垂直軸式風力發(fā)電機的設計(含CAD圖紙、說明書、開題報告)
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畢業(yè)設計(論文)任務書畢業(yè)設計(論文)題目:垂直式風力發(fā)電機的設計設計(論文)的基本內容:1:風力發(fā)電機的設計方案:包括發(fā)電機整體方案的設計,葉片葉型的設計與選擇,制動裝置的設計等。2:增速器及增速箱的設計及選擇:包括箱體的具體設計及各個齒輪傳動比等的設計。3:繪制裝配圖及各部分零件圖。4:翻譯與本設計相關英文文獻一篇。畢業(yè)設計(論文)專題部分:題目: 設計或論文專題的基本內容:學生接受畢業(yè)設計(論文)題目日期第1周指導教師簽字:2017年3月1日工作計劃畢業(yè)實習(調研)3月2日3月18日(第1周第3周)校外實習單位:XX大學圖書館及電子期刊網絡任務:查閱與風力發(fā)電機相關的國內外發(fā)展的情況,對風力發(fā)電機的工作原理和構成有一個基本了解,對總體工作進行規(guī)劃。工作計劃所需參考資料目錄1 宋海輝,風力發(fā)電技術及工程 中國水利水電出版社 2009.22 葉杭冶,風力發(fā)電系統的設計、運行與維護 2010.63 吳雙群,風力發(fā)電原理 2011.104 馬麗娜,風力發(fā)電實用技術問答 2009.95 孫志禮,機械設計M,北京:科學出版社,2015.36 李樹軍,機械原理M,北京:科學出版社,2009.87 蔣超奇,嚴強水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較研究上海電力,2007,2,163-1658 施鵬飛風力機的理論與設計北京:機械工業(yè)出版社,19879 王季秩等電機實用技術上海:科學技術出版社,199710 Yin X X, Lin Y G, Li W, et al. Design, modeling and implementation of a novel pitch angle control system for wind turbineJ. Renewable Energy, 2015, 81:599-608. 11 Kristian Regenstein, Design of an open hardware architecture for the humanoid robot ARMAR工作計劃擬定設計(實驗)方案、論文選題3月1日3月4日(第1周第1周)設計方案論證(論文開題報告)3月5日3月20日(第2周第4周)設計工作與圖紙繪制(實驗研究、論文工作)3月21日5月15日(第4周第12周)撰寫說明書(論文)5月16日6月5日 (第12周第15周)畢業(yè)設計(論文)專題部分月日月日(第周第周)畢業(yè)設計(論文)送交評閱人日期6月6日6月10日(第15周第15周)答辯日期6月12日6月12日(第15周第15周)指導教師審批簽字:年月日(第周)工作記錄畢業(yè)實習(調研)3月2日3月18日(第1周第3周)單位:XX大學1. 垂直式風發(fā)電機的總體結構設計基本完成。2. 了解風力發(fā)電機相關的資料調研。3.外文文獻翻譯完成。(4000字以上)工作記錄查閱資料目錄1 宋海輝,風力發(fā)電技術及工程 中國水利水電出版社 2009.22 葉杭冶,風力發(fā)電系統的設計、運行與維護 2010.63 吳雙群,風力發(fā)電原理 2011.104 馬麗娜,風力發(fā)電實用技術問答 2009.95 孫志禮,機械設計M,北京:科學出版社,2015.36 李樹軍,機械原理M,北京:科學出版社,2009.87 蔣超奇,嚴強水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的比較研究上海電力,2007,2,163-1658 施鵬飛風力機的理論與設計北京:機械工業(yè)出版社,19879 王季秩等電機實用技術上海:科學技術出版社,199710 Yin X X, Lin Y G, Li W, et al. Design, modeling and implementation of a novel pitch angle control system for wind turbineJ. Renewable Energy, 2015, 81:599-608. 11 Kristian Regenstein, Design of an open hardware architecture for the humanoid robot ARMAR工作記錄設計方案論證(論文開題報告)說明:開題報告應有明確的要求,應統一格式,內容應包括:主題依據、目的意義、研究原理及方法、進度、預期效果、主要參考文獻等。指導教師評語及改進意見:指導教師簽字:年月日研究所(系)評語及改進意見:研究所所長(系主任)簽字:年月日工作記錄設計工作與圖紙繪制完成日期:月日(第 周)(實驗研究、論文工作)設計說明書完成日期:月日(第 周)(論文)專題部分完成日期: 月 日(第周)畢業(yè)設計送交評閱人日期:月 日(第 周)(論文)指導教師簽字:年月日上機(實驗)地點:圖書館累計上機時數:答辯日期: 月 日(第 周)答辯委員會主任簽字:年月日工作記錄答疑內容提要:畢業(yè)設計開始,指導老師分配題目,向每個人講解任務主要內容,并提出要求3月1日(第1周)內容提要:經過查閱資料后,確定自己的總體思路,向老師匯報,老師提出指正。 4月8日(第6周)內容提要:根據所得參數進行二維圖紙的繪制,檢查進度,對設計進一步提出意見。 4月15日(第7周)內容提要:對設計進度進行檢查,并對具體問題進行了解答。5月6日(第9周)工作記錄記事:第一周:畢業(yè)設計開始,指導老師分配題目,向每個人講解任務主要內容,并提出要求第六周:經過查閱資料后,確定自己的總體思路,向老師匯報,老師提出指正。第七周:根據所得參數進行二維圖紙的繪制,檢查進度,對設計進一步提出意見。第九周:對設計進度進行檢查,并對具體問題進行了解答。垂直式風力發(fā)電機的設計作 者 姓 名:XXX指 導 教 師:XXX 單 位 名 稱:機械工程與自動化專 業(yè) 名 稱:機械工程及自動化X X 大 學2017年6月The design of wind turbines with vertical axisby XXXSupervisor: XXXXXX UniversityJune 201X- 4 -畢業(yè)設計(論文)任務書畢業(yè)設計(論文)題目:垂直式風力發(fā)電機的設計設計(論文)的基本內容:1、確定風力發(fā)電機的總體設計方案,完成總圖設計;2、完成零部件的計算,完成二維圖的設計和繪制;3、完成設計說明的編制;4、翻譯相關外文資料畢業(yè)設計(論文)專題部分:題目:設計或論文專題的基本內容學生接受畢業(yè)設計(論文)題目日期第周指導教師簽字:年月日xi畢業(yè)設計(論文) 摘要 摘 要風能是一種取之不盡,無任何污染的可再生能源。地球上的風能資源極其豐富,據專家估計,僅1%的地面風力就能滿足全世界對能源的需求。風力發(fā)電和太陽能發(fā)電一樣,最初是為了解決應急電源和邊遠地區(qū)供電而開發(fā)出來的產品,因而在最初發(fā)展并不是很快。同時由于水平軸風力發(fā)電機的特性,小型風力發(fā)電在相當長的時間里未得到較好的發(fā)展。本文介紹了一種小型垂直軸風力發(fā)電系統的設計方案,本系統主要面向沿海高層建筑或邊遠地區(qū)不便于大規(guī)模供電的用戶。經過查閱大量文獻資料結合必要的理論計算,系統采用四片型葉片構成H型達里厄風力機,利用永磁直驅同步發(fā)電機將機械能轉化為電能,經過電力電子電路對蓄電池進行充電。文中對主要支撐件和傳動件進行了必要的結構校核,對所用的兩個角接觸球軸承進行了使用壽命校核。最后以垂直軸風輪和永磁直驅發(fā)電機為主要對象,設計風力發(fā)電系統主要零部件,并簡要介紹其控制電路、選擇蓄電池型號。關鍵詞: 垂直式;風力發(fā)電機;達里厄;CLARK Y翼型 畢業(yè)設計(論文) Abstract AbstractWind energy is an inexhaustible renewable energy without any pollution. Earths wind energy resources are extremely rich, according to experts estimate that only 1% of the ground wind will be able to meet the worlds energy needs.Wind power, like solar power, was originally developed to solve emergency power and remote areas of power supply, and thus in the initial development is not very fast. At the same time due to the characteristics of horizontal axis wind turbines, small wind power for a long period of time did not get better development.This paper introduces a small vertical shaft wind power system design, the system is mainly for coastal high-rise buildings or remote areas is not easy to large-scale power supply users. After the access to a large number of literatures combined with the necessary theoretical calculations, the system uses four-piece blade to form the H-type Dali wind turbine, the use of permanent magnet direct drive synchronous generator mechanical energy into electricity, through the power electronic circuit to charge the battery. The main support and transmission parts of the necessary structural verification, the use of the two angular contact ball bearings were used to check the life. Finally, the vertical axis wind turbine and permanent magnet direct drive generator as the main object, the design of wind power system main parts, and briefly introduce its control circuit, select the battery model.Keywords: Vertical; Wind Turbines; Dalire; CLARK Y airfoil畢業(yè)設計(論文) 目錄 目錄任務書i摘 要iiAbstractiii第1章 緒論11.1設計小型風力發(fā)電機的依據和意義11.2國內外風力發(fā)電現狀與發(fā)展趨勢21.3本次畢業(yè)設計的設計背景與應用意義4第2章 小型風力機設計制造的基本理論52.1 風力發(fā)電機的分類52.1.1 按風輪軸的安裝形式分52.1.2 按風力發(fā)電機的功率分52.1.3 按風通過風輪及塔架的先后次序分52.1.4 按額定葉尖速度比分52.2 水平軸風力發(fā)電機的概述62.2.1 水平軸風力發(fā)電機的結構組成62.2.2 水平軸風力發(fā)電機各組成部分概述72.3 垂直軸風力發(fā)電機的概述102.3.1 垂直軸風力發(fā)電機的結構組成102.3.2 垂直軸風力發(fā)電機的各組成部分概述112.4 垂直軸風力發(fā)電機與水平軸風力發(fā)電機的比較132.4.1 結構特點及組成的比較132.4.2 風能利用率的比較132.4.3 環(huán)保方面的比較14第3章 小型風力發(fā)電機的總體方案確定153.1風力機的選擇153.2 垂直軸風力機空氣動力學163.2.1 風能利用率183.2.2 Cp-功率特性曲線183.2.3 貝茨極限193.2.4 葉尖速比193.2.5 風力機的各項參數計算203.3 葉片選型213.3.1 葉片實度223.3.2 葉片形狀及材料24第四章 電氣設備設計254.1 基本原理254.1.1 法拉第電磁感應原理254.1.2 相位角及功率因數254.2 轉化裝置264.1.1發(fā)電機的分類及設計類型選擇264.2.2 直驅式永磁同步發(fā)電機264.2.2 電氣系統電路設計28第5章 增速器設計295.1 材料、種類選擇295.2 傳動比分配和模式確定295.3 按齒面接觸強度設計295.4 按齒根彎曲強度計算315.5 比較結果和確定32第6章其他部件的選擇及設計346.1 拉索的選擇及受力計算346.2 蓄電池和選型356.2.1 蓄電池的種類及工作基本原理356.2.2 蓄電池選型356.3箱體的設計366.3.1 箱體的外形設計366.3.2 箱體的防銹與密封36第7章 結論37致謝38參考文獻39附錄A 英文翻譯40畢業(yè)設計(論文) 第1章 緒論第1章 緒論1.1設計小型風力發(fā)電機的依據和意義隨著能源緊缺及化石燃料對環(huán)境污染日趨嚴重,開發(fā)新型能源成為各國經濟發(fā)展的關鍵,目前可再生能源有太陽能、風能、地熱能等。風能發(fā)電是目前為止技術最為成熟,歷史最為悠久的發(fā)電方式,是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉?,有可能成為重要的替代能源。?3世紀起,水平軸風車產業(yè)就成為了農村經濟結構的主要部分,而利用風力發(fā)電的歷史可以追溯到19世紀晚期,美國的Brush研制了第一臺12kW的直流風力機。Golding(1955)、Shepherd和Divone(1994)記錄了早期的風力機發(fā)展史。1931年,蘇聯制造了一臺100kW、直徑30m的Balaclava(巴拉克拉法帽)風力機;19世紀50年代早期,英國制造了一臺100kW、直徑24m的Andrea Enfield(安德魯-恩菲)風力機。1956年,丹麥建造了一臺200kW、直徑24m的Gedser(蓋瑟)風力機,1963年法國電力工業(yè)試驗了一臺功率1.1MW、直徑35m的風力機。在德國,Hutter(胡特)于19世紀50年代和60年代建立了一些新型的風力機。由于石油價格突然上漲,美國開始建造一系列示范風力機組,如1975年的功率100kW、直徑38m的Mod-0風力發(fā)電機組和1987年的功率2.5MW、直徑97.5m的Mod-5B風力發(fā)電機組。目前世界上最大的風力發(fā)電機是德國制造的E-126,高達120m,風輪直徑126m,每個葉片長達61.4m,每片重18t,裝機功率達到5MW1,如圖1-1所示。 圖1-1 Enercon的E-126型風力發(fā)電機我國風能資源豐富,根據第三次風能普查結果,我國技術可開發(fā)的陸地面積約為24104km2??紤]到風電場中風力發(fā)電機組的實際布置能力,按照5MW/km2計算,陸上技術可開發(fā)量為120104MW。目前我國風能資源開發(fā)利用的重點區(qū)域有內蒙古自治區(qū)、遼寧省、河北省、吉林省、甘肅省、維吾爾自治區(qū)、江蘇省等,其中內蒙古自治區(qū)技術可開發(fā)量約為50104MW,居全國之首2如圖1-2所示。圖1-2 全年平均風能密度分布在國家可再生能源發(fā)展規(guī)劃和風電裝備國產化等相關政策的支持下,我過風電產業(yè)得到了快速發(fā)展,截止到今年中國(不含臺灣?。┬略鲲L電裝機10129臺,容量13803.2MW,年同比增長124%;累計風電裝機21581臺,容量25805.3MW,年同比增長114%。臺灣省當年新增風電裝機37臺,容量77.9MW;累計裝機227臺,容量436.05MW3。1.2國內外風力發(fā)電現狀與發(fā)展趨勢國際風力發(fā)電現狀自20世紀80年代起,美國等西方國家開始研究并設計風力發(fā)電機設備,著手使用風能來發(fā)電,并切向著商業(yè)化而努力。在短短的時間內,美國的風電裝置的數量得到飛速的提高,但由于一些原因,美國在1986年突然停止了對風力發(fā)電的優(yōu)惠政策和鼓勵政策,風電裝機容量的增長勢頭出現放慢。相反在歐洲的一些國家卻不斷制定出了相對全面的包括利用風能等的開發(fā)新能源并利用的政策,使得歐洲的風電裝置數量不斷增加,所以在總體上,世界的風電裝機容量還是處于一個增長的勢頭。由丹麥BTM咨詢公司提供的數據,在19962001年中,每年裝機容量平均都增長了約為32.6%。截止2001年底,全球累計總風力發(fā)電機容量已達到25 273 MW,而在短短的2001年,世界新增裝機容量就為6 824 MW。如表1-1所示。表1-1 2001年世界累計風電裝機容量前10的國家年份199920002001德國444061108730美國245026104250西班牙181028403550丹麥174023402460印度104012201460意大利280420700英國360430530荷蘭430470520中國260340410希臘160270360全世界139321844925273從表1-1中,我們能發(fā)現,發(fā)電機容量最多的國家是德國, 2001年新增裝機容量為2 620 MW,總量為8 730 MW,為世界之首;西班牙的新增發(fā)電機為710 MW,總量為3 550 MW,處于世界第三;丹麥是世界上制造風力發(fā)電設備水平比較發(fā)達的國家之一,它擁有世界上較為先進的風力發(fā)電機制造產業(yè)。除了這些,丹麥也大力發(fā)展自己國內的風力發(fā)電事業(yè),使得丹麥的風力發(fā)電機新增了120 MW,總量為2 460 MW,處于世界的第四位;世界第五位的是印度,它是發(fā)展中國家風力發(fā)電事業(yè)最發(fā)達的國家,2001年一年中,新增了240 MW,總容量為1460 MW。70年代起,中國開始進行了并網型風力發(fā)電機的研究和開發(fā)設計。山東從1983年開始著手引進了3臺丹麥Vestas55 kW的風力機組,進行了并網型風力發(fā)電機技術的試驗。接著在1986和1989年在的達坂城分別安裝1臺丹麥制造的Micon 100 kW和13臺丹麥制造的Bonus150 kW風力發(fā)電機組,并且在內蒙古的朱日和裝了5臺美國制造的Windower 100 kW風力發(fā)電機組,從此開始了中國風電場的運行試驗。2001年底,中國風電總發(fā)電機量為410 MW,處于世界第九。中國蘊藏著豐富的風能,據統計,可利用的風能約253億kW,但是,由于技術原因,我國的風力資源還沒有得到十分充分的利用與開發(fā)5。 “十五”期間,中國的并網風電得到迅速發(fā)展。至2006年,中國風電總容量已經達到2600兆瓦,成為繼歐洲、美國和印度世界三巨頭之后,發(fā)展風力發(fā)電的主要國家之一。2007年以來,中國的風電產業(yè)規(guī)模更是出現了暴發(fā)式增長態(tài)勢。就2008年,中國新增的風力發(fā)電容量就有7190兆瓦,增長率108%,累計容量超過了13000兆瓦。山東、遼寧、內蒙古、廣東、等地區(qū)由于豐富風能資源,所以風電產業(yè)得以飛快的發(fā)展。中國風能等利用新能源而發(fā)電的行業(yè)有很寬廣發(fā)展的前景,預計在未來的很長一段時間力,我國的風電產業(yè)將繼續(xù)飛速發(fā)展,同時隨著技術的逐漸成熟,盈利的能力也能逐步提高。隨著中國風電發(fā)電的規(guī)模化和發(fā)電機的國產化,風電的成本問題將得到解決。所以風電慢慢變成許多投資者的投資目標。諸如風力發(fā)電場的建設、并網發(fā)電、風力發(fā)電設備的制造等許多領域將成為投資的目標,有良好的發(fā)展空間6。1.3本次畢業(yè)設計的設計背景與應用意義由于市場經濟的快速發(fā)展與城市化的推廣,城市、城郊的公共設施晚間燈箱指示越來越多,而其帶電電線的星羅棋布,十分容易造成安全隱患。若應用低風速小功率風力發(fā)電蓄電供電,也就可消除不少不安全因素,同時又節(jié)能環(huán)保,減少城市用電負擔。目前開始普及的風力發(fā)電路燈其風力發(fā)電實際檢測均在風速3m/s才能啟動,如上海地區(qū)正常情況下,風速2.32.5m/s的較多,因而也就造成了目前不少風光互補路燈不能充分利用低速風能,風力發(fā)電時間較短的情況。本課題來自于社會的需求,風力是一種清潔能源,是一種環(huán)保能源。相對于傳統的水平軸風力發(fā)電機,垂直軸風力發(fā)電機具有設計方法先進、風能利用率高、起動風速低、無噪音等眾多優(yōu)點,具有更加廣闊的市場應用前景,相信在不久的將來,垂直軸風力發(fā)電機將大有作為7。因此充分利用低速風能的垂直軸風力發(fā)電機的設計在提倡可持續(xù)發(fā)展的今天顯得尤為重要。- 46 -畢業(yè)設計(論文) 第2章 小型風力機設計制造的基本理論第2章 小型風力機設計制造的基本理論2.1 風力發(fā)電機的分類2.1.1 按風輪軸的安裝形式分(1) 水平軸風力發(fā)電機(HAWT) 風輪軸線的安裝位置與水平面夾角不大于。其葉片翼形通常使用飛機翼形,它以類似螺旋槳式的葉片繞水平軸旋轉。風輪的掃掠面與風向垂直,并隨風向變化而迎風回轉8。(2) 垂直軸風力發(fā)電機(VAWT) 風輪軸線的安裝位置與水平面垂直。其葉片繞垂直軸旋轉。(3) 傾斜軸風力發(fā)電機(IAWT) 風輪軸線的安裝位置與水平面夾角為 (不包括)。它的應用范圍較少。2.1.2 按風力發(fā)電機的功率分(1) 微型風力發(fā)電機 額定功率在 1000 W的風力發(fā)電機。(2) 小型風力發(fā)電機 額定功率在 1.0 10.0 kW的風力發(fā)電機。(3) 中型風力發(fā)電機 額定功率在10.0 100.0 kW 的風力發(fā)電機。(4) 大型風力發(fā)電機 額定功率在 100.0 kW 的風力發(fā)電機。2.1.3 按風通過風輪及塔架的先后次序分(1) 上風式風力發(fā)電機 使風先通過風輪再通過塔架的風力發(fā)電機。(2) 下風式風力發(fā)電機 使風先通過塔架再通過風輪的風力發(fā)電機。2.1.4 按額定葉尖速度比分(1) 高速風力發(fā)電機 額定葉尖尖速比 3的風力發(fā)電機。(2) 低速風力發(fā)電機 額定葉尖尖速比 kn(2) 柔塔的固有頻率 kn n在之間(3) 甚柔塔的固有頻率 40% 。前面已經提到了,雖然許多設計如此,但這種設計方法本身是有缺陷在其中的,這樣計算所得的數據的正確性需要多多的推敲推敲。當然,風力發(fā)電廠的風力發(fā)電機都是根據實際測量得到的風速和實際風機輸出功率去繪制出風的功率曲線圖,雖然比起單單根據葉片的設計所得的數據來說,要正確許多,但是先繁瑣不說,此法扯得風速,已經是經過風輪后,那些小于實際的風的風速,所以這樣測量出來的數據比實際的應該要高些,應當需要修正。根據風力發(fā)電新技術與發(fā)電工程設計、運行、維護及標準規(guī)范實用手冊的修正方法修正后,水平式的風能利用率要被削減大約30%-50% 。對于小型水平式的風力發(fā)電機的風能利用率,有關部門曾作過對于的風洞實驗,實際測量出,其利用率大約在23%-29%。由于先前經常采用葉素理論來計算設計垂直式風力發(fā)電機的風能利用率,可以得出利用率比水平式差的結論,但是通過上海麟風風力發(fā)電設備有限公司的CFD模擬數據,垂直式風輪的風能利用率不比水平軸的低,國外也有機構通過實驗證明,垂直式風力發(fā)電機的風能利用率在大于40% 。而且,在實際環(huán)境中,風向是時常發(fā)生改變的,水平式的風輪的迎風面不可能始終對著風,這就會引起了“對風損失”,而垂直式風輪則不存在這個問題,因此在考慮了對風損失之后,垂直式風輪的風能利用率可以超過水平式風輪。2.4.3 環(huán)保方面的比較雖然風力發(fā)電是清潔能源,能起到很好的環(huán)保作用,但是隨著越來越多大型風電場的建立,一些由風力發(fā)電機引發(fā)的環(huán)保問題也凸顯出來。這些問題主要體現在兩個方面: 一是噪音問題,二是對當地生態(tài)環(huán)境的影響。高尖速比的水平軸風輪在高速運行狀態(tài)下,葉片切割氣流會產生很大的氣動噪音,給人們的生活帶來不便。不但如此,其產生的特殊聲音頻率還將吸引部分鳥類、蝙蝠等飛行類生物,致使它們慘死在風輪之下。這就是為什么近年來生態(tài)學家,尤其是鳥類學家反對風力發(fā)電的重要原因12。而低尖速比的垂直軸風力發(fā)電機就特別適合在城市中的公共設施、民宅等場所,它運行時基本不產生噪音氣動,甚至達到了靜音效果,因而有著更為廣闊的應用范圍。畢業(yè)設計(論文) 第3章 小型風力發(fā)電機的總體方案確定論第3章 小型風力發(fā)電機的總體方案確定3.1風力機的選擇風力機的分類方法很多,其中按風力機主軸布置方向可分為水平軸風力機和垂直軸風力機,水平軸風力機的旋轉主軸與風向平行,如圖3-1所示。水平軸風力機組有兩個主要優(yōu)勢:1.實度較低,能量成本低;2.葉輪掃掠面的平均高度可以更高,有利于增加發(fā)電量。圖3-1 水平軸風力發(fā)電機垂直軸風力機的旋轉主軸與風向垂直,如圖3-2所示,垂直軸風力機設計簡單,風輪無需對風,其優(yōu)點有:1.可以接受任何風向的風,無需對風;2.齒輪箱和發(fā)電機可以安裝在地面,檢修維護方便。圖3-2 垂直軸風力發(fā)電機按照槳葉受力方式分類可分為升力型風力機和阻力型風力機。升力型風力機利用葉片的升力帶動旋轉軸轉動,從而轉化風能為電能,這種風力機目前較為常見,大部分水平軸風力機都屬于升力型風力機。目前大中型風電主要采用水平軸風力機,屬升力型風力機,具有轉速高、風的利用率較高等優(yōu)點,其葉尖速比通常在4以上,最大功率系數可達50%,如圖3-3所示。阻力型風力機利用葉片上受到的阻力來驅動發(fā)電機發(fā)電,大部分阻力型風力機為垂直軸,目前較少,如圖3-4所示。圖3-3 升力型風力發(fā)電機圖3-4 阻力型風力發(fā)電機垂直軸升力型風力機既有垂直軸風力機結構簡單、維修方便等優(yōu)點,又和升力型風力機一樣具有較高轉速,風能利用率有所提高。由于運行過程中受力比水平軸好得多,疲勞壽命要更長。綜上,我們選擇垂直式升力型風力發(fā)電機。3.2 垂直軸風力機空氣動力學如圖3-5所示建立平面坐標系,假定風速矢量為v,葉片端線速度矢量為u,葉片所在位置夾角為,則葉片的平均線速度為5 (3.1)在圖3-5中,風速矢量v=(0,-V),葉片速度矢量u=(-Usin,Ucos),風對葉片的相對速度w=v+u,坐標運算后得w=(-Usin,-V+Ucos)。圖3-5 垂直風力機動力原理相對風速的大小就是矢量w的模|w|,以表示w的單位矢量,表示u的單位矢量,則可以求出此時的攻角,攻角就是相對風速與葉片弦長所在直線的夾角,按照矢量計算可推得: (3.2)在風力的作用下,葉片在攻角時受到的升力和阻力可以按以下公式計算: (3.3) (3.4)將升力和阻力投影到風輪切方向: (3.5) (3.6)其中Flt為Fl在切向的分量;Fdt為Fd在切向的分量。葉片受力分解如圖3-6所示6。圖3-6 垂直風力機的葉素力學模型切向力的合力產生轉矩使風輪轉動,葉片在位置角為時產生的轉矩為 (3.7) 3.2.1 風能利用率風能利用系數Cp是表示風力機效率的重要參數,由于風通過風輪的風能不能完全轉化為風輪機械能,其風能利用率Cp為7 (3.8)其中Pm為風力機輸出的機械功率;Pw為風力機輸入的風能。目前大型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率絕大部分是由葉片設計方計算得到的,一般在40%以上。由于之前一般都是利用葉素理論來計算垂直軸風力機的風能利用率,得出的結果不如水平軸,但是根據國外最新的實驗表明垂直軸的風能利用率不低于40%8,再加上水平軸風力機受到風向變化的影響,而垂直軸風力機可以在任何風速角下工作,因此有理由相信垂直軸風力機的利用率能夠超過水平軸。3.2.2 Cp-功率特性曲線風能利用系數Cp一般是變化的,它隨著風速與風輪轉速變化而變化,葉片尖端線速度與風速之比叫做葉尖速比(將在第3.2.4節(jié)具體說明),為了得到最佳的風能利用率,一般根據Cp-曲線來選擇合適的葉尖速比,如圖3-7所示。圖3-7 Cp-曲線圖從圖3-7中看出,當葉尖速比達到7.5左右時風能利用系數最大,風能利用率最高,Cp值有一個最大值,實際風力機一般都達不到這么高的風能利用率,所以我們先初定葉尖速比在=6,風能利用率Cp=0.4時對風力機進行設計,具體的Cp-圖還需根據具體的風力機葉片試驗及攻角調整來確定。3.2.3 貝茨極限風能利用系數縮短能達到的最大值就是貝茨極限,德國空氣動力學家Albert Betz提出貝茨極限后,直到今天還沒有人能設計出超過這個極限的風力機,該極限不是由于設計不足造成的,而是因為流管不得不在致動盤上游膨脹,使得自由流速比在圓盤處小,貝茨極限由一下微分方程得出9: (3.9)式中a為氣流誘導因子。解微分方程可知當a=1/3時,Cp最大,求得最大Cp=0.953。3.2.4 葉尖速比風輪葉片尖端線速度與風速之比稱為葉尖速比,阻力型風力機葉尖速比一般為0.3至0.6,升力型風力機葉尖速比一般為3至8。在升力型風力機中,葉尖速比直接反映了相對風速與葉片運動方向的夾角,即直接關系到葉片的攻角,是分析風力機性能的重要參數。葉尖速比計算公式為 (3.10)3.2.5 風力機的各項參數計算1. 風力機有效功率:風力機有效功率可由下式求出:式中: 風能利用系數,最大值是貝茲極限59.3%;空氣密度,;A風輪的掃掠面積,;V風速,m/s。就本設計而言:取葉片數為4,葉尖速比=5,取,=1.25,V=8m/s。2.風輪掃掠面積S及風輪直徑D的設計(1)風力機功率的計算發(fā)電機發(fā)出的功率為500W,其中要經過聯軸器,增速機構,發(fā)電機,取聯軸器效率為0.99,滾動軸承效率為0.99,閉式齒輪效率為0.97,發(fā)電機效率為0.71。故: (2)風輪的掃掠面積S的確定風力機有效功率 ,故風輪掃掠面積S為: 式中 P為風力機實際獲得總功率,W;為空氣密度,kg/m3;取標準值1.25 kg/m3;S為風輪的掃風面積,m2;v為上游風速,m/s。(3)風輪直徑D的確定以上結果表明:通過風功率為1384.02W的風力機組,掃掠面積為4.325 m2,在風速為8m/s的情況下發(fā)電功率為500W。風輪高度與直徑的比值為風輪的高徑比,應該在輸出相同功率時葉片制造費用最低的條件下,選擇高徑比,研究表明,高徑比為1附近時相同的材料掃風面積最大,其中H為風輪高度,D為風輪直徑。求出風輪掃掠面積A后,便可計算出風輪直徑: 由得到H=2.2m,D=2.0m,產生的掃掠面積基本上能符合要求.風力機轉矩:(4)風輪轉速n 的計算及增速比i 的確定由可再生能源及其發(fā)電技術表3.15與表3.16取尖速比為5,葉片數為4。風輪轉速:角速度=線速度/半徑 (5-1) = 8 m/s/ 1m = 8 rad/s 轉速=角速度/ 2 (5-2) = 1.4 r/s = 84.3 r/min故增速比 3.3 葉片選型葉片是利用氣流通過時產生的壓力差使葉輪轉動的部件,具有空氣動力學特性,其設計質量對整個風力發(fā)電系統及其他零部件有這直接影響,因此葉片是風力機的重要部件。葉片的設計目標主要有:1. 良好的空氣動力外形;2. 可靠地結構強度;3. 合理的葉片剛度;4. 良好的結構動力學特性和啟動穩(wěn)定性;5. 耐腐蝕、方便維修;6. 滿足以上目標前提下,盡可能減輕葉片重量,降低成本。根據目前市場上同類型產品中廣泛采用的風輪類型,故決定選用經過大量風洞實驗和長期實踐應用都被認為較為理想的CLARK Y翼型為剖面翼型、通過直徑為6mm不銹鋼棒兩頭均以螺紋方式將翼型葉片與連接器相連,構成的4葉H型風輪為本次風機結構。3.3.1 葉片實度風力機葉片的總面積與風通過風輪的面積(風輪掃掠面積)之比稱為實度比(容積比),是風力機的一個參考數據。垂直軸風力機的葉片實度計算公式為: (3.12)升力型垂直軸風力機葉輪,C為葉片弦長,N為葉片個數,R為風輪半徑,L為葉片長度,為實度比。合理選取實度比的原則是在保證風輪氣動特性的條件下,力求使制造葉片的費用最低。為了最大限度提高動效率,翼型特性應具有下列要求: 1. 升力系數斜度大;2. 阻力系數小;3. 阻力系數與零升角對稱。為了實際安裝面積等的需求,風機整體尺寸不宜過大,通過多次迭代計算,確定風輪掃掠直徑為2m,葉片的弦長為0.25m。3.5風機輸出轉矩的計算根據CLARK-Y翼型升力與阻力系數與迎角的關系曲線圖,如圖3-7所示:圖3-7 CLARK-Y翼型升力與阻力系數與迎角的關系曲線因為風輪的連續(xù)工作性,使得其在某一微小時間內總有一片葉片處于最佳迎角,所以最佳迎角13時所獲風動能最大,即就是風輪輸出的最大轉矩。如圖3-8所示。由公式 (3-2) (3-3) (3-4)式中: 空氣密度,1.205 kg/m3 R風輪掃掠半徑,m S單個葉片受風面積,m2 M葉片接受風能后形成的轉矩,N*m N葉片接受的風能功率,W解得:當風速為2.50m/s時,M = 1.6656 N*m 當風速為3.00m/s時,M = 2.3982 N*m 當風速為3.55m/s時,M = 3.3582N*m 當風速為4.26m/s時,M = 4.8360 N*m 3.3.2 葉片形狀及材料1.葉片螺栓受力處采用杉木,其余有尺寸標注的用Balsa木(輕木)填充,剩下的為泡沫材料填充,外蒙用E-玻璃纖維進行3D編織而成的玻璃纖維蒙皮。2.選擇直徑在厘米以上、樹干通直且外觀無缺陷的杉木新伐原木。3.對杉木沿徑向方向下料。4.將下料后的杉木徑切成適當規(guī)格的毛坯板,并烘干至含水率低于。 5.通過目測,選擇直紋理、材質均勻、年輪寬度小于且分部均勻、外觀無生長缺陷和加工缺陷的毛坯板作為待加工件。畢業(yè)設計(論文) 第4章 電氣設備設計第四章 電氣設備設計4.1 基本原理4.1.1 法拉第電磁感應原理磁通量的變化將產生感應電動勢,閉合電路的一部分導線切割磁感線將產生感應電流,這種現象叫做電磁感應,1820年H.C.奧斯特發(fā)現電流磁效應,之后許多科學家試圖解釋這一現象,1831年8月,法拉第認為感應電流是由與導體性質無關的感應電動勢產生的,即使沒有回路沒有感應電流,感應電動勢依然存在。法拉第電磁感應定律可用以下公式表示: (4.1)其中:e為感應電動勢,N為線圈匝數,為磁通量變化量。導線切割磁感線產生的感應電動勢可用以下公式表示: (4.2)其中B為磁感應強度,L為導線長度,v為導線切割速度。4.1.2 相位角及功率因數瞬時電壓及瞬時電流由以下公式得到: (4.3) (4.4)其中Um為電壓最大值,Im為電流最大值,是瞬時電壓與瞬時電流的夾角。瞬時功率為: (4.5)在一個周期內對瞬時功率積分獲得平均功率: (4.6)對于三相電流,每相電流等于的線圈電流,實際產生的功率為: (4.7)式中即為功率因數。4.2 轉化裝置4.1.1發(fā)電機的分類及設計類型選擇發(fā)電機分為直流發(fā)電機和交流發(fā)電機兩大類。直流發(fā)電機又分為有刷直流發(fā)電機與無刷直流發(fā)電機。雖然對于微小型風力發(fā)電機來說,因其功率、電壓輸出較小,使得其經常被采用,但根據本次畢業(yè)設計的實際應用場合上看,并不適宜用此類發(fā)電機。原因有:直流發(fā)電機由于有換向器、碳刷等額外結構與組成部件,使其結構相對復雜且較易發(fā)生故障。再加上有刷直流發(fā)電機還需定期不間斷地跟換碳刷,以及無刷直流發(fā)電機成本昂貴。使得無形當中提高了設計與日常維護的成本,縮短了維護周期,增大了維護人員等的相應支出,這些無論從使用方便性與經濟性等方面上講,對于應用在室外公共場所的垂直軸風力發(fā)電機的推廣和發(fā)展,顯然是不利的。交流發(fā)電機又分為同步發(fā)電機與異步發(fā)電機。異步發(fā)電機是指異步電機處于發(fā)電的工作狀態(tài),從其激勵方式有電網電源勵磁發(fā)電(他勵)和利用本身剩磁的并聯電容自勵發(fā)電(自勵)兩種情況。通過研究表明,異步發(fā)電機的起動、并網很方便且便于自動控制,價格低,運行可靠,維修便利,運行效率也較高,在早期風力發(fā)電的并網機組上基本采用此類發(fā)電機,可對于本次畢業(yè)設計獨立運行這一設計應用背景來看,一般均采用同步發(fā)電機。同步發(fā)電機根據氣隙磁場較成熟的建立方式可分為通過繞組通電進行勵磁的電勵磁與永磁體本身產生磁場的永磁勵磁。同樣,從實際應用出發(fā),不需外加能量即可建立磁場,結構十分簡單。綜合前面的各方面比較、敘述,以及在開題報告中所預計達到的目標,從而得出本次畢業(yè)設計的發(fā)電機類型為小功率永磁同步發(fā)電機。4.2.2 直驅式永磁同步發(fā)電機永磁同步發(fā)電機適合離網型風力發(fā)電系統采用,由于發(fā)電機轉子直接由風輪驅動,因此不需要安裝升速齒輪箱,這樣避免了齒輪箱產生的損耗、噪聲以及材料的磨損等問題。目前普遍使用的永磁同步發(fā)電機主要有FD系列和YF系列,按照功率和轉速選擇發(fā)電機,經過查閱中國電器工程大典第九卷-電機工程P617表5.5-2 ,現選擇發(fā)電機型號為FD-500,其基本參數如表4.1所示。表4-1 FD-500W發(fā)電機數據項目符號數值輸入電壓U14V輸入有效功率P100W效率65%額定相電壓14V相數m3額定相電流7.14A額定轉速1500 r/min機殼外直徑D140mm發(fā)電機殼長度H110mm軸伸出長度L550mm軸徑d25mm圖4-1 FD-500W發(fā)電機4.2.2 電氣系統電路設計圖4-1 系統電力控制圖永磁直驅同步發(fā)電機轉子輸出三相交流電經過不控整流電路整流后對蓄電池進行充電,電子調壓電路的功能除了對蓄電池充電的控制外,還負責多余電能的卸荷。12V蓄電池接boost電路進行升壓,升壓后電壓為24V,整個系統對外供電電壓也為24V。光電編碼器的額定電壓是5V,因此在電路中加入R1與R2進行分壓限流。畢業(yè)設計(論文) 第5章 增速器設計第5章 增速器設計由前面的章節(jié)可知,需求的增速比i=1500/84.3=17.8 ,在這增速比下,我們只需選擇最普通簡單的二級圓柱齒輪增速箱就可以了,不需要選擇行星齒輪等比較難的增速箱。已知,輸出功率P=80V,大齒輪的轉速n1=84.3r/min ,小齒輪的轉速n2=1500r/min,齒速比 u=4.2,傳動比i=17.8,由風輪驅動,工作壽命暫定10年(設每年工作365天),轉向不變。由于驅動是由風力,速度不高,故選用7級精度(GB 1009588)。5.1 材料、種類選擇由書機械設計 濮良貴等主編表10-1 選擇大齒輪材料為40Cr (調質),硬度為 280HBS ,小齒輪材料為45剛(調質),硬度為240HBS,二者材料硬度差為40HBS16??紤]到現實的應用場合,需要箱體長度較小,而且為了風輪軸和電機軸能更方便的布置,故選用同軸式的圓柱齒輪增速器。5.2 傳動比分配和模式確定在傳動比分配中,同軸式圓柱齒輪增速器的兩級傳動比常取i1=i2 。所以i1=i24.2所以設計低速軸的大齒輪 =84,設計高
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