小型垂直軸風力發(fā)電機的設計——畢業(yè)設計論文

小型垂直軸風力發(fā)電機的設計目 錄中文摘要、關鍵詞 1英文摘要、關鍵詞 2前 言 3第一章 概述5（一） 風力發(fā)電機的現(xiàn)狀與展望 5（二）開發(fā)利用風能的動因 6（三）風力發(fā)電的原理和特點 .7第二章 風力發(fā)電機的原理及其結構 . 7（一）垂直軸風力發(fā)電機工作原理 . .8（二）小型風力發(fā)電機的結構 .9（三）風力機的功率 .10第三章 垂直軸小型風力發(fā)電機的總體設計 .10（一）風力機的種類及選擇 .10（二）葉片的選擇 .12（三）垂直軸風力機風能學和空氣動力學 .14第四章 電氣設計部分.17（一） 基本原理 .17（三） 傳動系統(tǒng)結構設計及計算 .20第五章 小型風力發(fā)電機調(diào)向調(diào)速原理及其安裝.27（一）小型風力發(fā)電機的調(diào)向調(diào)速原理 .27（二）小型風力發(fā)電機在地面上的安裝 .27結論 .29設計總結 .30參考文獻 .31致 謝 .32小型垂直軸風力發(fā)電機的設計摘 要隨著科技的發(fā)展，電器設備在家庭生活中變的越來越重要了，電能消耗也與日俱增,同時國內(nèi)環(huán)境問題也越來越嚴重，成為了社會熱點，其中就包括清潔能源。激烈的矛盾促使我們?nèi)ふ耀@取新能源的新出路，通過國家風能專業(yè)科學家不懈的努力，也取得了一些不錯的效益。垂直軸小型風力發(fā)電機發(fā)電效率高、噪聲低、啟動扭矩小、成本低廉，有望普及到家庭，在緩解能源危機、清潔能源的問題上，前景一片美好。本文介紹了一種小型垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)的設計方案，通過對垂直軸小型風力發(fā)電機的細節(jié)改進，改變市場上風力發(fā)電機電機易壞而維修不便的缺點，設計出發(fā)電機安裝在地面上的一款風力發(fā)電機，并簡要介紹其控制電路、選擇蓄電池型號。普及垂直軸小型風力發(fā)電機做再次的鋪墊研究，進而為緩解能源危機、清潔能源盡一份力。 關鍵詞：電能；風力發(fā)電機；垂直軸；能源；設計；Small vertical axis wind turbinedesignAbstract: With the development of science and technology, electric equipment becomes more and more important in family life. Electric energy consumption also grows day by day. Meanwhile, now the international environment problem is also more and more serious. It is a social hot spot, including clean energy. The fierce conflict prompted us to find new ways to acquire new energy. Through the untiring efforts of all countries, we already have made some good benefits. With small vertical axis wind generator power generator, it has the advantages of efficiency, low noise, low start torque, low cost, and is expected to spread to the families, to alleviate the energy crisis, to realize clean energy. This paper use achievements of the past as the reference, improving the structure of small vertical axis wind generator, changing the wind generator bad faults of motor maintenance inconvenient on the market. This design installed generator on the ground, and complete the set of equipment design, to do matting of the popularization of small vertical axis wind generators, and then to do relieve the energy crisis, to do realize clean energy a bit contribution. Keywords: Electric power, wind generator, vertical axis, Energy, Design前 言當前火力發(fā)電仍然是主要的發(fā)電方式，其高污染高能耗正一步步吞噬著地球脆弱的生態(tài)環(huán)境，地球急需一種環(huán)保高效的可再生能源來替代火力發(fā)電。與此同時，隨著家用電器不斷的增加，家庭用電也越來越大，家庭對用電的需求也與日俱增。社會對電能的需求量增加了，這已經(jīng)給政府帶來了巨大的壓力。風力發(fā)電機應允而生，風力發(fā)電既節(jié)能又無消耗。它不需要燃料就可以源源不斷地產(chǎn)生能源，建好之后除了日常的維護費用外幾乎不需要其他費用支持。風力發(fā)電的用法很多，既可以并網(wǎng)使用也可以離網(wǎng)使用，可以同太陽能一起使用，也可以單獨構成大型風力發(fā)電廠。 傳統(tǒng)燃燒煤炭來蒸汽發(fā)電，暫時解決了能源的危機，卻不符合清潔能源的要求，不符合社會發(fā)展的趨勢，它必然被可再生能源發(fā)電取代。而風力發(fā)電是具有大規(guī)模發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗L力發(fā)電可以有效利用的風速范圍為320mPs,最適宜的風速范圍是68mPs,地球上蘊有風能約為2.74萬億kW,可利用的風能約為200億kW,裝機容量可達10TW,每年可發(fā)出電力13PWh。地球上的風能資源是地球上水能資源的10倍,已經(jīng)利用的不足千分之一。在技術上全球風能資源是整個世界預期電力需求的2倍,也就是說,只要利用地球上50%的風能資源就能滿足全球能源。 中國幅員遼闊，海岸線長，風能資源豐富，及其適合發(fā)展風能發(fā)電。在20世紀80年代后期和2004-2005年，中國氣象局分別組織了第二次和第三次全國風能資源普查，得出中國陸地10m高度層風能資源的理論值，可開發(fā)儲量分別為32.26億kW和43.5億kW、技術可開發(fā)量分別為2.53億kW和2.97億kW的結論。此外，2003-2005年聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署組織國際研究機構，采用數(shù)值模擬方法開展了風能資源評價的研究，得出中國陸地上離地面50m高度層風能資源技術可開發(fā)量可以達到14億kW的結論。2006年國家氣候中心也采用數(shù)值模擬方法對中國風能資源進行評價，得到的結果是：在不考慮青藏高原的情況下，全國陸地上離地面10m高度層風能資源技術可開發(fā)量為25.48億kW，大大超過第三次全國風能資源普查的數(shù)據(jù)。 風力機的種類千奇百怪，設計思路五花八門，充分發(fā)揮了人類豐富的想象力和創(chuàng)造力，按軸的方向分有水平軸風力機、垂直軸風力機，按驅(qū)動方式分有升力型和阻力型等等。雖然目前世界各地的大部分風場所用的風力機為水平軸的，但由于垂直軸風力機，尤其提到達里厄型風力機，有著優(yōu)越的空氣動力性能，提高了效率，并且很大程度降低了造價，所以近年來廣泛受到各國研究人員的關注。垂直軸風力機的旋轉(zhuǎn)半徑可以小至一兩米，也可以大到數(shù)十米，發(fā)電風速范圍比較廣。垂直軸風力發(fā)電機組還具有高效、無噪聲等特點,應用領域十分寬廣，對于推廣到農(nóng)村城市具有極其重要的意義，這就像推廣普及家用電器一樣，一旦落實到家庭，它將直接、有效的緩解能源危機，而且符合清潔能源的社會趨勢，而且也家庭也帶來了極大的方便，甚至還能降低家庭的開支，各方面前景看好。 本文的新型垂直軸小型風力發(fā)電機的研究，改善了市場上垂直軸小型風力發(fā)電機電機容易壞，而維修要爬到設備頂部高空，不方便又危險的缺點，使垂直軸小型風力發(fā)電機更加貼近百姓生活，為垂直軸風力發(fā)電機的推廣普及進程做進一步的鋪墊，以提高國產(chǎn)垂直軸風力發(fā)電機的技術水平，提高垂直軸風力發(fā)電機的技術含量和產(chǎn)品檔次，增加國內(nèi)企業(yè)的出口創(chuàng)匯能力，促進我省垂直軸風力發(fā)電機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第一章 概述風電是風能發(fā)電或者風力發(fā)電的簡稱。屬于可再生能源，清潔能源。風力發(fā)電是風能利用的重要形式，風能是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展清潔能源是世界各國的戰(zhàn)略選擇。風電技術裝備是風電產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，也是風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎和保障，世界各國紛紛采取激勵措施推動本國風電技術裝備行業(yè)發(fā)展，我國風電技術裝備行業(yè)已經(jīng)取得較大成績，金風、華銳等一批代表國際水平的風電裝備制造企業(yè)是中國風電發(fā)展的生力軍，據(jù)統(tǒng)計2010年末我國風電裝機容量躍居世界第一。（一） 風力發(fā)電機的現(xiàn)狀與展望全球風能資源極為豐富，技術上可以利用的資源總量估計約53106億kWh /年。作為可再生的清潔能源，受到世界各國的高度重視。近20年來風電技術有了巨大的進步，發(fā)展速度驚人。而風能售價也已能為電力用戶所承受，一些美國的電力公司提供給客戶的風電優(yōu)惠售價已達到22.5美分/kWh，此售價使得美國家庭有25%的電力可以通過購買風電獲得。2004年歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織簽署了風力12關于2020年風電達到世界電力總量的12%的藍圖的報告，“風力12%”的藍圖展示出風力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。按照風電目前的發(fā)展趨勢，預計20082012年期間裝機容量增長率為20%，以后到2015年期間為15%，20172020年期間為10%。其推算的結果2010年風電裝機1.98億KW，風電電量0.43104億kWh，2020年風電裝機12.45億KW，風電電量3.05104億kWh，占當時世界總電消費量25.58104億kWh的11.9%。世界風電發(fā)展有如下特點：風電單機容量不斷擴大。風電機組的技術沿著增大單機容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。風機的單機容量已從600KW發(fā)展到20005000KW,如德國在北海和易北河口已批量安裝了單機5000KW的風機,丹麥已批量建設了單機容量20002200KW的風機。新的風電機組葉片設計和制造廣泛采用了新技術和新材料，有效地改善并提高了風力發(fā)電總體設計能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機的采用,使機組更能適應風速的變化, 大大提高了效率。最近,又發(fā)展了無齒風機等,進一步提高了安全性和效率。風電制造企業(yè)集中度較高。目前，主要風電設備制造企業(yè)集中在歐美國家，全世界風電機組供應商的前10位供應了世界新增裝機容量的90% 以上的份額，集中度比較高。近來，GE風能（GE Wind Energy）、德國REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市場份額提高迅速。風電電價快速下降。由于新技術的運用，風電的電價呈快速下降趨勢，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國為例，風電機組的造價和發(fā)電成本正逐年降低，達到可與常規(guī)發(fā)電設備不相上下的水平。有關專家預測，世界風力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%。中國的風能資源十分豐富。根據(jù)全國900多個氣象站的觀測資料進行估計，中國陸地風能資源總儲量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風能儲量為2.53億KW，而海上的風能儲量有7.5億KW，總計為10億KW。我國的風電開發(fā)起步較晚，大體分為三個階段。第一階段是19861990年我國并網(wǎng)風電項目的探索和示范階段。其特點是項目規(guī)模小，單機容量小，最大單機200KW，總裝機容量4.2千KW。第二階段是19911995年示范項目取得成效并逐步推廣階段。共建5個風電場，安裝風機131臺，裝機容量3.3萬KW，最大單機500KW。第三階段是1996年后擴大建設規(guī)模階段。其特點是項目規(guī)模和裝機容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機容量6.18萬KW，最大單機容量達到1300KW。隨著風電技術的日趨成熟和電力規(guī)模的擴大，風力發(fā)電機的功率在向大型化方向發(fā)展。風力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)！、（二）開發(fā)利用風能的動因風能作為一種新能源它的開發(fā)利用是有一定動因的，而且隨著時間的推移，開發(fā)利用風能的動因也在變化。下面將主要從經(jīng)濟、環(huán)境、社會和技術進步四方面來介紹風能開發(fā)利用的動因。（1） 經(jīng)濟驅(qū)動力 經(jīng)濟最優(yōu)能源供應的經(jīng)濟最優(yōu)化提供了重視開發(fā)利用的基本原理。在偏遠地區(qū)，電力供應困難。與常規(guī)電網(wǎng)延伸和柴汽油機發(fā)電相比，利用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電有成本優(yōu)勢。例如在內(nèi)蒙古農(nóng)牧區(qū)，利用小型離網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng)供電，農(nóng)牧戶承擔的成本約2元/KW左右。如果用電網(wǎng)延伸的方法，農(nóng)牧戶承擔的成本高于8元/KW。在這些地區(qū)，利用汽油柴油發(fā)電機的供電，考慮油料的運輸成本，農(nóng)牧戶承擔的成本也要高于6元/KW。 化石能源資源枯竭與供應安全進入工業(yè)社會后，人類在飛速發(fā)展自己的文明過程中經(jīng)過了多次能源危機。人們開始認識到，無限制地開采煤炭、石油、天然氣等化石能源，終有資源枯竭的一天。目前石油儲量約1300億噸，年消耗量約35億噸，計今后25年中平均年消耗量將達50億噸，即使加上新發(fā)現(xiàn)的油田，專家估計總儲量也不會超過2000億噸，有油資源在四五十年后也將枯竭。為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，當務之急是尋找和研究利用其他可再生資源。風能作為新能源中最具工業(yè)開發(fā)潛力的可再生能源，就格外引起人們的矚目。一些國家要靠進口化石能源來滿足本國內(nèi)能源的消費。風能的開發(fā)利用可以減少對國外能源的依賴，并加強本國的能源供應安全水平，國內(nèi)的化石能源價格變化較小，社會經(jīng)濟穩(wěn)定性也因此而增強。（2）環(huán)境驅(qū)動力除了人們早先認識到的煙塵、二氧化硫等區(qū)域性的污染外，世界上越來越多的人開始認識到二氧化碳等溫室氣體的大量排放對全球氣候變暖給人類社會帶來的有害影響。冰山消融、海平面升高、大氣環(huán)流和海洋異常導致自然災害的頻發(fā)、土地沙漠化，使“地球村”的效應更加明顯，各國都認識到必須共同采取措施減緩和影響這種變化。為減緩地球變暖，1997年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架締約方第3次大會上，84國代表審議通過京都議定書，要求工業(yè)發(fā)達國家大幅度削減二氧化碳等溫室氣體排放量。這也迫使人們重視尋找其他可再生的替代能源。風能在能源轉(zhuǎn)化工程中不會產(chǎn)生任何排放量，因此除了不產(chǎn)生煙塵、二氧化硫等區(qū)域性污染外，也不會帶來全球環(huán)境污染。（3）社會驅(qū)動力風能份額增加時，會創(chuàng)造很多直接和間接的就業(yè)機會。除了在工廠的生產(chǎn)和裝機工程中創(chuàng)造就業(yè)之外，在設備維護方面也會提供就業(yè)機會。另外，在一些國家（如歐盟國家）中，風能開發(fā)利用已經(jīng)成為熱點問題，得到了公眾的支持。許多民眾十分關注風能的發(fā)展，并將利用風能和其他可再生能源當成他們的生活方式。綠色電力的發(fā)展就是一個典型的例予，人們自愿以高于化石電力的價格購買風電和其他可再生能源電力。（4）技術驅(qū)動力隨著科技的進步，空氣動力理論的不斷發(fā)展、新型高強度、輕質(zhì)材料的出現(xiàn)，計算機設計技術的廣泛應用和自動控制技術的不斷改進，機械、電氣、電子元件制造技術的成熟，為風電技術向大功率、高效率、高可靠性和高度自動化方向發(fā)展提供了條件。（三）風力發(fā)電的原理和特點風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)化為電能的機械。風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動力是風輪旋轉(zhuǎn)，將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當?shù)淖儞Q將其存儲為化學能或者并網(wǎng)或者直接為負載供電3。風力發(fā)電有如下特點：（1）可再生，且清潔無污染。（2）風速隨時變化，風電機組承受著十分惡劣的交變載荷。（3）風電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)或負載帶來一定的沖擊影響。風力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一類是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達的地區(qū)，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。第二章 風力發(fā)電機的原理及其結構風力發(fā)電機經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)演變成很多形式，但是歸納起來，可分為兩類：（1）水平軸風力發(fā)電機，風倫的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與風向平行；（2）垂直軸風力發(fā)電機，風輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向。本系統(tǒng)中采用的是垂直軸風力發(fā)電機。（一）垂直軸風力發(fā)電機工作原理垂直軸風力發(fā)電機屬于阻力風力機，依靠迎風面阻力和背風面阻力差獲得動力，其差值越大，效率當然就越高 （流線和連續(xù)外形，避免空氣的擾動能量損失，系統(tǒng)剛度大，旋轉(zhuǎn)軸細，摩擦阻力摩擦圓?。┢渚€速度始終比風速低，傳動慣量小，速度平穩(wěn)性不好，可以通過類似飛輪的機械系統(tǒng)加以改善。效率與阻力面積和表面光滑狀況有關。（二）小型風力發(fā)電機的結構小型風力發(fā)電機一般由風輪、三相或則永磁發(fā)電機、帶拉線的塔管式塔架、鉸接式尾翼、控制器、逆變器、蓄電池、電纜、調(diào)速系統(tǒng)和混凝土地基等多個結構組合而成。其中風輪一般由葉片、輪轂、蓋板、鏈接螺栓組件和導流罩組成。風輪是風力發(fā)電機中關鍵的部件之一，是它把空氣動力能轉(zhuǎn)變成機械能。大多數(shù)小型風力機的風輪由三個葉片組成。風輪的工作原理。（1）的功率與空氣密度成正比。（2）輪產(chǎn)生的功率與風輪直徑的平方成正比。（3）輪產(chǎn)生的功率與風速的立方成正比。（4）生的功率與風輪的效率成正比。（5）電機風輪的效率一般在0.35-0.45之間（理論上最大值為0.593）發(fā)電機由機殼、電子、轉(zhuǎn)子磁鋼、發(fā)電機軸和前后端蓋組成。風力發(fā)電機驅(qū)動的發(fā)電機一般都是低速發(fā)電機，在轉(zhuǎn)速幾百轉(zhuǎn)/分時就可以發(fā)電。回轉(zhuǎn)體是風力機關鍵部件風輪、發(fā)電機和尾翼的載體，是一個安裝在塔架頂部的軸承結構。一些風力機的回轉(zhuǎn)體和發(fā)電機是作成一體的?；剞D(zhuǎn)體使風力機的主體可以饒塔架垂直軸在360度水平方向自由轉(zhuǎn)動的機構。尾翼由銷軸、尾翼桿和尾翼板組成。尾翼對風輪起到調(diào)向和調(diào)速的作用。（三）風力機的功率風的動能和風速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風輪功率的計算。風力與速度平方成正比，所以風的功率與風度的三次方成正比。如果風速增加一倍，風的功率便會增加8倍。風輪從風中吸收的功率如下：式中：P為輸出功率，為風輪機的功率系數(shù)，為空氣密度，R為風輪半徑，v為風速。眾所周知，如果接近風力機的空氣全部動能都被風力機全部吸收，那么風輪后的空氣就不動了，然而空氣當然不能完全停止，所以風力機的效率總是小于1。第三章 垂直軸小型風力發(fā)電機的總體設計（一）風力機的種類及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(zhuǎn)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(zhuǎn)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： 可以接受任何風向的風，無需對風； 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(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)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(qū)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(zhuǎn)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。（二）葉片的選擇（1）葉片是利用氣流通過時產(chǎn)生的壓力差使葉輪轉(zhuǎn)動的部件，具有空氣動力學特性，其設計質(zhì)量對整個風力發(fā)電系統(tǒng)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：a、 良好的空氣動力外形；b、 可靠地結構強度；c、 合理的葉片剛度；d、 良好的結構動力學特性和啟動穩(wěn)定性；e、 耐腐蝕、方便維修；f、 滿足以上目標前提下，盡可能減輕葉片重量，降低成本。風力機的翼型多種多樣，各有各的優(yōu)缺點，本文采用采用帆翼式風葉，帆翼式是英國發(fā)展的一種立軸帆翼式風力機，結構簡單、性能較高。帆翼的形狀如下圖所示。由于其制造簡單，成本低，性能好，所以適于推廣使用。圖3-5 帆翼式（2）葉片的形狀及材料葉片截面結構為主梁蒙皮式，表面材料為鋁合金，主梁采用單向承載能力強的硬鋁材料，O型主梁結構制造簡單，各向受力均衡。葉片空心處用聚氨酯泡沫材料填充,剖面形式如下圖3-6。圖3-6 葉片剖面主梁可直接焊接與鋁合金蒙皮上，待主梁與蒙皮連接完成后，在空腹結構內(nèi)填入聚氨酯直接發(fā)泡填充成型。由此，風力機的基本參數(shù)可以確定，如表3.1所示。表3.1 風力機參數(shù)額定風速平均效率葉尖速比設計功率8m/s40%6300W（三）垂直軸風力機風能學和空氣動力學（1）利用系數(shù)風力機從自然風能中吸收的能量大小程度用風能利用系數(shù)Cp表示。橫截面積為s(m2)的氣流的動能為E=0.5SVf3式中 空氣密度，/m3 Vf 風速，m/s如果風力機實際獲得的軸功率為P,那么風能利用系數(shù)為CP=P/E=P/(0.5SVf3)（2）風壓強如圖3-8a，根據(jù)伯努力方程，風中物體受到的風壓Q為Q=0.5CPVf2式中 C空氣阻力系數(shù)與物體形狀有關，平板一般取2Vf風與平板的相對速度c、阻力式風力機最大效率建立簡單的理想模型，一個平板在風的氣動壓力作用下沿著風速方向運動，如圖3-8（b），并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為Vf，平板的運動速度為V，那么平板吸收的功率可以表示為P=FV=QSV式中 F板受到風的壓力，牛頓 S平板的面積，m2圖3-8 平板模型F=QS=0.5CPS(Vf-V)2所以P=0.5CPS(Vf-V)2V 對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數(shù)的功率變化關系式，對V進行微分得dpdv=CP(Vf-V)(Vf-V3)令dpdv=0，可以得到兩個解：1） V1=Vf沒有物理意義2） V2=Vf3對應于最大值Pmax=0.5SV3f(4C/27)CPmax=4C/27從上式中可以看出，阻力式風力機的效率是比較低的，提高效率的唯一辦法是設法提高風的阻力系數(shù)C。（3）空氣力學如圖3-9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在圖3-9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3-9 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：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：將升力和阻力投影到風輪切方向：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3-10所示6。圖3-10 垂直風力機的葉素力學模型切向力的合力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使風輪轉(zhuǎn)動，葉片在位置角為時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為第四章 電氣設計部分（一） 基本原理（1） 法拉第電磁感應原理磁通量的變化將產(chǎn)生感應電動勢，閉合電路的一部分導線切割磁感線將產(chǎn)生感應電流，這種現(xiàn)象叫做電磁感應，1820年H.C.奧斯特發(fā)現(xiàn)電流磁效應，之后許多科學家試圖解釋這一現(xiàn)象，1831年8月，法拉第認為感應電流是由與導體性質(zhì)無關的感應電動勢產(chǎn)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：其中：e為感應電動勢，N為線圈匝數(shù)，為磁通量變化量。導線切割磁感線產(chǎn)生的感應電動勢可用以下公式表示：其中B為磁感應強度，L為導線長度,v為導線切割速度。（2） 相位角及功率瞬時電壓及瞬時電流由以下公式得到：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：在一個周期內(nèi)對瞬時功率積分獲得平均功率：對于三相電流，每相電流等于的線圈電流，實際產(chǎn)生的功率為：式中即為功率因數(shù)。（二） 轉(zhuǎn)化裝置（1）直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機步發(fā)電機適合離網(wǎng)型風力發(fā)電系統(tǒng)采用，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接由風輪驅(qū)動，因此不需要安裝升速齒輪箱，這樣避免了齒輪箱產(chǎn)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(zhuǎn)速選擇發(fā)電機，經(jīng)過查閱中國電器工程大典第九卷-電機工程P617表5.5-2 ，現(xiàn)選擇發(fā)電機型號為FD-300，其基本參數(shù)如表4.1所示。表4.1 發(fā)電機參數(shù)型號額定功率/W發(fā)電機額定電壓/V重量/kg啟動力矩/Nm額定電流/A發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速FD-30030028170.3510.7400r/min（2）電氣系統(tǒng)電路設計由于本人對電力控制方面不是很了解，因此只能對現(xiàn)有前人的論文進行一些改動12。功率控制部分設計限于知識水平本人無法所有完成，只能大概敘述基本工作原理，如圖4-1所示。圖4-1 系統(tǒng)電力控制圖永磁直驅(qū)同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子輸出三相交流電經(jīng)過整流電路整流后對蓄電池進行充電，電子調(diào)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(tǒng)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。（三） 傳動系統(tǒng)結構設計及計算（1）傳動軸的設計主傳動軸只承受扭矩，不受彎矩，按空心主軸扭轉(zhuǎn)強度估算主軸最小直徑：其中A為系數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19選??；d為軸端直徑，mm；n為軸的工作轉(zhuǎn)速，r/min；P為軸傳遞的功率，kW；為空心軸的內(nèi)徑d1與外徑d的比值，=d1/d。查閱機械設計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-19得45鋼的A值取110，已知功率為750W，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min。代入式(4.8)后得到按照主軸扭轉(zhuǎn)剛度計算直徑：其中B為系數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承及其連接表5-1-20選取，查閱機械設計手冊單行-本軸承及其連接表5-1-20得一般傳動時B值取91.5，已知功率為0.75kW，主軸額定轉(zhuǎn)速n為400轉(zhuǎn)/min,代入式(4.10)后得到如果截面上有鍵槽時，應將求得的軸徑增大，其增大值見機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-22，增大值應選7%，最后得出的最小外徑d=21.1mm。為了安全，我們選擇的軸外徑為d=30mm，內(nèi)徑d1=18mm，采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，主軸如圖4-2所示。圖4-2 主軸示意圖校核主軸安全系數(shù)，主軸轉(zhuǎn)矩為 只考慮扭拒作用時的安全系數(shù)為 其中為對稱循環(huán)應力下的材料扭轉(zhuǎn)疲勞極限，mPs，見機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-1，；為扭轉(zhuǎn)時的有效應力集中系數(shù)，見機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-30表5-1-32，；為表面質(zhì)量系數(shù)，一般用機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-36；軸表面強化處理后用機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-38；有腐蝕情況時用機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-35或機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-37，；為扭轉(zhuǎn)時的尺寸影響系數(shù)，見機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-34，；、為扭轉(zhuǎn)應力的應力幅和平均應力, mPs見機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-25，；為材料扭轉(zhuǎn)的平均盈利折算系數(shù)，見機械設計手冊單行本軸-承及其連接表5-1-33，。將各數(shù)據(jù)代入公式后得根據(jù)調(diào)質(zhì)45鋼，要求查機械設計手冊（機工版）第2版第19篇第5章得安全系數(shù)為5.0，因此設計的主軸滿足要求。（2）軸承的計算及選型由于風力機不僅承受風輪的扭矩，而且要承受氣流方向的一定彎矩，角接觸球軸承不僅能夠承徑向力，同時能夠承受一定的徑向載荷，因此在主軸上安裝兩個角接觸球軸承。1角接觸球軸承1的選用計算角接觸球軸承1的安裝位置如圖4-3所示。角接觸球軸承圖4-3 軸承1的安裝位置軸徑d=30mm,額定轉(zhuǎn)矩T=4.3Nm。由機械設計手冊單行本-軸承表6-2-82選擇角接觸球軸承36000型新代號7000C,之所以選用接觸球軸承是考慮到主軸在轉(zhuǎn)動時有可能產(chǎn)生徑向載荷，軸承1參數(shù)如表4.2所示?？讖絛外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）額定動負荷額定靜負荷重量30mm55mm7006C950011.65kN8.49kN0.11kg表4.2 軸承1參數(shù)軸向載荷：徑向載荷按照最不利狀況計算，根據(jù)伯努利方程，氣流作用在葉片上的壓力為：作用在4個葉片上的總力為由機械設計手冊單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時, 軸承當量動載荷的計算公式為式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查機械設計手冊表283-2得：因為所以應該選擇X=0.44，Y=1.47，代入式子得到軸承基本額定動載荷按如下公式計算：式中：為基本額定動載荷計算值，N；為速度因數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承表6-2-9選取5.85；為力矩載荷因數(shù)，力矩載荷較小時取1.5，較大時取2，這里選取2；為沖擊載荷因數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承表6-2-10選取1.2；為溫度因數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承表6-2-11選取1；為壽命因數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承表6-2-8選取0.405；為當量動載荷。將各個數(shù)據(jù)代入式（4.13）得：故選用此軸承能夠滿足額定載荷的要求。2角接觸球軸承2的選用計算角接觸球軸承2的安裝位置如圖4-4所示。軸承圖4-4 軸承2安裝位置按照機械設計手冊單行本-軸承表6-2-82選擇軸承型號36105（新型號7005C），參數(shù)如表4.3所示?？讖絛外徑D軸承代號極限轉(zhuǎn)速r/min（脂潤滑）額定動負荷額定靜負荷重量25mm47mm7006C120009.38kN7.73kN0.074kg表4.3 軸承2參數(shù)按照軸承1校核公式（4.15）對軸承進行校核：軸承當量動載荷按公式（4.16）得：式中X、Y分別為徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)?？赏ㄟ^查機械設計手冊表283-2得：因為所以應該選擇X=0.44，Y=1.40，代入公式（4.16）得到由機械設計基礎（第五版）公式16-3計算軸承壽命：式中：為溫度因數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承表6-2-11選取1；為沖擊載荷因數(shù)，按機械設計手冊單行本-軸承表6-2-10選取1.2；C為額定動載荷，C=9.38kN；N為主軸額定轉(zhuǎn)速，n=400r/min；為壽命指數(shù)，對于球軸承取3。將各數(shù)據(jù)代入式子后得由機械設計手冊單行本-軸承表6-2-12推薦使用壽命為100000小時,所以可以滿足使用要求。主軸與發(fā)電機之間用圓錐銷套筒聯(lián)軸器進行連接，如圖4-5所示，聯(lián)軸器具體參數(shù)見圖紙。圖4-5 圓錐銷套筒聯(lián)軸器第五章 小型風力發(fā)電機調(diào)向調(diào)速原理及其安裝（一）小型風力發(fā)電機的調(diào)向調(diào)速原理1、調(diào)向原理：在額定風速以內(nèi)、尾翼板與風輪旋轉(zhuǎn)面保持垂直；風向變化時，尾翼板與風向保持平行，因此保證了風輪的正向迎風。2、 調(diào)速原理：風輪偏側(cè)。當風速大于額定風速時，以某種機構（如：傾斜軸+尾翼調(diào)速）使風輪偏離風向，減小風輪迎風面積，從而減小風能的吸收。當風速達到切出風速時，風輪旋轉(zhuǎn)面與風向平行，風力機停止發(fā)電。槳距。當風速大于額定風速時，以某種機構利用風輪葉片的離心力改變槳距，降低風輪的風利用率，從而達到減小風能吸收的效果。當風速大于切出風速時，葉片與風向平行，風力機停止發(fā)電。（二）小型風力發(fā)電機在地面上的安裝1、地面選擇：風機應安裝在使風能充分利用的地方，且無高大障礙物，使風機四面臨風，或者立于小山包之上，或雖處凹地，但形如走廊，總有疾風勁吹而得天獨厚。 如需在障礙物附近安裝風機，在條件許可的情況下應盡可能地遠離障礙物，以充分利用風能，離障礙物的距離要求。 2、安裝規(guī)程：風機的安裝是項緊張、細致、認真的工作，故在現(xiàn)場安裝時，須遵守有關安全操作規(guī)程，且豎立風機的工作只能在風速不超過4米/秒（二級風）的情況下進行。 把4根地錨用螺絲固定在底座上，在地上挖一個土坑把裝好的底座平置坑內(nèi)，澆灌碎石混凝土。 以土坑中心點為中心，以 M 米為半徑以 90 度均分四點挖拉線坑將地錨置入坑內(nèi)，澆灌混凝土。 立桿內(nèi)穿入電纜線，上立桿、下立桿、底座分別插接或者法蘭連接。拉線從套環(huán)底向上繞立桿一圈穿下用夾子鎖緊。旋松緊線器，拉起立桿，調(diào)整緊線器，使立桿垂直?；A硬化后，放倒立桿，用高約1米的簡易支架，支撐在立桿上端部。 3、電機的安裝： 在立軸下方放置推力軸承，立軸和回轉(zhuǎn)體尼龍?zhí)變?nèi)涂抹潤滑油脂。 將電機回轉(zhuǎn)體套入立軸，注意上下不得裝反（標牌向上），鎖卡簧，放置立軸帽，電纜線從立軸帽中穿出，和電機三根輸出線交接。處理好線的短路隱患。 暴露在機外的電纜線，應包扎防曬，立軸帽上方的電纜包扎，防止下墜使電纜破皮短路。 尾桿和尾舵板連接，視尾板和尾桿平行一致，旋緊螺母，尾桿首端置入回轉(zhuǎn)體內(nèi)，插銷軸，旋緊螺母。 組裝葉片輪轂，葉片凹面迎風，凸面對電機，不得裝反，裝好葉片總成置入電機軸，放置墊圈，旋緊螺母。轉(zhuǎn)動葉片，檢查電機軸、輪轂正常，安裝導流罩。 先把需要配置的蓄電池串聯(lián)起來 ，然后控制器的紅色接線柱（正極）和電池組的“十”極連接，黑色接線柱（負極）與“一”極相接，且勿接錯。 注意：電池電壓和逆變器、電機電壓吻合，防止發(fā)生故障，極柱連接牢固，為防止電池極柱腐蝕，可涂上一層油脂或凡士林。 風機安裝完畢，檢查各處連接無誤，拉起風機。 4、注意事項： 如發(fā)現(xiàn)電機工作不正常，抖動或有異常聲音，應停機檢查。 風機高速旋轉(zhuǎn)時，風輪旋轉(zhuǎn)平面方向，不要站人和進行其它工作，以防葉片飛出傷人。 電池要保持干燥清潔，電池組上面不要放置金屬物品，防止造成電池短路。 電氣箱負極搭鐵和單配的逆變器不要放置在一起，以免短路。逆變電源使用按逆變電源說明書操作。 拉線的緊線器遇大風后會自動松動，調(diào)整后可用鐵絲鎖住，每次大風過后，檢查拉線是否松動，如有松動及時排除。（上立桿必須垂直） 風力發(fā)電機應單獨布線，不可與其它線路混用，建議照明用直流電源，家用電器可使用逆變器輸出的交流電源。（逆變器和逆變器輸出線不可以并聯(lián)，逆變器輸出線也不可以和市電連接）。 電氣箱接線時，先接通蓄電池再接發(fā)電機輸出線，分解時先分解發(fā)電機輸出線再斷開蓄電池組接線。 電氣箱的停機開關，通常在開機位置，在蓄電池充足電或在防御災害性強風暴吹襲作臨時關機用，只有風輪緩慢運行撥到關機位置，不允許在高速旋轉(zhuǎn)撥動開關。風機不得空載運行，防止高速旋轉(zhuǎn)損壞葉片。 結 論本論文研究了小型獨立運行風力發(fā)電系統(tǒng)的構成及其運行狀況，此系統(tǒng)能夠在較小風速下啟動發(fā)電，能夠滿足一般家庭的供電，與傳統(tǒng)水平軸風力發(fā)電機相比，風能利用率更高，起動風速低，噪音少，應用前景廣闊。整個設計過程包括風力機葉片的設計、傳動系統(tǒng)的設計及塔架的設計等，通過三維建模直觀表現(xiàn)風力系統(tǒng)結構，通過比較后認為在低速運行的垂直風力機中運用低阻力系數(shù)和大雷諾系數(shù)的葉片能夠產(chǎn)生比較好的發(fā)電效果。風力發(fā)電系統(tǒng)的設計涵蓋了機械領域、電力電子領域及氣象學領域，綜合性較強。本設計方案著重機械部分，電子控制部分還有待于日后進一步完善。設 計 總 結本文在參照各文獻后做出了垂直軸風力機的一個總體設計方案，此系統(tǒng)能夠在較小風速下啟動發(fā)電，能夠滿足一般家庭的供電，與傳統(tǒng)水平軸風力發(fā)電機相比，風能利用率更高，起動風速低，噪音少，應用前景廣闊。整個設計過程包括風力機葉片的設計、傳動系統(tǒng)的設計及塔架的設計等，通過三維建模直觀表現(xiàn)風力系統(tǒng)結構，通過比較后認為在低速運行的垂直風力機中運用低阻力系數(shù)和大雷諾系數(shù)的葉片能夠產(chǎn)生比較好的發(fā)電效果。風力發(fā)電系統(tǒng)的設計涵蓋了機械領域、電力電子領域及氣象學領域，綜合性較強。本設計方案著重機械部分，電子控制部分還有待于日后進一步完善。風力發(fā)電系統(tǒng)是一個相當復雜的非線性系統(tǒng)，工作環(huán)境復雜，各種數(shù)據(jù)參數(shù)需要通過大量實測來獲得，限于條件原因，本次設計中的一些參數(shù)只能依照其他類似設計來取，將來將進一步考慮增加實驗來獲得第一手數(shù)據(jù)。參考文獻1 葉杭冶. 風力發(fā)電系統(tǒng)的設計、運行與維護M.北京：電子工業(yè)出版社， 2010年4月.2 薛桁，朱瑞兆，楊振斌. 中國風能資源貯量估算J. 太陽能學報. 2001年第22卷第2期：P168-P170.3 中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會（CWEA）. 2009年中國風電裝機容量統(tǒng)計. 2009年.4 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