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1. 研究目的与意义（文献综述）
1.设计的目的及意义（含国内外现状）
人类对风能的利用可以追溯到数千年前，在古埃及的尼罗河上就已经出现了风力帆船。风能拥有分布广，储量大等优点因而被人类所广泛利用。而人类第一次风力发电的尝试源于丹麦设计的垂直轴风力发电机。我国是世界上最早利用风能的国家之一，但我国的风力发电起步相对较晚，直到1984年我国才从丹麦引进了四台风电机组。 我国的风力机按照由弱到强，从外国引进到自主研发，从小型机到中大型机的规律发展的[1]。到了今天我国的风电产业已走在世界前列。金风科技，联合动力等制造商已经向国外出口风力机，表明国产风力机制造企业已具备了较强的国际竞争力[2]。
依据风力发电机轴与地面间的相对位置关系，我们可以将风力发电机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。根据表1我们可以看出，由于水平轴风力机的技术成熟度高，因而目前市面上的绝大多数商用风力发电机采用水平轴风力机。与水平轴风力机相比垂直轴风力机的研究相对滞后，水平轴风力机占整个市场的97%[3]。但是在对比中我们不难发现，垂直轴风力机拥有塔架摇摆小，故障率低，理想效率高，维护成本低等诸多优点。因此，随着对垂直轴风力机研究的不断深入，这一研究领域有着广阔的前景。本文也将重点介绍垂直轴风力机。
表1 垂直轴风力机与水平轴风力机的比较[4-9]
| 性能 | 垂直轴风力发电机 | 水平轴风力发电机 |
| 塔架的摇摆 | 小 | 大 |
| 偏航机构 | 无 | 有 |
| 整体结构 | 简单 | 复杂 |
| 离地面高度 | 低 | 高 |
| 叶片运行空间 | 小 | 大 |
| 噪声 | 小 | 大 |
| 风向的影响 | 小 | 大 |
| 对鸟类的影响 | 小 | 较大 |
| 叶片可塑性 | 好 | 差 |
| 塔影效应影响 | 小 | 较大 |
| 电磁干扰（碳刷） | 无 | 有 |
| 抗风能力 | 弱 | 强（可抗12-14级台风） |
| 故障率 | 低 | 高 |
| 结构载荷 | 低 | 高 |
| 发电曲线 | 饱满 | 凹陷 |
| 安装和维护费用 | 低 | 高 |
| 理想效率 | 超过70% | 50%-60% |
| 技术成熟度 | 低 | 高 |
| 使用寿命 | 长 | 短 |
垂直轴风力发电机主要有两大不同的类型，分别是利用空气动力的阻力做功的阻力型垂直轴风力发电机，和利用翼型的升力做功的升力型垂直轴风力发电机。阻力型风机可以根据叶片形状和结构可以分为平板摆转式风力机、风杯式阻力差风力机、屏障平板式风力机、塞内加尔式风力机、垂直轴涡轮式风力机和萨沃纽斯(Savonius)型风力机(也叫S型风力机)等。阻力型垂直轴风力机常见的类型是萨沃纽斯型风力机，萨沃纽斯型风力发电机以它在低叶尖速比时优秀的自启动性和适应性闻名。而直叶片的达里厄型风力发电机以其较高的平均输出扭矩和较低的叶片生产成本而闻名。升力型垂直风力机可进一步细分为直叶片型和弯叶片型两种主要类型[10]。这类风机有着多种叶片形状和多种叶片类型。
垂直轴风力机的未来的发展和研究主要包括空气动力学、结构特征、材料疲劳失效问题和系统的可靠性等4个方面。因此垂直轴风力机的研究也是从这几个大的方向着手,主要研究有:垂直轴风力机可行性,各种形式,空气动力学特性研究分析,它又包括风力机的翼型气动性能研究和整体气动性能2个方面;垂直轴风力机的结构动力学研究及其可靠性分析。以上各方面也是垂直轴风力机发展的所要面临解决的主要问题[11]。
本次毕业设计，我研究的是：新型垂直轴径向激振式风力俘能装置设计。采用什么样的翼型这是一个关键。而如何研究垂直轴径向激振式风力俘能装置非线性振动与发电特性之间的关系，这是一个重点，也是一个难点。参考国内外现有设计，分析他们的优点和缺点，综合所学知识设计出垂直轴径向激振式风力俘能装置是本次毕业设计的目的。
2. 研究的基本内容与方案
2.基本内容及技术方案
2.1基本内容
1、新型垂直轴径向激振式风力俘能装置初始方案对比分析。
风力机采用的翼型是风力机的一大关键。关于翼型我提出出三个方案：1.翼型采用螺旋叶片。2.采用直叶片加装风轮。3.采用三部分式的直叶片。
只有合适的翼型才能拥有良好的空气动力学性能，进而保证风能的利用效率。先前的垂直轴风力机大多采用直叶片或是螺旋型叶片，但随着风力机的不断发展，传统的翼型已经无法满足性能要求。在相同的条件下，直叶片风机的流场畸变比螺旋叶片风机的流场畸变小。直叶片式垂直轴风机影响的区域约为其转子直径的2.5倍，而螺旋叶片式垂直轴风机反射的区域约为4.2倍[12]。这是直叶片的达里厄风力发电机的一大优点，但是直叶片的达里厄风力机同样存在不少缺陷。比如直叶片的达里厄风机不能自启动。改善传统的直叶片的达里厄垂直轴风力机的自启动性能，主要有4种途径：安装辅助风力机、增加风力机的实度、采用非对称翼型和变桨距[13]。在传统达里厄风机上加装风轮的方法可以制造混合型风机(d-s混合风机)，这种混合型风机可以具备自启动性。风轮属于阻力型这使得尽管这种组合提高了风机的自起动性能，但混合式风机降低了风机在高转速下的总输出扭矩。
3. 研究计划与安排
3.进度安排
（1）第1-3周，调研收集分析有关资料，了解原理与要求，对文献进行初步学习，翻译有关外文资料，总体方案构思，并完成开题报告。
（2）第4-6周，对新型垂直轴径向激振式风力俘能装置进行结构设计及三维建模，探讨风能捕获结构非线性振动（振动强度/振动振幅）与输出电压之间的关系。
（3）第7-12周，探讨参数对能量转换效率的影响规律，提出改进方案。
4. 参考文献（12篇以上）
参考文献
[1]王长路,王伟功,张立勇等.中国风电产业发展分析[j].重庆大学学报,2015, 38(1):148-154.
[2] 高超;贾娅娅;刘庆宽;. 我国风电发展现状及前景[c]// 第27届全国结构工程学术会议.0.
[3]何志宁, 刘座铭, 张宗珍. 垂直轴风力发电机的发展历史及现状[j]. 机械工程师, 2014(2):39-40.
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