小型風力發(fā)電機總體結構的設計【5張圖紙】,5張圖紙,小型,風力發(fā)電機,總體,整體,結構,設計,圖紙 摘要 基于開發(fā)風能資源在改善能源結構中的重要意義，本論文對風力機的特性作了簡要的介紹，且對風力機的各種參數和風力機類型作了必要的說明。在此基礎上，對風力發(fā)電機的原理和結構作了細致的分析。首先，對風力發(fā)電機的總體機械結構進行了設計，并且設計了限速控制系統(tǒng)。本課題設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機組成。這種發(fā)電機有體積小、噪音小、使用壽命長、價格低的特點，適合在有風能資源地區(qū)的樓房頂部，供應家庭用電，例如照明：燈泡,節(jié)能燈；家用電器:電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱。 其次，在老師的幫助下制作了限速控制的模型。通過模型驗證了小型垂直式風力發(fā)電機限速控制系統(tǒng)總體方案在實踐中的效果，并且驗證了程序是否正確，以及電路的設計是否合理。 最后，模型驗證的結果表明我設計的限速控制系統(tǒng)方案可行，程序正確，電路設計合理。為該類型風力發(fā)電機的設計和商品生產提供了理論依據。 關鍵詞：風力發(fā)電；限速控制系統(tǒng)；小型風力發(fā)電機；小型垂直軸風力發(fā)電機。 Abstract Exploiting wind energy resources is of great significance in improving energy structure. In the discourse，the characters of wind generator are introduced briefly，while parameters and types of wind generators are also narrated. Base on these，the theory and constitution of the wind generator are meticulously analyzed. Firstly，Has carried on the design to wind-driven generator's overall mechanism, And has designed the regulating control system. What I design is one kind of new vertical axis small wind-driven generator, by the air blower impeller, the column, the crossbeam, the gearshift mechanism, the engaging and disengaging gear and the generator is composed. This kind of generator has the volume to be small, the noise is small, the service life is long, the price low characteristic, suits in has the wind energy resources area building crown, the supply family uses electricity, For example illumination: The light bulb, conserves energy the lamp; Domestic electric appliances: Television, radio, electric fan, washer, electric refrigerator. Secondly，I have manufactured the regulating control model. Through model verification small perpendicular wind-driven generator regulating control system overall concept effect in reality, and has confirmed the procedure to be whether correct, as well as electric circuit's design to be whether reasonable. Finally，Model verification's result indicated I design the regulating control system plan is feasible, the procedure is correct, the circuit design is reasonable. It provides according as theory for qualitative design and commercial manufacture of this type of wind generator. Key words：Wind power generation；Regulating control system；Small wind-driven generator；Small vertical axis wind-driven generator. 目錄 摘要 ....................................................................ⅠABSTRACT ...............................................................Ⅱ 第一章 概述 ...........................................................1 1.1 風力發(fā)電機概況 ....................................................1 1.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀 ............................................1 1.2.1 國外風力發(fā)電機的研制情況 .....................................1 1.2.2 國內風力發(fā)電機的研制情況 ....................................2 1.3 研究風力發(fā)電機的目的和意義 .......................................4 1.4 我國的風能資源及其分布 ...........................................5 第二章 風力機理論 ....................................................8 2.1 基本公式 ........................................................8 2.1.1 風能利用系數 ................................................8 2.1.2 風壓強 ......................................................8 2.1.3 阻力式風力機的最大效率 ......................................8 2.2 工作風速與輸出功率 ..............................................9 2.2.1 風力發(fā)電機的輸出效率 .........................................9 2.2.2 工作風速與輸出功率 ............................................9 2.2.3 啟動風速和額定風速的選定 .....................................10 2.3 風能利用與氣象 ..................................................12 2.3.1 風的觀測對風能利用的意義 .....................................12 2.3.2 風能利用中需要的氣象調查 .....................................13 2.4 風的觀測 ........................................................13 第三章 風力發(fā)電機方案和結構設計 ....................................14 3.1 小型垂直式風力發(fā)電機方案設計 ....................................14 3.2 風葉 ............................................................14 3.3 行星齒輪加速器設計計算 ..........................................14 3.3.1 設計要求 .....................................................15 3.3.2 選加速器類型 .................................................16 3.3.3 確定行星輪數和齒數 ............................................16 3.3.4 壓力角()的選擇 ..............................................16 3.3.5 齒寬系數的選擇 ................................................17 3.3.6 模數選擇 ......................................................17 3.3.7 預設嚙合角 ....................................................17 3.3.8 太陽輪與行星輪之間的傳動計算 ..................................17 3.3.9 行星輪與內齒輪之間的傳動計算 ..................................18 3.3.10 行星排各零件轉速及扭矩的計算 ..................................18 3.3.11 行星排上各零件受力分析及計算 ..................................19 3.3.12 行星齒輪傳動的強度校核計算 ....................................20 3.4 電磁離合器設計計算 ...............................................24 3.4.1 選型 ..........................................................24 3.4.2 牙嵌式電磁離合器的動作特性 ....................................24 3.4.3 離合器的計算轉矩 ..............................................24 3.4.4 離合器的外徑 ..............................................24 3.4.5 離合器牙間的壓緊力 ...........................................24 3.4.6 線圈槽高度 ...................................................24 3.4.7 磁軛底部厚度 ................................................25 3.4.8 銜鐵厚度 ...................................................25 第四章 限速控制系統(tǒng)方案設計 ..........................................26 4.1 設計限速控制系統(tǒng)的目的 ...........................................26 4.2 限速控制系統(tǒng)方案分析 .............................................26 4.3 單片機 ............................................................26 4.4 信號采集 .........................................................26 4.5 電路 .............................................................26 4.6 限速控制程序 ...................................................27 4.6.1 定時器周期 ....................................................27 4.6.2 程序流程圖 ....................................................27 4.6.3 限速控制程序....................................................28 第五章 控制系統(tǒng)總體分析 ..............................................30 5.1 實驗和模型設計的目的 ............................................30 5.2 模型設計 ........................................................30 5.2.1 設計技術指標 ................................................30 5.2.2 模型設計器件 ...................................................30 5.3 電路板 ..........................................................30 5.4 限速控制程序裝置 ................................................31 5.5 實驗模型結果分析 ................................................32 第六章 結束語 ....................................................33 致謝 .....................................................................34 參考文獻 ..........................................................35 第一章 概述 1.1 風力發(fā)電機概況 風能的利用有著悠久的歷史。近年來, 資源的短缺和環(huán)境的日趨惡化使世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、且無污染的風能資源。自80年代以來, 風能利用的主要趨勢是風力發(fā)電。風力發(fā)電最初出現(xiàn)在邊遠地區(qū), 應用的方式主要有: 1) 單獨使用小型風力發(fā)電機供家庭住宅使用; 2) 風力發(fā)電機與其它電源聯(lián)用可為海上導航設備和遠距離通信設備供電; 3) 并入地方孤立小電網為鄉(xiāng)村供電。 隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展, 風力發(fā)電迅猛發(fā)展。以機組大型化(50kW～ 2MW )、集中安裝和控制為特點的風電場(也稱風力田、風田) 成為主要的發(fā)展方向。20 年來, 世界上已有近30 個國家開發(fā)建設了風電場(是前期總數的3 倍) , 風電場總裝機容量約1400 萬kW (是前期總數的100 倍)。目前, 德國、美國、丹麥以及亞洲的印度位居風力發(fā)電總裝機容量前列, 且未來計劃投資有增無減。美國能源部預測2010 年風電至少達到國內電力消耗的10%。歐盟5 國要在2000～ 2002 年達到本國總發(fā)電量的10%左右, 丹麥甚至計劃2030 年要達到40%。 中國是一個風力資源豐富的國家, 風力發(fā)電潛力巨大。據1998 年統(tǒng)計, 風力風電累計裝機22.36萬kW , 僅占全國電網發(fā)電總裝機的0.081% , 相對于可開發(fā)風能資源的開發(fā)率僅為0.088%。 中國第一座風力發(fā)電場于1986 年在山東榮成落成, 總裝機較小, 為3×55kW。到1993 年我國風電場總裝機容量達17.1MW , 1999 年底, 我國共建了24 個風力發(fā)電場, 總裝機268MW。我國風力發(fā)電場主要分布在風能資源比較豐富的東南沿海、西北、東北和華北地區(qū), 其中風電裝機容量最多的是已達72.35kW。在未來2～ 3 年內, 我國計劃新增風電場裝機容量將在800MW 以上, 并且將會出現(xiàn)300～ 400MW 的特大型風力發(fā)電場。 1.2 風力發(fā)電機的研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外風力發(fā)電機的研制情況 美國從1974年起對風能進行系統(tǒng)的研究，能源部對風能項目的投資累計已達到25億美元。許多著名大學和研究機構都參加了風能的研究開發(fā)，目前己安裝了8個巨型風力發(fā)電機組。到19%年末，風力發(fā)電總裝機容量己達到170xkw，所提供的電力占全美電力需求量的10%，居世界之首位，主要集中在加利福尼亞州。美國國會己通過了能源政策法，在能源部的規(guī)劃下，將會改變風力發(fā)電集中于加利福尼亞的局面，在年平均風速達5.6m/s的中西部12個州將建風力電站。據能源部預測，在未來15年內，風電將增加6倍。在今后2年內，在懷俄明、伊阿華、明尼蘇達、得克薩斯、佛蒙特、緬因州等修建大型風電場，這些風電場將使美國風力發(fā)電能力再增加40xkw，預計到2010年，風力發(fā)電總裝機容量將達到630xkw，可滿足全美電力需求量的25%。 德國是歐洲風力發(fā)電增長最快的國家，近年風力發(fā)電量急增，尤其沿海各州，風力發(fā)電發(fā)展迅速，己超過丹麥，成為世界第二。到1995年己建成1035座風力發(fā)電裝置，裝機容量49.4xkw，1996年新裝機約950座，裝機容量為48xkw，到19%年底德國己擁有4500座風力發(fā)電裝置，總裝機容量達到約160xkw，1997年估計可增加5xkw，可為20多萬個家庭提供日常用電。這些風力發(fā)電裝置中的1600個是政府投資建設的。裝機容量超過1OO0kW的風電場有250個，300OkW的最大風電場已投入使用，發(fā)電能力63xkw，西部5xkw風力發(fā)電計劃可望在2一3年內完成，并投入運行。德國80%的風力發(fā)電裝置都是安裝在沿海地區(qū)，沿海各州已擬訂其風力發(fā)展規(guī)劃，下薩克森州計劃到2005年，將風力發(fā)電能力增至13Oxkw，斯雷蘇比克一霍爾斯泰因州議會決定到2010年建設120xkw風力發(fā)電設備，要求該地區(qū)配電公司、Schleswag電力公司大力配合，該公司管轄區(qū)內的風電場裝機已達33.7xkw，該公司也得到IPP(獨立系統(tǒng)發(fā)電業(yè)者)大力協(xié)助，預定進行198xkw風電場的建設。 丹麥是風力發(fā)電先進國家之一，它將風力發(fā)電作為國策，已有風力發(fā)電站近4000座，總裝機容量73xkw，發(fā)電總量達到634xw，相當于一個中等規(guī)模的核電站發(fā)電量，占全國能源總消耗量的3.7%。丹麥政府在“能源2000計劃”中規(guī)定，到2005年，風力發(fā)電目標為150xkw，相當于國內電力消費量的10%，到2020年，風力+PV+波力確保電力需要的25%，現(xiàn)在計劃有減緩的傾向。環(huán)境廳對各自治體提出要求，要求他們單獨提出風力發(fā)電裝置建設計劃，預計未來10年風力發(fā)電量將達到1500w。 荷蘭1986年開始實施風力發(fā)電研究，開發(fā)5年計劃NOW和引入風力發(fā)電5年計劃IPW。目標為1991年末總裝機容量達到5kw，但計劃沒達到預定目標，只達到4.9xkw，318座，發(fā)電總量5.5xkw·h，其后決定實施1991一1996年目標為40xkw的TWI五年計劃。計劃目標是1994年末風力發(fā)電能力達到14.4xkw，629座，發(fā)電量為24.7xkw.h，為荷蘭總發(fā)電量的1.2%。到1996年末，風力發(fā)電裝機容量己達到3zxkw，2000年為50xkw。 英國英倫三島的風力資源相當豐富，特別是蘇格蘭是世界風力資源最豐富的地區(qū)之一。英政府歷來重視風能等非化石燃料的開發(fā)，目前英國己有20多個風電場投入運行，到19%年總裝機容量己達到26.4xkw，2000年達到80xkw。 瑞典從七十年代開始風力發(fā)電的開發(fā)，經過20多年的努力，己成為該領域的領先者之一，到19%年底，裝機容量己達到9.5xkw。220多座風力發(fā)電站，大部分位于南部地區(qū)和波羅的海的厄蘭島及哥德蘭島上，哥德蘭島的風力發(fā)電量可保證全島68%的能源需求。為了更充分地利用風力資源，瑞典成立了包括一系列電力供應公司的專門財團，目標是在近幾年內使風力發(fā)電量增加4倍。瑞典由于場地問題，致力于海洋風力發(fā)電。由于建設費和與輸電的連接費用高，所以規(guī)模有大型化的傾向。 1.2.2 國內風力發(fā)電機的研制情況 1.2.2.1 我國風力發(fā)電概況 中國利用風能己有悠久的歷史，古代甲骨文字中就有“帆”字存在，1800年前東漢劉熙著作里有“隨風張慢曰帆”的敘述，說明我國是利用風能最早的國家之一。1637年明崇幀十年《天工開物》書里有“揚郡以風帆數頁，侯風轉車，風息則止”的記載，表明在明代以前，我國勞動人民就會制作將線運動轉變?yōu)轱L輪旋轉運動的風車，在風能利用上前進了一大步。 我國東南沿海向來有風力提水的使用習慣，江蘇省1959年曾有多達20余萬臺提水風車，后來大部分風車被柴油、電力所取代，但部分地區(qū)一直使用風力提水。50年代中期曾研制小型現(xiàn)代化風力提水裝置，50年代后期開始研究小型風力發(fā)電機組，但限于當時技術經濟條件，小型機組在試驗中受挫而停頓。至70年代，先后試制了1、2、10、12、18、20千瓦樣機，其中18千瓦機組于1972年7月安裝在浙江省紹興縣雄鵝峰上，1976年11月遷裝到底泅縣菜園鎮(zhèn)運轉發(fā)電，一直運行到1986年8月。1978年將研制風電設備列為國家重點科研項目后，進展加快，先后研制生產了微型和1一200千瓦風電機組，其中以戶用微型機組技術最為成熟，己有100、150、200、300和500瓦微型機組系列定型和批量生產，產品質量良好，不但可滿足國內需要，還遠銷國外。1998年底，全國安裝微型機組178574臺，約計1.7萬千瓦，還有獨立供電機組，已有1.2、2.5、5、7.5和10千瓦機組，以銷定產小批量生產。在網外無電地區(qū)，推廣微型、小型風電機組，是解決無電農牧民用電的有效途徑，有其獨特的優(yōu)越性，也是中國發(fā)展微型、小型風電機組的特色。在網外地區(qū)利用風柴蓄聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，能獲得穩(wěn)定的電力，又有明顯的節(jié)油效果，發(fā)展該系統(tǒng)，將促進風力從為生活服務轉向為生產提供電力，從而跨上一個新水平。風/光互補發(fā)電系統(tǒng)，能有效地利用自然資源。在我國很多地區(qū)，冬半年風大，太陽輻射強度??；夏半年風小，太陽輻射強度大，兩種能源的分布季節(jié)正好相反，互補利用可滿足用戶用電需求。 在國際上，80年代中期，商品機組以55一150千瓦為主，山東榮成進口355千瓦機組，1986年并網發(fā)電，達阪城和廣東南澳進口90千瓦、100千瓦和150千瓦機組計17臺，裝機容量4490千瓦，均于1989年并網發(fā)電。90年代初期國外商品機組單機容量200一300千瓦，1992一1996年我國進口風電機組以200一300千瓦機組為主，1996年建成17個風電場，裝機合計57700千瓦。90年代中期500一600千瓦商品機組推向市場，批量生產，標志著商品機組技術日臻成熟，造價相應下降。1996年，國家在“雙加”工程中，按照扶強扶優(yōu)的原則，選擇了達阪城二廠、輝騰錫勒、括蒼山和張北四個風電場進行重點改造，進口133x600千瓦、13x300千瓦機組，合計83700千瓦，分別于1997一1998年竣工驗收。同年，國家計委又制定乘風計劃”，旨在以技貿結合形式，與國外組建合資企業(yè)，在建設24萬千瓦風電場的同時，引進技術，消化吸收，達到自主開發(fā)、自行設計制造大型風電機組的能力。1996年采用招標評議方式確定“中國第一拖拉機工程機械(集團)公司”和“西安航空發(fā)動機集團公司”為大型風電機組總裝廠;1998年上述中標公司分別同外商合資成立“洛陽美德風電設備有限公司”和“西安維德風電設備有限公司”，標志著中國風力發(fā)電事業(yè)揭開了嶄新的一頁。 我國風電的利用大體上采用三種方式，一是戶用式，可獨立運行，用蓄電池，直流輸出或逆變交流輸出;單機容量為100一300W，可基本滿足照明、電視等家用電器的生活用電需要。其次是孤立的小居民區(qū)用，獨立運行，有蓄電池、直流輸出或逆變交流輸出，統(tǒng)一向各家各戶供電或每天為其更換蓄電池，單機容量為1一5kw。這種方式也可供無電風區(qū)邊防哨所、氣象臺站、雷達站、電視差轉臺以及無電區(qū)小火車站使用。三是建立風電場，聯(lián)網后輸出，有的與柴油發(fā)電機組或太陽能電站聯(lián)合，有穩(wěn)定的輸出。目前己有14座稍具規(guī)模的風電場，他們是達坂城、廣東南澳島、內蒙呼和浩特輝騰錫勒、內蒙朱日和、內蒙商都大山灣、遼寧瓦房店東崗、瓦房店橫山、福建平潭、浙江嗓泅、浙江大陳島、山東榮成馬蘭、山東長島、海南東方、浙江蒼南鶴頂山。正在籌建中的還有浙江臨海括蒼山、浙江舟山、內蒙錫林、廣東海陵島等。 風電的特點是一次性投資高，每千瓦約需1000一1200美元，再加上進口關稅12%、進口環(huán)節(jié)增值稅17%，使設備成本提高31%。據內蒙古電管局反映，不含稅風電價為0.63元kw.h，比火電價高出0.35元。目前主要是小規(guī)模的開發(fā)，如果要進一步發(fā)展，已遇到資金短缺、設備不過關、進口關稅過重等三大困難。 1.2.2.2 我國風力機械行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 據不完全統(tǒng)計，到1993年底，全國生產風電機組、風力提水機組及配套件的工廠共39家，其中主機27家;職工近4000人，工程技術人員400余人;從事科研開發(fā)有35家院校，科技人員250人。商品化風電機組有9種，從100w到5kw，年生產能力3萬臺，累計出口近1000臺小型風電機。1995年全國生產風電機組8190臺，風力提水機組50臺。目前全國小型風電機組保有量巧萬臺，居世界首位。近幾年來己建立14處規(guī)模不等的大中型風電場，至1995年共安裝55kw以上機組186臺，總裝機容量為37Mw。預測到2000年，需要小型風電機(1okw以下)22萬臺;大中型風電機組(20kw以上)4000臺;風力提水機組6000臺。 行業(yè)存在的主要問題有: (l)產品品種不全目前雖然我國己能大批量生產小型風電機組，1995年并出口印尼100W及300W小型風電機各250臺，價值340余萬元，但還停留在研究開發(fā)55kw、250kW的風電機階段。國外現(xiàn)在已做到600kW機組商品化，正在準備批量生產750kw、1MW機組。 (2)科研生產能力薄弱風力機械行業(yè)歸口于畜牧機械，稍具規(guī)模的企業(yè)只有內蒙商都牧機廠和內蒙動力機廠，缺少先進設備，影響產品質量和經濟效益的提高。隨著風電事業(yè)的發(fā)展，已有不少實力雄厚的單位加入，并取得初步成果。例如200kW風電機組的研制由浙江機電研究院、杭州發(fā)電設備廠、上海玻璃鋼研究所、中國空氣動力研究中心、同濟大學、清華大學等8個單位聯(lián)合承擔。樣機于1995年9月在浙江蒼南風電場完成2000小時運行考核，1997年4月19日通過國家科委的鑒定，不久將實施中試生產。又如第一拖拉機工程機械集團704分廠承擔了250kw風電機組的研制及組裝任務，保定550廠協(xié)作生產葉片，該項目屬于一拖與德國胡蘇姆造船廠合作生產協(xié)議，總框架為200臺，首批10臺得到了德國政府補貼，1995年12月4臺電風機己在內蒙錫林浩特風電場并網發(fā)電。再如1996年2月9日北京萬電公司(隸屬于中國運載火箭技術研究院)與奧地利比爾公司簽訂引進風力發(fā)電技術，專門從事500kw以上風電機的生產。1996年10月還簽訂3項合同，內容為:由電力局與丹麥維斯塔思公司，內蒙古電管局、浙江省電力局與丹麥麥康公司合作，除引進122臺600kw風電機之外，還將在國內組裝生產600kw風電機組。 今后風力發(fā)電機發(fā)展趨勢如何?一是增加風輪的直徑和塔架的高度，向超大型風力發(fā)電機發(fā)展，目前世界上最大的風力發(fā)電機建立在美國北卡羅來納州的蘭嶺山上，發(fā)電功率是兩千瓦，年發(fā)電量是330萬度，相當3300噸煤發(fā)出的電量；另一方面是向新型立體式風力發(fā)電機發(fā)展。立體式風力發(fā)電機即風力發(fā)電機的軸和風的方向垂直。它克服了一般風力發(fā)電機葉片需要不斷增長和提高塔架以及在材料和加工工藝等方面的困難。這樣來自任何方向的風都可以充分利用，提高了風能利用率。又可以降低高大的支撐鐵塔，結果造價低，重量也輕了許多。 1.3 研究風力發(fā)電機的目的和意義 中國是世界上最大的煤炭生產國和消費國，能源利用以煤炭為主。在當前以石化能源為主體的能源結構中，煤炭占73.8%，石油占18.6%，天然氣占2%，其余為水電等其它資源。在電力的能源消費中，也是以煤炭為主，燃煤發(fā)電量占總發(fā)電量的80%。但是，能為人類所用的石化資源是有限的，據第二屆環(huán)太平洋煤炭會議資料介紹，按目前的技術水平和采掘速度計算，全球煤炭資源還可開采200年。此外，石油探明儲量預測僅能開采34年，天然氣約能開采60年。隨著人口的增長和經濟的發(fā)展，能源供需矛盾加劇，如果不趁早調整以石化能源為主體的能源結構，勢必形成對數億年來地球積累的生物石化遺產更大規(guī)模的挖掘、消耗，由此將導致有限的石化能源趨于枯竭，人類生態(tài)環(huán)境質量下降的惡性循環(huán)，不利于經濟、能源、環(huán)境的協(xié)調發(fā)展。電力部己制定“大力發(fā)展水電，繼續(xù)發(fā)展火電，適當發(fā)展核電，積極發(fā)展新能源發(fā)電”的基本原則，把風力發(fā)電作為優(yōu)化我國電力工業(yè)結構跨世紀的戰(zhàn)略發(fā)展目標。八屆人大四次會議批準的我國經濟和社會發(fā)展“九五”計劃和2010年遠景目標綱要中提出“積極發(fā)展風能、海陽能、地熱能等新能源發(fā)電”的指導方針，為我國發(fā)展多能互補的能源結構新格局起到了指導和促進作用。 風能是對人類生存環(huán)境影響最小的能源。除此之外，風能資源非常豐富，取之不盡，用之不竭。據統(tǒng)計，太陽向地球輻射的巨大能量中，約有1%轉化為風能。這些能量相當于全球每年消耗的煤、石油等化石燃料能量的總和，可見風能的潛力是非常大的。隨著風力發(fā)電技術日趨成熟，風力發(fā)電規(guī)模也不斷擴大，美國加州由數家風能公司提供給電網的電量，足以供應舊金山這樣的大城市的居民需求。我國風電事業(yè)近年來發(fā)展較快，已有16萬臺微型風力發(fā)電機用于邊遠山區(qū)、牧區(qū)、海島，初步解決了地處邊遠，居住分散，電網難以到達地區(qū)的居民用電問題。同時也遏制了微型汽油發(fā)電機的發(fā)展，在節(jié)約石化燃料的同時，避免了各種有害氣體的排放。國家“九五”新能源發(fā)展計劃提出，“九五”期間全國風力發(fā)電的總裝機容燕山大學工學碩士學位論文量要突破40萬千瓦。為此，國家從宏觀規(guī)劃角度出發(fā)，制定了“乘風計劃”，面向國內外市場發(fā)展風力發(fā)電。“乘風計劃”不僅會大大促進我國風電事業(yè)的發(fā)展，而且對減排有害污染物，促進環(huán)境的改善有著重要意義。 風力發(fā)電近幾年發(fā)展如此之快，是因為它有許多優(yōu)點：1.設備簡單，投資少，成本低，風力發(fā)電機的整個設備成本不足功率相當的火力發(fā)電，水力發(fā)電和核電站成本的1/4，在二、三年內就可以收回全產投資；2.節(jié)省燃料和運輸費用。在風力資源豐富的地區(qū)，風力是取之不盡，用之不竭的，可就地建立風力發(fā)電站，就地用電，這樣就可以節(jié)省大量的輸電設備和能源。許多燃料是十分重要的化學原料，把它白白的燃掉是十分可惜的。我國資源并不十分豐富，充分利用風力資源意義就更重大了；3.利用風力可以減少對大氣的污染，保護我們人類賴以生存的自然環(huán)境?；瘜W燃料不斷向大氣中排放對生物有害物質，嚴重的威脅人們健康，而風力能源則沒有任何影響人類健康的有害物質。 由于它是清潔能源，對環(huán)境無污染，又由于我們國家地形復雜，人口又多，居住分散，對于電網涉及不到的地區(qū)，特殊行業(yè)，可以補充大電網的缺陷，起到拾遺補缺的作用，可以利用小型風機風力發(fā)電的地方主要有： (l)航運系統(tǒng)我們有長江等水系幾條大河流，如長江航運中的拖船，一般在100一200噸，經常被擱置在江中間的錨地上，用電主要靠蓄電池。使用風力發(fā)電機對蓄電池補充充電效果很好，這方面有成功的經驗。但是，由于國有運輸企業(yè)的不景氣，影響了市場。 另外，我們大小河流湖泊上的船舶數量驚人，用小型風力發(fā)電機解決它們的照明、收視電視、聽廣播，有很重要的意義和市場。 (2)森林防火高山觀察站據林業(yè)部防火指揮部介紹，東北約有400個觀察站，西南也有幾百個高山觀察站，各省市都有一些森林高山防火觀察站，站上的工作人員，在防火期從10月到第二年4、5月期間晝夜在站上值勤，解決他們的照明及聽廣播、看電視頗為費神。由于山高、道路狹窄歧嶇、運輸困難，又不能使用明火，使用小型風力發(fā)電機可以基本解決觀察站的照明及娛樂用電。90年代初，個別觀察站曾使用過小型風力發(fā)電機。由于風力發(fā)電機的某些技術問題及使用人員的素質因素，沒有得到推廣。 (3)無人值守的差轉臺和微波站。 (4)東南沿海各孤立的島嶼。 (5)圍網養(yǎng)殖系統(tǒng)。 (6)農牧區(qū)。 (7)國際市場。 1.4 我國的風能資源及其分布 風能是地球表面空氣移動時產生的動能。由于風速是一個隨機性很大的量，必須通過長時間的觀測才能算出平均風功率密度。 根據風的氣候特點，一般選取10年風速資料中年平均風速最大、最小和中間的3個年份為代表年份，分別計算該3個年份的風功率密度然后加以平均，其數值可以作為當地長年風功率密度平均值。中國氣象科學研究院計算了全國900余個氣象站的年平均風功率密度值，該值反映出全國風能資源分布狀況，以及各個地區(qū)風能資源潛力。 中國10m高度層的風能總儲量為3226GW，這個儲量稱作風能“理論可開發(fā)總量”。實際可供開發(fā)的量按上述總量的1/lO估計，并考慮風能轉換裝置風輪的實際掃掠面積，再乘以面積系數O.785(即直徑為lm的圓面積是邊長為lm的正方形面積的0.785)，得到中國10m高度層實際可開發(fā)的風能儲量為253GW。這個數量比1996年全國發(fā)電總裝機容量還大，說明中國風能資源豐富，但是可供經濟開發(fā)的風能儲量數據尚需進一步查明。 中國風能豐富的地區(qū)主要分布在西北、華北和東北的草原或戈壁，以及東部和東南沿海及島嶼，這些地區(qū)一般都缺少煤炭等常規(guī)能源。中國風力大小的出現(xiàn)規(guī)律是冬、春季風大，降雨量少;夏季風小，降雨量大。這一特點恰與水電的枯水期和豐水期有著較好的互補性。圖1-1示出了中國有效風能密度分布狀況。 由于我國地形復雜，風的地區(qū)性差異很大，有必要將我國的風能資源的大體分布列出，以便于人們了解哪些地區(qū)有開發(fā)利用風能的潛力。中國風能資源豐富的省區(qū)于表1一l。 一般風能資源的潛力和特征用有效風能密度和可利用年積累小時數兩個指標表示。根據有關氣象資料，我國可利用風能地區(qū)有三個，即風能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)，列表1一2如下: 圖1-1 中國有效風能密度分布狀況 表1一1 中國風能資源比較豐富的地區(qū) 表1-2 我國風能資源分布情況 第二章 風力機理論 2.1 基本公式 2.1.1 風能利用系數 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表示。橫截面積為s()的氣流的動能為 2.1.2 風壓強 如圖2-1a，根據伯努力方程，風中物體受到的風壓Q為 2.1.3 阻力式風力機的最大效率 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2-lb，并規(guī)定平板上游一定距離上的風速為，平板的運動速度為v，那么平板吸收的功率可以表示為 圖2-1 平板模型 對給定的上游風速玲，可以寫出以平板的運動速度V為函數的功率變化關系式，對v進行微分得 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C。 2.2 工作風速與輸出功率 2.2.1 風力發(fā)電機的輸出效率 最理想的風力機也不可能吸收全部的風能，而只能吸收部分風能。如上一節(jié)推導的那樣，有一個最大風能利用系數。但是，風力機在制做過程中，由于受到各種條件的限制，做不到完全理想的形狀。因此實際的風力機和理想的風力機之間也有差異。實際風力機吸收的功率與理想風力機吸收的功率的比值叫做風力機的效率。用表示。另外還有傳動機構的效率甲和發(fā)電機的效率等，所以實際風力發(fā)電機輸出的效率，可以表示為 2.2.2 工作風速與輸出功率 風力機啟動時，為了克服其內部的摩擦阻力而需要一定的力矩。這一最低力矩值叫做風力機的啟動力矩。啟動力矩主要與風力機本身的傳動機構摩擦阻力有關·因此風力機有一最低工作風速稱，只有風速大于時風力機才能工作。 當風速超過某一值的時候，基于安全上的考慮(主要是塔架和槳葉強度)，風力機應該停止運轉，所以每一臺風力機都規(guī)定有最高風速，最高風速與風力機的設計強度有關，是設計時給定的參數。 最小風速稱，和最大風速之間的風速叫做風力機的工作風速，相應于工作風速風力機有功率輸出。當風力機的輸出功率達到標稱功率時的工作風速叫做該風力機的額定風速。 2.2.3 啟動風速和額定風速的選定 如何根據風能資源來選用風力機，使風力機的運行狀態(tài)最佳，確定起動風速和額定風速是關鍵。 2.2.3.1 雙參數威布爾分布 風能就是流動空氣具有的動能。單位時間通過垂直于空氣流的單位面積的空氣流所具有的動能叫風能密度，設為空氣密度，v為風速，則風能密度p=0.5，隨v的立方增大，變化非?？欤手里L速的變化情況是利用風能的先決條件。 風速V是隨機變量，經研究專家們多認為用雙參數威布爾概率密度函數擬合風速頻率分布最好腳。威布爾分布函數形如下式 其中K為形狀參數，無量綱，C為尺度參數，量綱為m。不同地區(qū)，不同時期參數K、C是不同的，可根據某地連續(xù)30年的風資料算出該地的K、C參數，威布爾分布函數曲線見圖2-2。參數K、C影響曲線形狀，K大C大曲線陡峻，峰右移，反之亦然。 圖2-2 威布爾分布函數曲線 上式滿足 2.2.3.2 起動風速 啟動風速為風力機風輪由靜止開始轉動并能連續(xù)運轉的最小風速:風力機分水平軸和垂直軸兩大類，每一類又有多種形式，同一形式還有若干種規(guī)格，只有科學地選擇適合當地風能資源的風力機，才能以較少的投資獲取較多的風能。 根據國內外100多種風力機，起動風速的范圍是2m，至6m，這一范圍能滿足風能豐富區(qū)、較豐富區(qū)、可利用區(qū)的不同需要。 雙參數威布爾分布函數曲線峰值對應的凡就是起動風速(圖2-2)。對上式求一階導數且令其等于O有 解得 證明氣是出現(xiàn)概率最大的風速。使用起動力風速大于上式計算的氣的風力機會損失小風速這一區(qū)段的風能，使用起動風速小于上式計算的咋的風力機是否更好呢?表面看低風速的風能得到更多的利用，深入研究可知在之氣的較高風速區(qū)風能利用率下降，總體上是得不償失，故選用盡可能接近上式結果的風力機最為理想。 2.2.3.3 額定風速 額定風速的選定直接影響風能利用系統(tǒng)整體的效率和經濟性，是風力發(fā)電機設計中的重要參數。 己知風能密度p=12，對一臺效率為，槳葉半徑為廠的風力機，輸出功率w(V)的威布爾分布函數為 w(V)峰值對應之風速應是額定風速，此時風力機提取的風能最多。 令 2.2.3.4 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系 風力機的工作風速、輸出功率與風能的關系可以簡單地如圖2一3來表示(注:圖中縱坐標表示輸出功率，單位為:w/;橫坐標表示風能，單位為:m/s) A一理論風能曲線B一扣除空氣動力損失后的風力機吸收的功率 C一計算傳動損失和機械能轉換損失后的功率曲線 D一發(fā)電機實際輸出功率曲線 圖2一3 功率與風速的關系 2.3 風能利用與氣象 2.3.1 風的觀測對風能利用的意義 在前面已經講述過，風能與風速的三次方成正比。所以，當風速測量有10%的誤差時，風力機輸出功率的誤差將擴大到33%。在風力機的設計中，輸出功率出現(xiàn)30%以上的誤差，將帶來很大的經濟損失。風速隨時間變化很大，而且地區(qū)性差異也很大，正確把握風況并不是一件容易的事情。所以在風力機設計計劃中，對風的觀測非常受重視。 2.3.2 風能利用中需要的氣象調查 在風能利用中，需要進行四項氣象調查: (l)風能密度調查 結合風能的地區(qū)分布和可設立風力機地區(qū)面積的調查，在全國范圍內對可利用的風能量進行估算。 (2)選定適合地點 在一年中，對通過強風場所的調查。 (3)風速的頻率分布調查 在風力機的設計中，為了估算平均出力和運轉時間等量，必須了解風力機軸高處的風況。 (4)為了風力機設計強度和安全系數的氣象調查 異常的強風出現(xiàn)的概率、風的不定向性以及突風程度，冰暴、鹽害等的調查。 2.4 風的觀測 風的觀測，因其目的不同而有各自的特點。對于風能利用，通過對風的觀測，可以估算出該地區(qū)可利用的風能大小，為風力機的設計和性能研究以及開發(fā)的經濟性等提供條件。 風速的測量包括風向和風速的測量。因為風速隨時間變化很大，而且變化不定，所以測量時取一定時間內的風速大小的平均值和最長時間的風向。我國現(xiàn)行的風速觀測有兩種方法:一種是每日定時4次兩分鐘平均風速觀測;一種是一日24次自記10分鐘平均風速觀測。實際測量結果表明，前一種方法的誤差比較大，因此在風力發(fā)電機的設計中采用后一種測量方法得到的數據。 第三章 風力發(fā)電機方案和結構設計 3.1 小型垂直式風力發(fā)電機方案設計 現(xiàn)在，各個發(fā)達國家均大力發(fā)展新能源產業(yè)，雖然太陽能一直是新能源商業(yè)化的首選，因為太陽能的設置地點較靈活，不會產生噪音，可以和建筑進行一體化設計。但是風力發(fā)電較太陽能而言，它的成本優(yōu)勢明顯。傳統(tǒng)的風力發(fā)電機啟動風速要求較高，發(fā)電噪音也很大，所以只能將風力發(fā)電機放在人跡罕至的地方或風力較大的地方。設備也是往大型風力發(fā)電機發(fā)展，專門建設大型風力發(fā)電場，這樣，小型風力發(fā)電在相當長的時間里未得到較好的發(fā)展。所以，如何使風力發(fā)電和建筑進行一體化設計，降低小型風力發(fā)電機噪音，使其安裝在建筑周圍而不影響人的生活質量，已成為各個國家研究的焦點！ 我設計的是一種新型的立式垂直軸小型風力發(fā)電機，由風機葉輪、立柱、橫梁、變速機構、離合裝置和發(fā)電機組成。如下圖所示： 漿 葉 固定架 變速箱 星形齒輪加速器 電磁離合器 發(fā)電機 整流器 蓄電池 逆變器 負 載 圖3-1小型垂直軸風力發(fā)電機框圖 該小型垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)電原理為：在風的吹動下，風輪轉動起來，使空氣動力能轉變成了機械能（轉速+扭矩）。通過增速系統(tǒng)和離合器使轉矩和扭矩傳遞到風力發(fā)電機軸上，帶動發(fā)電機軸旋轉，從而使永磁三相發(fā)電機發(fā)出三相交流電。風速的不斷變化、忽大忽小，發(fā)電機發(fā)出的電流和電壓也隨著變化。發(fā)出的電經過控制器的整流，由交流電變成了具有一定電壓的直流電，并向蓄電池進行充電。從蓄電池組輸出的直流電，通過逆變器后變成了220伏的交流電，供給用戶的家用電器。應用范圍： 提供220伏交流電或24伏、36伏或48伏直流電 照明: 燈泡,節(jié)能燈 家用電器:電視機、收音機、電風扇、洗衣機、電冰箱； 該新型垂直軸風力發(fā)電機的特點為： １． 額定功率（ｗ）：300 ２． 輸出電壓（v）：24 ３． 啟動風速（m/s）：2 ４． 額定風速（m/s）：6 ５． 最大使用風速（m/s）：20 發(fā)電機為額定功率300w，輸出電壓24v。 該新型垂直軸風力發(fā)電機的優(yōu)點為： １． 結構簡單 ２． 易維護 ３． 運行平穩(wěn)安全 ４． 抗強風能力強 ５． 操作簡單 ６． 價格低廉 3.2 風葉 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3-2 帆翼式 3.3 行星齒輪加速器設計計算 3.3.1 設計要求 設計壽命5年，單班，一年360天，中等傳動，傳動逆轉，齒輪對稱布置，不允許點蝕，無嚴重過載，閉式傳動。齒輪精度8-7-7，齒輪材料:20CrNiMoH，碳氮共滲處理，硬度為Hv740以上。軸材料:20NiCrMoH或20CrMnMo。齒圈材料:42CrMo，氮化處理，硬度為Hv40O以上。 3.3.2 選加速器類型 小型風力發(fā)電機是安裝在樓頂或屋頂上的，所以盡量選擇體積小、重量輕、性能穩(wěn)定的設備。在選擇行星齒輪時，我選擇NGW型星形齒輪加速器，因為這個型號的齒輪傳動效率高，體積小，重量輕，結構簡單，制造方便，傳遞功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件的特點。 輸入軸 輸出軸 R S C P 圖3-3 NGW型行星齒輪加速器 3.3.3 確定行星輪數和齒數 在行星齒輪加速器中選擇行星輪數：=3 通過查表法確定了齒輪的齒數（機械手冊）： 總傳動比 i =5.4 太陽輪齒數 =20 內齒輪齒數 =88 行星輪齒數 =34 3.3.4 壓力角()的選擇 我們國家和許多國家都把齒輪的標準壓力角規(guī)定為，因此，本次設計的變速箱采用壓力角，以提高加工刀具的通用性。 3.3.5 齒寬系數的選擇 對于硬齒面齒輪的齒寬系數應小于軟齒面的齒寬系數。一般情況下，硬齒面值齒輪可取<0.7。齒寬系數小=(b/a)，一般可取0.4一0.8，常取0.6一0.7。 3.3.6 模數選擇 齒輪的模數是決定齒輪大小和幾何參數的主要參數，它直接影響齒輪的抗彎曲疲勞強度。設計變速箱選取模數的大小，主要與下列因素有關: 1.齒輪上受力的大小，作用力大，模數也大。 2.與材料、加工質量、熱處理質量好壞有關。 對于模數(m)的確定，可以根據同類變速箱的統(tǒng)計，參考選擇。 下列為行星傳動變速箱模數統(tǒng)計表: 通過以上比較，我