，没有利用的价值，而风速大于20米/秒时，它对风力发电机的破坏性很大，很难利用。

那么风速和我们常常听到的“几级风”有什么关系呢？世界气象组织将风力分为13个等级，如表2-1所示，在没有风速计的时候，可以根据它来粗略估计风速⑥。

表2-1 风力等级表续表大风所具有的能量是很大的。

风速为9—10米/秒的5级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为10千克；风速为20米/秒的9级风，吹到物体表面上的力，每平方米约为50千克；风所含的能量比人类迄今为止所能控制的能量要大得多。

2.2.2 风能的优点和局限性风能与其他能源相比，有明显的优点，但也合其突出的局限性。

Ⅰ.风能的优点①蕴藏量大：我们已知道风能是太阳能的一种转换形式，是取之不尽、用之不竭的可再生能源，根据计算，太阳至少还可以像现在一样照射地球60亿年左右。