论文总字数：22942字

摘 要

在如今资源短缺、环境污染的情况下，清洁的能源风能逐步受到人们的重视，风力机装机容量也不断提高。本文先是介绍了风能的利用现状，接着介绍了空中漂浮式风力发电机的研究背景、研究现状、研究前景，然后具体对一种空中漂浮式高效涡轮发电机的设计进行了介绍。设计分为三章，首先是总体设计，总体说明了设计参数和设计要求；其次是叶片的设计，包括叶片的外形尺寸设计和叶片的结构设计；然后是其它主要部件的设计，包括轮毂与法兰连接、漂浮系统、传动系统、发电机的选择等。最后对设计过程、所用的计算机软件以及自己的心得感悟做了总结。

关键词：风力发电 风机结构 空中漂浮系统

Design of high efficiency turbine generator floating in the sky

Abstract

Nowadays, due to resource shortage and environmental pollution, clean energy like wind energy has gradually become the focus of people with increasing wind turbine installed capacity. First, this paper introduces the current situation of wind energy utilization, and then presents the research background, status and prospect of aerial wind turbines floating in the sky. Second, the design of an aerial high efficiency turbine generator is reported. The overall design is illustrated with the overall description of the design parameters and design requirements. Then, it is the blade design, including the blade size design and blade structure design. And then, the other major components of the design are presented, such as the hub and flange connection, aerial floating system, transmission system, generator selection, and so on. Finally, we summary the design process, the use of computer software and our own experiences to finish the design.

Key words:Wind power; Generator structure; Aerial floating system

目录

摘要…………………………………………………………………………………………I

ABSTRACT………………………………………………………………………………II

第一章 绪论………………………………………………………………………………1

1.1 研究背景……………………………………………………………………………1

1.2 研究现状……………………………………………………………………………2

1.3 研究前景……………………………………………………………………………2

第二章 总体设计…………………………………………………………………………3

2.1 设计说明……………………………………………………………………………3

2.2 总体参数设计………………………………………………………………………4

第三章 叶片设计…………………………………………………………………………6

3.1 计算各剖面的叶尖速比……………………………………………………………6

3.2 叶片翼型的选择……………………………………………………………………6

3.3 叶片弦长计算步骤………………………………………………………………10

3.4 叶片根部设计……………………………………………………………………12

3.5 叶片结构设计……………………………………………………………………13

第四章 其它主要部件…………………………………………………………………23

4.1 轮毂与法兰连接…………………………………………………………………23

4.2 发电机的选择……………………………………………………………………26

4.3 传动系统…………………………………………………………………………26

4.4 偏航系统…………………………………………………………………………32

4.5 制动系统…………………………………………………………………………33

4.6 发电机的控制技术………………………………………………………………34

4.7 漂浮结构…………………………………………………………………………35

第五章 设计总结…………………………………………………………………………36

参考文献……………………………………………………………………………………38

致谢…………………………………………………………………………………………40

第一章 绪论

1.1 研究背景

在人类历史发展的几千年中，能源在人们的生活、生产中起着至关重要的作用。如今我们正遇到由化石能源引起来的能源争夺、环境污染，这些问题不会随能源的稀缺得到缓解反而会愈演愈烈。众所周知，中国作为发展中的大国，每天要消耗大量的能源，而传统化石能源的大量消耗也带来环境污染问题，如近年来的雾霾问题，这些都要求我们开发风能、太阳能、潮汐能等这些新能源。

而风能是有着很好的的发展前景的一种新能源。与其他能源形式相比，风能具有储量大、分布广、可再生、绿色环保的优点^[1]。我国幅员辽阔，地形条件复杂，风力资源丰富，可开发量约7~12亿kW，其中陆地约为6~10亿kW，海上约为1~2亿kW，按2009年风力发电装机容量1613万kW，发电量269亿kW·h推算，未来每年可提供1.2~2万亿kW·h电量^[2]。由此可见，风能的开发利用对我国的可持续发展具有极大的意义和价值。

目前风力发电主要是陆上和海上发电，风力机通过塔架固定，高度在100m左右，在100m高度风功率密度较低，发电量较小。在百米左右高度的低空风功率密度一般在100W/m²级别范围内，风力资源有限，据有关报道，在高度1000m以上，特别是在6000~12000m的高空，风功率密度可高达10kW/m²以上^[3]。利用好这些高空的可以有效地满足人们对清洁能源的需求。为了应对这种状况，同时促进风力发电技术的发展，各国都在不断研究开发空中漂浮式风力发电高效涡轮机。

1.2 研究现状

高空风力发电的概念已经提出很多年了，但直到目前高空风力发电仍然有着成本高、技术复杂的问题。空中漂浮式风力发电高效涡轮机是高空发电设备的一种，空中漂浮式风电机是一种新型的风力发电机，这种新型的风力发电机将几乎可以在任何地方工作，风力发电机利用漂浮系统，在高空中利用风力带动叶轮进行发电，发电机产生的电通过电缆输送到地面。目前，由于这种风力发电机也在不断开发研究中，因此有着各种各样的形式。图1-1是最近美国阿尔泰罗能源公司研制出的一种漂浮在空中的风力机。

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