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小型风力发电机设计与制作 [平装] |  |
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小型风力发电机设计与制作 [平装] | |
日本久保大次郎编著的《小型风力发电机设计与制作》能源是影响人类生存质量的重要物质基础。当前人类使用的主要能源是煤炭、石油、天然气等，这些能源的储量有限，是不可再生的，使用这些能源又会引起“地球变暖”等一系列环境问题。近年来，可再生能源发展很快，包括太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能、地热能等，这些能源取之不尽、用之不竭，无污染或少污染，属于清洁能源。
作者：（日本）久保大次郎 译者：姚兴佳 王益全
久保大次郎， 1938年生于三重县 ，1957年进入东京芝浦电气株式会社（现在的东芝）， 1989年担任东芝半导体事业本部民用半导体系统技师长， 1993年担任东芝半导体系统技术中心所长， 2000年，成立ACTechnologies公司，出任社长 ，现在AC Technologies公司社长，日本风能协会会员 。主要著作 《トランジスタ高周波回路》松井孚夫他共著，日刊工業新聞社，1968年7月 《实用トランジスタ回路設計》高橋健二ほか共著，日刊工業新聞社，1970年11月 《高周波回路の設計》CQ出版（株），1971年10月 《トランジスタ?ダイオ村ドの使い方》CQ出版（株），1973年5月 《ディジタル回路設計スタディ》一杉勝共著，CQ出版（株），1976年9月 《トランジスタ回路の簡易設計》著，CQ出版（株），1977年3月 《小型パワ村?デバイスの使い方》CQ出版（株），1979年8月。
第1章 风力发电基础
1.1 风力发电机的类型与特点
1.1.1 螺旋桨型风车
1.1.2 荷兰型风车
1.1.3 多翼型风车
1.1.4 萨沃纽斯型风车
1.1.5 达里厄型风车
1.1.6 旋翼型风车
1.1.7 交叉流动型风车
1.2 螺旋桨型风力机的原理及基本术语
1.2.1 风力发电机的基本术语
1.2.2 螺旋桨型风力机的原理
1.3 风力机的功率
1.3.1 风轮功率
1.3.2 风力机的类型与功率系数
1.4 小型风力发电的应用领域及使用方法
1.4.1 获得所需电能的方法
1.4.2 风力发电与太阳能发电混合系统
1.4.3 小型风力发电的具体应用领域
1.4.4 小型风力发电机与燃料电池混合系统
第2章 风力发电用发电机
2.1 关于发电机
2.1.1 能选用直流电动机作为发电机吗
2.1.2 能选用自行车用发电机吗
2.1.3 能选用汽车用发电机吗
2.2 发电机的原理与结构
2.2.1 发电机的原理
2.2.2 永磁材料
2.2.3 磁路用电磁钢板
2.2.4 其他材料
2.3 发电机的发电特性
2.3.1 转速与发电特性
2.3.2 风速及风轮直径与转速和发电机输出功率的关系
2.4 初期制作的发电机
2.4.1 关于发电机结构形式的讨论
2.4.2 齿轮增速型发电机的制作
2.5 采用三相交流发电机的优越性
2.5.1 直流发电机
2.5.2 交流发电机
2.5.3 适用于风力发电的三相交流发电机
2.5.4 自制风力发电机时的注意事项
第3章 发电机的制作
3.1 制作时使用的主要工具、设备
3.1.1 木材和金属的切割
3.1.2 开孔
3.1.3 切削、磨削加工
3.1.4 其他工具
3.2 500W风力发电机(KG02)的制作
3.2.1 本机概要
3.2.2 制作顺序和要点
3.2.3 500W风力发电机(KG02)的特性
3.2.4 附属机构的制作
3.2.5 试运行
3.3 700W风力发电机(KG11)的制作
3.3.1 存在的问题及其解决方法
3.3.2 制作顺序及方法
3.3.3 700W 风力发电机的特性
3.3.4 附属机构的制作
3.3.5 试运行
第4章 风力机基础知识及设计方法
4.1 风力机基础知识
4.1.1 风力机概要
4.1.2 叶片的翼型
4.2 风轮叶片的设计
4.2.1 叶片的设计
4.2.2 1. 6m叶片的简易设计
4.3 设计时需要注意的几个问题
4.3.1 叶片的尖端速度
4.3.2 作用于风轮叶片上的离心力
4.3.3 叶片的材料与结构
4.4 风力机的类型
4.4.1 装有扩(集)风器的风力发电机
4.4.2 装有防护罩的风力发电机
4.4.3 河豚型风力发电机
4.4.4 装有辅助翼的风力发电机
4.4.5 多风轮风力发电机
第5章 风力机的制作
5.1 木制叶片的优点
5.2 木制2叶片风力机的制作
5.2.1 叶片的规格
5.2.2 叶片原型的制作
5.2.3 翼型的加工
5.2.4 配件的制作及叶片装配
5.2.5 作用于叶片上的力
5.3 木制粘接型叶片的制作
5.3.1 利用巴尔沙木粘合制作
5.3.2 在具有扭转角的状态下粘接
5.3.3 轮毂部分的制作
5.3.4 叶片表面的强化对策
5.3.5 什么是FRP
5.4 基于泡沫塑料和FRP的低速型风力机叶片制作
5.4.1 木制骨架的制作
5.4.2 泡沫塑料的切割
5.4.3 木制骨架与泡沫塑料的粘接
5.4.4 用FRP覆盖表面
5.4.5 叶片的精加工
5.4.6 轮毂的制作
5.4.7 完成
5.5 基于泡沫塑料、巴尔沙木及FRP的高转速叶片制作
5.5.1 木制骨架的制作
5.5.2 叶片的切割与粘接
5.5.3 用FRP覆盖表面
5.5.4 叶片的精加工
5.5.5 对使用泡沫塑料叶片的考核
5.6 基于FRP成型技术的叶片制作
5.6.1 FRP成型技术的特点
5.6.2 FRP使用的材料和工具
5.6.3 叶片FRP成型工艺的流程
5.6.4 工艺1--叶片原型的制作
5.6.5 工艺2--清漆与氨基甲酸乙酯涂料的涂敷
5.6.6 工艺3--雌型模的制作
5.6.7 工艺4--叶片的成型
5.6.8 工艺5~6--螺栓固定与离型
5.6.9 叶片与轮毂的安装
第6章 风力机的测试与评估
6.1 风力机特性的测试方法
6.2 测试结果及其评估
6.2.1 测试结果
6.2.2 功率系数
6.2.3 风速与输出电功率
6.2.4 发电机的最佳负载
第7章 蓄电池充电控制装置
7.1 风力发电的特性与蓄电池充电控制电
7.1.1 蓄电池充电电路
7.1.2 获得最大输出功率的方法
7.1.3 基于DC-DC变换器的充电控制电
7.2 300W充电控制电路
7.2.1 基本电路与实用电路
7.2.2 关于开关电源控制器电路TL494
7.2.3 电路的动作
7.3 700W充电控制电路
7.3.1 推挽方式的中心抽头型DC-DC变换器电路
7.3.2 实际电路
7.3.3 充电控制器的实测特性
7.4 关于蓄电池
7.4.1 深度周期充放电型蓄电池
7.4.2 蓄电池的特性
7.4.3 使用注意事项
7.4.4 蓄电池的废弃
7.5 电气二重层电容器的应用
7.5.1 何谓电气二重层
7.5.2 电气二重层电容器的特点
7.5.3 在小型风力发电中的应用
7.6 安全对策电路
7.6.1 电磁制动电路及防止蓄电池过充电电路
7.6.2 蓄电池放电控制电路
第8章 风力发电机的安全对策及现场安装
8.1 强风时的安全对策
8.1.1 风轮上方偏转方式
8.1.2 风轮侧向偏转方式
8.1.3 变桨距控制和失速控制
8.1.4 叶尖距控制方式
8.1.5 基于发电机电磁制动的控制
8.1.6 受风面积可变方式
8.1.7 盘形制动方式及其他
8.1.8 尾翼的强风对策
8.2 风力发电机的安装及塔架制作
8.2.1 安装场所
8.2.2 关于风轮阻力
8.2.3 采用工程用铁管的简易塔架的制作与安装
8.2.4 正规塔架的制作与安装
第9章 风速仪与发电量记录仪的制作
9.1 风速与风速仪基础知识
9.1.1 风速仪的分类
9.1.2 风速分级、平均风速、瞬时风速
9.2 风速仪的制作
9.2.1 基于直流发电机的简易型风速仪
9.2.2 采用光传感器的螺旋桨型风速仪制作
9.3 自制风速仪的实测举例
9.3.1 台风实测例
9.3.2 季风实测例
9.4 关于风速?发电量记录仪
9.4.1 实测发电量与风速关系曲线的方法
9.4.2 自制的积算型风速仪和积算型电能仪
参考文献
后记
以风为动力而制成的风车历史久远，据说可以追溯到数千年以前。由风车产生的机械动力可用于提水、制粉等作业。然而，现在人们主要利用风车产生的动力来发电。将风能变换成电能后，其用途就不仅仅是提水、制粉等简单作业，还可更加灵活地用于很多种加工作业。 这种能够将风能变换成电能的风车称为“风力发电机”或“风力涡轮发电机”。 风车有很多种类型。根据风轮形式的不同，可以分为螺旋桨型、荷兰风车型、多翼型、达里厄（Darius）型、萨沃纽斯型等。
根据风车的旋转轴与水平面相对位置的不同，可分为水平轴型和垂直轴型。风车的旋转轴水平放置时为水平轴型；垂直放置时则为垂直轴型。 垂直轴型风车的一个重要特点在于其不需要用来跟踪风向的控制机构。
1.1.1螺旋桨型风车在风力发电中。由于螺旋桨型风力发电机的风轮旋转轴置于水平位置，因此，也称其为 水平轴型风力发电机。螺旋桨型风力发电机的风轮叶片的形状与飞机机翼的形状相同，可以高速旋转。 根据流体力学可知，风车的叶片数较少时，可以获得较高的转速。在高速风力发电机中，有单叶片风力机和双叶片风力机，然而，性能更为优越的三叶片风力机的应用最为广泛。如果与转速相比，更需要获得较大转矩的话，则可以采用5~6个叶片的风力机。
1.1 风力发电机的类型与特点
螺旋桨型风力发电机在高速旋转时具有优良的特性，但噪声较大。同时，由于起动后效率损耗的影响，使机组的切入风速较高（3~4m/s）。
在风力发电中，螺旋桨型风力发电机的应用最为普遍，从小型机组到大型机组，应用得十分广泛。最近，已经出现了风轮直径达70m以上的超大型螺旋桨型风力发电机组。为了适应当今时代的需求，风力发电机组正在向大型化方向发展，与此同时，山上风力发电和海洋风力发电近年来也得到了快速发展。
1.1.2 荷兰型风车
作为一种著名的风车，人们马上可以举出耳熟能详的荷兰风车。
中世纪以来，有这样一种田园风光：在幽静的田园小屋上面，一台有4~6个叶片的风车在随风旋转，利用风车所产生的力来驱动设置在小房子内部的扬水泵，或者用于脱谷、制粉处理等。风轮叶片的骨架为木制，像带格子的日式拉门一样，把布固定在格子上，风吹拂风轮叶片而产生旋转动力。在当时，如果风向随着季节的不同而发生变化，则依靠人力将风车调节至来风的方向。显然，如果风力太大时，很可能将叶片上的布刮坏或刮飞。在历史上，这种古老的风车曾经长期实际应用于生产和生活中，现在则主要供观光旅游者欣赏。 一般说来，如果风车的转速较慢，则其转矩较大。在电气时代到来之前，风车将所捕获的风能转换成机械能而直接加以利用。
1.1.3 多翼型风车
这种风车的叶片数较多，一般为20个左右， 主要安装在美国中西部的农家或牧场的中心，用于扬 水作业。这种风车的显著特点是叶片数较多，转速较 低、转矩较大，因此，特别适合用于扬水作业。今天， 到美国中西部农牧区旅游时，仍能见到这种多翼型 风车。 由于多翼型风车的旋转力矩大、噪声小、结构简单、容易制造和维护，因此，风车爱好者多采用这种结构形式。在海外的志愿者活动中，也常采用多翼型风车作为中小型扬水设备的动力源。
1.1.4 萨沃纽斯型风车
萨沃纽斯型风车是垂直轴型风车的代表机型，以其发明者萨沃纽斯（芬兰人）的名字命名。可以看出，萨沃纽斯型风车的风轮由两个半圆筒形叶片组合而成，左右两个叶片处于两个不同的圆周方向上，但有一定的重叠。当风吹向风轮时，凹形叶片在风力的推动作用下，使风车克服阻力而旋转，并且具有较高的旋转效率。设置在足力工业大学校园内的萨沃纽斯型风车，其特点是：整个风轮分成3段，半圆筒形叶片在整个圆周上按每隔60°一片设置。 与螺旋桨型风车等利用所产生的“升力”来工作的风车不同，萨沃纽斯型风车是利用其对风所产生的“阻力”来工作的，这是两种类型风车在工作原理上的不同之处。因此，如后面所述，萨沃纽斯型风车具有叶尖速比近似等于1、转速低、噪声小、转矩大等优点，适合用于扬水等作业。萨沃纽斯型风车的另一个显著特点是其正常运行时与风向无关，因此，不必设置风向调节机构。
1.1.5 达里厄型风车
达里厄（Darius）型风车也是一种垂直轴型风车。这种风车也是以发明者的名字命名的，是一种比较新型的风车。达里厄型风车一般采用2~3个叶片，与萨沃纽斯型“阻力型”风车不同，这种风车属于“升力型”，其特点是风车转速可以设计得很大。达里厄型风车运行时也与风向无关，因此也不需要控制风向的尾舵。但是，这种风车在停止状态下从风力所获得的转矩（起动转矩）很小，难以自行开始运转，是这种风车的不足之处。为此，可以采用辅助电动机起动，或者与萨沃纽斯型一起构成组合型风车，以便改善机组的起动性能。达里厄型风车的外形很漂亮，很能吸引人们的眼球，因此常设置在博物馆 等场所。从结构上来说，这种风车在施工上有一定的难度。从安全上考虑，需要设置能保证机组安全稳定运行的支撑机构。
1.1.6 旋翼型风车
旋翼型风车是达里厄型风车的改进型，属于垂直轴型风车，其叶片具有与飞机机翼相同形状的截面。与达里厄型风车一样，旋翼型风车的起动转矩非常小，为了改善起动性能，常与萨沃纽斯型一起构成组合型风车。这种风车具有叶尖速比高、旋转力矩大等优点，受到业内人员的广泛关注。旋翼型风车的结构稍显复杂。由于这种风车的转速较高，因此，当需要设置在人员流动性较大的场所时，或者设置时的作业环境比较狭窄时，需要特别注意有关安全方面的问题。另外，遭遇乱气流和强风时，引起风 车超速旋转是十分危险的，必须采取相应的保护对策，例如设置停机装置等。旋翼型风车成本方面存在的问题也是一个需要解决的课题。
1.1.7 交叉流动型风车
交叉流动型风车具有多个细长的半圆筒状的叶片，等间隔设置，安装时，圆筒的上下外圆周部分要错开适当的角度。外面的风从叶片之间的间隙吹入并贯穿风车内部空间，然后从另一侧叶片之间的间隙排出，使风车按一定的方向旋转。这种风车对风向无特定要求，工作时可以接受全方位的风向。当风从前方吹来时，吹向风车左半部分的风力是作用到其旋转方向上的，是有效的；而作用到风车右半部分的风对风车的旋转只能起到……
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